7. Ideas y conceptos de la formación de Biopelículas en la acción de

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Ideas y conceptos de la formación de Biopelículas en la acción de las Rizobacterias
Promotoras del Crecimiento Vegetal.
Ideas and concepts of biofilm formation in action Plant Growth Promoting
Rhizobacteria.
Miriam Vega Hernández, Angel Silveti Loeza, Janette Arriola Morales, Gabriela Pérez
Osorio, José Carlos Mendoza Hernández.
Facultad de Ingeniería Química, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Av. San Claudio
esq. 18 sur, Jardines de San Manuel, 72570, Puebla, Puebla, México.
[email protected]
RESUMEN. Entre la diversa microflora del suelo, las rizobacterias promotoras del
crecimiento vegetal (PGPR, por sus siglas en inglés) son un grupo heterogéneo de
bacterias que pueden crecer en, sobre o alrededor de los tejidos de la raíz de la planta,
estimulando el crecimiento de plantas directa o indirectamente. Estas juegan un papel
importante en el crecimiento vegetal a través de la producción y liberación de metabolitos
secundarios, que disminuyen o previenen los efectos perjudiciales de los organismos
fitopatógenos en la rizosfera logrando la disponibilidad y absorción de ciertos nutrientes.
Lo anterior es logrado por la formación de biopelículas en la rizosfera la cual presenta
ventajas sobre el modo planctónico de las bacterias. Se ha demostrado in vitro que las
biopelículas pueden ser de utilidad para aumentar el rendimiento de los cultivos, a través de
una serie de mecanismos de crecimiento de las plantas; así como biofertilizantes,
mejorando de la fijación de nitrógeno y la producción de micro y macro nutrientes. Las
biopelículas de PGPR pueden ser manipuladas para lograr nuevos resultados en la
agricultura por lo tanto, la comprensión acerca de su ecología, rasgos que promueven el
crecimiento, mecanismos de acción, y su aplicación para la estimulación en el crecimiento
de las plantas, es un área en la cual se necesita investigar a profundidad para desarrollar su
potencial.
ABSTRACT. Among the diverse microflora of soil, plant growth promoting rhizobacteria
(PGPR, for its acronym in English) are a heterogeneous group of bacteria that can grow in,
on or around the root tissues of the plant, stimulating growth plants directly or indirectly.
Recibido: Octubre, 2015.
Aprobado: Noviembre, 2015
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These play important roles in plant growth through the production and release of secondary
metabolites, which reduce or prevent the damaging effects of phytopathogenic organisms in
the rhizosphere achieving the availability and absorption of certain nutrients. This is
accomplished by biofilm formation in the rhizosphere which has advantages over mode
planktonic bacteria. It has been shown in vitro that biofilms can be useful to increase crop
yields, through a number of mechanisms of plant growth; and biofertilizers, improving
nitrogen fixation and production of micro and macro nutrients. PGPR biofilms can be
manipulated to achieve new results in agriculture therefore understanding about their
ecology, traits that promote growth, mechanisms of action, and its application to stimulate
the growth of plants, is an area where in-depth research is needed to develop their potential.
Palabras clave: Biopelículas, Bacterias Promotoras de Crecimiento Vegetal, Interacción
Planta-Microorganismos.
Keywords: Biofilms, Plant Growth Promoting Rhizobacterial, Plant-Microbe Interaction.
INTRODUCCION
Formación de Biopelículas
Las funciones de la microbiología y de la biotecnología en la agricultura son muy
importantes porque las fuentes vegetales satisfacen hasta un 80% de las necesidades
dietéticas de los seres humanos. La población de la Tierra aumenta en un 1.4 % anual y se
espera llegar a 8.3 mil millones en 2025; por lo tanto, serán necesarios aumentos sin
precedentes en la producción de cultivos si los niveles actuales de N (nitrógeno) se
mantienen (11 g de N por persona por día) (Graham y Vance 2000).
Las funciones intrínsecas que desempeñan las diversas poblaciones de microbios, en los
ecosistemas terrestres, tienen un efecto directo sobre el crecimiento de la planta y la calidad
del suelo. Esta característica ha llevado a que se preste atención especial para mejorar la
promoción del crecimiento vegetal utilizando microorganismos en la agricultura sostenible,
mediante la reducción de insumos químicos. En general, esto se atribuye a la capacidad de
los microbios de "rotar" los nutrientes y de enlazar las partículas en el suelo que son
esenciales para el crecimiento vegetal (Naveed et al., 2008).
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Entre las comunidades microbianas del suelo asociadas a la planta, las bacterias benéficas
que colonizan la raíz, son conocidas como rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal
(PGPR) (Lugtenberg y Kamilova 2009). Esto se logra mediante una serie de actividades
que incluyen la fijación de N2, el aumento de la disponibilidad de fosfato y otros nutrientes
en el suelo, fitoestimulación, la supresión de enfermedades de las plantas, la síntesis de
antibióticos y la producción de fitohormonas (Zehnder et al., 2001). El éxito de las PGPR
en la agricultura se atribuye a su colonización efectiva de raíces de las plantas y su sucesivo
crecimiento para formar biopelículas (Saleh - Lakha y Glick 2006).
