La utilización de biofortificantes bacterianos suponen una alternativa sostenible y segura para maximizar el rendimiento y la calidad nutricional de los cultivos

La degradación por salinidad de tierras cultivables tiene un gran impacto sobre la agricultura, al imponerse sobre los cultivos diversos tipos de estrés (osmótico, iónico, y oxidativo), de manera que se ven afectados negativamente numerosos aspectos del desarrollo y crecimiento vegetal.

La salinidad del suelo puede ser definida como la acumulación de sales solubles en el terreno, y es considerada una de las principales causas de degradación edáfica. El cambio climático, el uso excesivo de fertilizantes, las prácticas de riego inadecuadas, la intrusión de agua marina, y otros procesos naturales (meteorización de rocas o material parental salino) son factores que inducen la salinización del terreno. Se estima que en Europa más de 30 millones de hectáreas presentan altos niveles de sal, siendo el sistema agrícola español uno de los más afectados, debido a sus condiciones climáticas mediterráneas (precipitaciones irregulares e intensas, y veranos secos) y a la presencia de regiones semiáridas.

Los efectos del estrés salino sobre las plantas son complejos, pudiendo generar desde déficit de agua en las raíces hasta acumulación de iones tóxicos frente a otros micronutrientes esenciales, lo que induce problemas germinativos, de crecimiento, o reproductivos. De esta manera, la pérdida de rendimiento de los cultivos puede llegar a ser superior al 40 % en terrenos afectados por la salinidad frente a suelos no salinos. Un claro ejemplo ocurre en los cultivos hortícolas, como en el caso de la lechuga (Lactuca sativa L.), considerada sensible a la salinidad al presentar un umbral de tolerancia de 1,3 dS/m (un suelo se considera salino cuando presenta una conductividad eléctrica de 4,0 dS/m).

La actual coyuntura global de encarecimiento y carestía de recursos naturales hace que cada vez sea más difícil satisfacer la demanda creciente de la población, por lo que es necesario dedicar un esfuerzo mayor a aumentar la productividad de los cultivos, incluso en entornos agrícolas estresantes. En el caso de la salinidad del suelo, las prácticas adecuadas de gestión agrícola y el fitomejoramiento han sido las metodologías tradicionales utilizadas para hacer frente a esta problemática. La primera consiste en la implantación de planes de recuperación del suelo, drenaje y riego con agua de alta calidad, pero presenta costes asociados elevados y suele proporcionar una solución temporal al problema. El segundo enfoque implica el desarrollo y explotación de plantas capaces de tolerar altos niveles de sal, mediante métodos tradicionales de mejora o desarrollo de cultivos transgénicos, pero es una alternativa cara y lenta. Por lo tanto, la búsqueda de alternativas sostenibles (económica y ambientalmente) que permitan mantener los rendimientos y así satisfacer la demanda de alimentos actual debe ser considerado una prioridad. En este sentido, el empleo de estrategias efectivas que consigan maximizar los recursos edáficos y vegetales ha ganado importancia durante los últimos años, como es el caso del empleo de biofortificantes microbianos. Es decir, microorganismos vivos (hongos o bacterias) capaces de mejorar el desarrollo de las plantas a través de diferentes mecanismos, como el aporte de nutrientes o la producción de compuestos beneficiosos.

Dentro de los biofortificantes microbianos destacan las bacterias promotoras del crecimiento vegetal o PGPB (del inglés Plant Growth Promoting Bacteria). Las PGPB son un grupo muy diverso de bacterias capaces de interactuar positivamente con los cultivos, induciendo mejoras a nivel productivo y nutricional, a través de una actividad multifactorial en la que intervienen diversos mecanismos moleculares, conocidos como mecanismos promotores del crecimiento vegetal (o mecanismos PGP). Dentro de los mecanismos PGP más estudiados se encuentran los relacionados con la captación, solubilización o movilización de nutrientes (como la fijación de nitrógeno atmosférico; solubilización de formas insolubles de fósforo o potasio; o la producción de compuestos quelantes del hierro, como los sideróforos), la síntesis de fitohormonas (como auxinas, giberelinas o citoquininas, que inducen procesos en la planta como: germinación de semillas, desarrollo radicular y aéreo, o desarrollo reproductivo), o la producción de otros compuestos orgánicos comopoliaminas, capaces de inducir crecimiento vegetal. Pero las bacterias PGP también presentan otros mecanismos menos conocidos, como es la producción de compuestos orgánicos volátiles o VOCs (del inglés Volatile Organic Compounds). Los VOCs son sustancias químicas de bajo peso molecular que pueden ser emitidas por las bacterias, y al ser percibidas por las plantas logran desencadenar una respuesta positiva en estas, mejorando su desarrollo y crecimiento.