Las biopelículas son colonias masivas de una o múltiples especies de células microbianas
adheridas a las superficies bióticas o abióticas en contacto una con otra, encapsuladas en
una matriz de sustancias poliméricas extracelulares (EPS, por sus siglas en inglés)
autoproducidas. Las biopelículas menos complejas con un menor número de células son
descritas como microcolonias, agregados, o grupos de células (Ramey et al., 2004). Las
microcolonias son la unidad básica de crecimiento de una biopelícula y de este modo las
biopelículas predominan en la mayoría de los ambientes naturales (Costerton et al., 1995).
Estos ensamblajes bacterianos tienen la capacidad de comunicarse químicamente entre sí, a
través de quórum sensing, funcionando como una sola unidad. Por lo tanto, las PGPR
cuando están en modo de biopelículas poseen un buen desempeño en la inhibición de los
organismos competidores, produciendo efectos benéficos en la promoción del crecimiento
vegetal, la captación de nutrientes y respuestas rápidas de adaptación en función de las
condiciones ambientales (Seneviratne et al., 2009). Adicionalmente, se ha demostrado que
la producción eficaz natural o in vitro de inóculos de las PGPR tiene usos potenciales, en la
agricultura y biotecnología.
Hallazgos recientes han descubierto la dependencia de la diversidad microbiana con el tipo
de suelo (Lundberg et al., 2012). El tipo de suelo ha mostrado una marcada influencia en la
población microbiana de la rizosfera del maíz (Chiarini et al., 1998). De hecho, la
estructura de la densidad y la comunidad microbiana de la rizosfera varía
significativamente entre los diferentes sitios de muestreo.
En general, las células microbianas, que enfrentan condiciones ambientales desfavorables
se transforman en etapas latentes tales como acinetos, quistes y esporas que forman un
semillero microbiano con gran número de especies microbianas (Teeling et al., 2012). La
inducción de los microbios inactivos a la reanimación es un intercambio entre los microbios
como respuesta a factores bióticos y abióticos dinámicos en el medio ambiente. La
aplicación directa del suelo de comunidades microbianas desarrollados en el modo de
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biopelículas ha demostrado aumentar la diversidad microbiana en los agroecosistemas
(Seneviratne y Kulasooriya 2013).
Las biopelículas, en general, tienen características de desarrollo únicos que son diferentes a
las células planctónicas libres o células formadoras de biopelículas. Los estudios
moleculares y genéticos han identificado que las biopelículas difieren considerablemente de
microbios individuales en el modo planctónicas de crecimiento de características vitales
como la expresión génica (Vilain y Brözel 2006) funciones y fisiología (Dow et al., 2007).
Una tolerancia antimicrobiana elevada es resultado de la adaptación fisiológica y la
naturaleza adherente de las células microbianas, así como la estructura de las biopelículas
que conforman (Stoodley et al., 2002).
Las rizobacterias, en su ambiente natural, persisten por la formación de biopelículas. Un
determinado número de estructuras celulares microbianas como los flagelos o los pili tipo
IV, los polisacáridos de la membrana, los lipopolisacáridos (LPS), en particular, la cadena
del antígeno O y las proteínas de la membrana externa incluyen adhesinas que son
importantes en la colonización de la raíz y la formación de las biopelículas (Hinsa et al.,
2003).
Las células bacterianas se adhieren y proliferan sobre la superficie de la raíz, como una
colonia, y subsecuentemente forman biopelículas, como una matriz polisacárida
extracelular. En el caso de Bacillus subtilis, la formación de biopelículas es inducida por
señales químicas liberadas por la raíz de la planta a las que la bacteria responde mediante la
síntesis estimulada de la biopelícula (Dey, R. et al., 2014).
Se han observado niveles altos de producción de surfactina (agente antimicrobiano) durante
la colonización y la formación de la biopelícula (Nihorimbere et al., 2012). Mutantes de
Bacillus subtilis carentes de surfactina son severamente afectados en la movilidad
“swarming” y muestran una pobre colonización de la raíz en comparación con la de tipo
silvestre (Angelini et al., 2009).
Las señales dependientes de la densidad, por ejemplo, el “quorum sensing” también juegan
un papel importante en la determinación de la densidad de bacterias que colonizan a la raíz
en la rizósfera y regulan la formación de la biopelículas (Pierson et al., 1998). Se reporta a
la N-acil homoserina lactonas (AHLs), como molécula del quorum sensing generada por
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bacterias gram negativas (Whitehead et al., 2001). En el caso de bacterias gram positiva
son polipéptidos/proteínas, y la c-butirolactona en actinomicetos (Yamada y Nihira 1998).