Todos estos mecanismos PGP actúan a diferentes niveles en las plantas, induciendo cambios que no solo favorecen el crecimiento vegetal, sino que también pueden provocar una mayor resistencia o tolerancia a diferentes estreses abióticos, como es el caso de la salinidad del suelo. Por ejemplo, la producción de biopelículas bacterianas en las raíces y el suelo da lugar a un aumento de la porosidad de este, y actúa como una barrera entre el sistema radicular y el ambiente salino, manteniendo más estable el potencial hídrico de la planta. La solubilización bacteriana de K+ o P+ permiten una mayor absorción de estos iones por parte de la planta, lo que aumenta su concentración frente a otros iones tóxicos, como el Na+ (que en condiciones salinas se encuentra a altas concentraciones, produciendo efectos negativos en las plantas). Además, la exposición de los cultivos a VOCs bacterianos puede desencadenar ciertas respuestas moleculares en la planta, que permiten contrarrestar los efectos negativos de la salinidad en el suelo. De esta manera, las PGPB actúan sobre los cultivos, no sólo mejorando su productividad y valor nutricional bajo unas condiciones óptimas de crecimiento, sino ayudando a resistir las condiciones ambientales adversas que provocan la reducción en la producción vegetal. Por lo tanto, la obtención de cepas bacterianas con capacidad PGP e inocuas (es decir, con un alto nivel de bioseguridad para el ser humano y el medio ambiente) supone una alternativa de gran interés ante las condiciones climáticas cada vez más desfavorables/hostiles a las que se enfrenta la agricultura.

Las PGPB son un grupo de bacterias heterogéneo, dentro del cual se encuentran los rhizobia, utilizados desde hace décadas por su capacidad para establecer relaciones simbióticas con plantas y fijar nitrógeno atmosférico en nódulos radicales. El género Rhizobium fue el primer grupo descrito dentro de estas bacterias, conocido comúnmente por la fijación del nitrógeno atmosférico en simbiosis con las leguminosas. En los últimos años se ha descrito la capacidad de este taxón bacteriano para interactuar con cultivos no leguminosos, mejorando su producción y su valor nutracéutico, incluso bajo condiciones de estrés abiótico (como la salinidad). En estudios realizados en la Universidad de Salamanca, se ha observado que la aplicación de cepas de este género bacteriano sobre plantas de lechuga provoca mejoras en parámetros vegetativos y productivos, también bajo condiciones de salinidad (Figura 1).

Así, los ensayos en invernadero mostraron que la inoculación del cultivo de lechuga con estas bacterias generó mejoras de hasta el 80 % de varios parámetros productivos y de calidad de este cultivo: peso de la parte aérea, número de hojas y contenido en clorofila de las hojas. Por lo tanto, la aplicación de cepas de Rhizobium no sólo favorece el crecimiento de la planta y su rendimiento comercial, sino que también ayuda a mantener un mejor aspecto de la parte comercializable de este cultivo. Por otra parte, bajo condiciones de salinidad la inoculación con Rhizobium también presentó mejoras de hasta el 30 % en los parámetros analizados con respecto a plantas no inoculadas. De esta manera se puede establecer que la biofortificación con Rhizobium mejora la adaptación de la lechuga a condiciones de estrés, como la salinidad del suelo, además de incrementar su productividad en un ambiente óptimo para su desarrollo.

Figura 1. Efecto de la biofortificación de plantas de lechuga mediante la aplicación de Rhizobium, bajo condiciones normales (arriba) y salinidad (abajo).

Otro aspecto relevante observado en los ensayos de invernadero es la capacidad que tienen las bacterias inoculadas para mejorar el contenido nutricional de las plantas de lechuga, al incrementar la concentración de compuestos bioactivos (Figura 2). La inoculación de cepas específicas del género Rhizobium induce aumentos del 57 y 76 % en el contenido total de ácidos fenólicos y flavonoles en las hojas de las lechugas bajo condiciones normales. Estos compuestos polifenólicos presentan una elevada actividad antioxidante y antiinflamatoria, que se relaciona con efectos beneficiosos sobre la salud humana. Por lo tanto, el aumento en polifenoles gracias a la inoculación conlleva una mejora del contenido nutricional de las plantas, lo que podría repercutir positivamente en el consumidor y en su salud, ya que la actividad antioxidante de estos compuestos se asocia a un menor riesgo de cáncer y enfermedades cardiovasculares.

Por otro lado, el uso de otra cepa bacteriana de Rhizobium como inóculo de plantas de lechuga provoca un aumento de más del 10 % de la concentración de flavonoles totales y otros ácidos fenólicos bajo condiciones de salinidad, en comparación con plantas no inoculadas. Cabe destacar que la actividad antioxidante de dichos compuestos limita los efectos negativos de la salinidad en los cultivos, al contrarrestar el daño oxidativo provocado por este tipo de estrés. A este respecto, se ha sugerido que la interacción de las bacterias con la planta desencadena una respuesta defensiva en la planta que conlleva un aumento de este tipo de compuestos, lo que ayuda al cultivo a lidiar con las condiciones ambientales adversas a las que se ve sometido.

Figura 2. Cambios en el contenido en flavonoides y ácidos fenólicos totales tras la inoculación con dos cepas de Rhizobium, bajo condiciones normales (cepa 1) y salinidad (cepa 2).

En un estudio realizado por miembros de la Universidad de Salamanca, en colaboración con la Universidad de Oporto, se ha observado que una cepa del género bacteriano Rhizobium es capaz de emitir compuestos volátiles, y que los compuestos emitidos varían diferencialmente en función del tiempo y condiciones de crecimiento de la bacteria. Entre los compuestos producidos aparecen alcoholes de cadena ramificada, cetonas o terpenos. Además, al realizarse ensayos en los que se expusieron semillas germinadas de lechuga a los volátiles emitidos por la bacteria, se observa una mejora del crecimiento de las plántulas durante sus primeros estadios de desarrollo frente a plantas no expuestas a los VOCs (plantas control) (Figura 3). Estos ensayos se realizaron en condiciones controladas y de atmósfera cerrada, tanto en plantas sometidas a estrés salino como en plantas crecidas en condiciones no estresantes. Los resultados mostraron aumentos de entre el 15 % y el 70 % de diversos parámetros de interés: longitud de la parte aérea y radicular, así como el número de hojas y raíces secundarias, tanto en las plantas sometidas al estrés, como en las plantas desarrolladas en condiciones óptimas.

Figura 3. Exposición de las plántulas de lechuga a los volátiles producidos por una cepa de Rhizobium, bajo condiciones normales (izquierda) y salinidad (derecha).

Agradecimientos

Esta investigación ha sido financiada por las ayudas AGL2015-70510-R del MINECO (Ministerio de Economía, Industria y Competitividad) y VA2I/463AC06 de la Diputación de Salamanca y por la Junta de Castilla y León (Escalera de Excelencia CLU-2018- 04) y cofinanciada por el Programa Operativo del Fondo Europeo de Desarrollo Regional para Castilla y León 2014-2020. Miguel Ayuso Calles agradece el contrato predoctoral de la Universidad de Salamanca cofinanciado por el Banco Santander. José David Flores Félix agradece la ayuda postdoctoral Marie Sklodowska-Curie No 101003373.

Bibliografía

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