Resistencia Sistémica Inducida de las Rizobacterias Promotoras del Crecimiento en
Plantas de Cultivo contra Plagas y Enfermedades.
El inicio de una reacción de defensa en el sitio de la infección es una estrategia, que se
extiende por toda la planta provocando la capacidad de resistencia. La resistencia inducida
es una mejora de la capacidad de defensa de la planta en contra de un amplio espectro de
patógenos y plagas que se adquiere después de una estimulación apropiada. La resistencia
aumentada que resulta de un agente inductor sobre una infección generada por un patógeno,
se denomina Resistencia Sistémica Inducida (ISR) o Resistencia Sistémica Adquirida
(SAR). La inducción de la resistencia sistemática por rizobacterias, que no son patogénicas,
se refiere como ISR, mientras que la provocada por otros agentes se denomina como SAR
(Van Loon et al., 1998).
El ISR es muy similar al SAR, haciendo a la planta resistente a subsecuentes ataques de
organismos patógenos, como virus, bacterias y hongos. El SAR y el ISR no proveen una
resistencia completa a un patógeno en particular, pero provee una protección substancial a
plantas por un largo periodo de tiempo contra un amplio rango de organismos patógenos
(Bakker et al., 2007).
Inducción de la Resistencia Sistémica mediante PGPR contra enfermedades y plagas.
Se ha reportado que las PGPR inducen la resistencia en plantas contra enfermedades
bacterianas, fúngicas, virales además de plagas de insectos y nematodos. Este tipo de
resistencia inducida muestra ventajas como: efectividad contra varios patógenos;
estabilidad debido a la acción de diferentes mecanismos de resistencia, sistemicidad, ahorro
de energía y el empleo metabólico del potencial genético en todas las plantas que son
susceptibles. Entre los géneros de PGPR más estudiadas están Bacillus y Pseudomonas
(Dey, R. et al., 2014; Figueiredo et al., 2010).
Interacciones Planta – Bacteria
Los exudados de la raíz se perciben como la primera línea de comunicación entre las raíces
y PGPR en la rizosfera y están compuestas de aminoácidos, ácidos orgánicos (OAs, por sus
siglas en ingles), compuestos fenólicos, azúcares y proteínas. Los exudados de la raíz no
sólo proporcionan a las PGPR una fuente de nutrición, sino también sirven como señales
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que pueden atraer y/o repeler los microorganismos. Los exudados de raíz en diferentes
etapas de crecimiento de las plantas son únicos y estos exudados podrían modular
específicamente el microbioma de la rizosfera. El bajo peso molecular OAs tales como los
ácidos málico, cítrico y fumárico liberados por las raíces desempeñan papeles iniciales en el
reclutamiento de PGPR a las raíces que sirven como sustratos de carbono y fuentes de
señalización moleculares (Yuan et al., 2015).
Durante el tratamiento de semillas con microbios, se parte del hecho de que los microbios
que están presentes en la semilla están en la mejor posición para colonizar las raíces de las
plántulas. Por lo tanto, la mejor manera de colonizar la raíz con una bacteria benéfica es
esterilizar la superficie de la semilla y cubrirla subsecuentemente con las células de la
bacteria benéfica. Con el crecimiento, el resultado es que la punta de las raíces de las
plántulas esta mejor colonizada (con aproximadamente 106 bacterias por centímetro de
raíz). Una buena colonización de la raíz de la plántula puede llegar incluso a la punta de la
raíz en crecimiento. Viniendo desde la semilla, una bacteria coloniza la raíz, inicialmente
como células individuales, que subsecuentemente se multiplican y crecen como
microcolonias, designadas actualmente como biopelículas. Las biopelículas maduras
consisten por lo regular de múltiples capas de células que están cubiertas con una capa de
mucosa (Lugtenberg, B. 2015).
Quorum Sensing en plantas asociado a las biopelículas.
El termino quorum sensing (QS) describe el fenómeno que las bacterias son capaces de
percibir y responder a las señales generadas por sus propias moléculas para coordinar su
comportamiento en respuesta al tamaño de su población (Fuqua et al., 1994). El consenso
general es que las bacterias hacen funcionar el QS solo cuando su densidad celular ha
alcanzado un cierto límite (el quorum), sobre el cual la expresión de los genes encargados
son ya sea activados o reprimidos.
Entre las moléculas que participan en la señal de QS que a la fecha se identifican, se ha
investigado en mayor medida a las N-acil homoserina lactona (AHL) y ha mostrado
controlar la expresión de varios rasgos, incluyendo la virulencia, simbiosis, movilidad, la
formación de biopelículas, la producción de antibióticos y toxinas así como la conjugación.
Se ha descrito que varias moléculas de AHL poseen una mitad de la homoserina lactona
(HSL) pero difieren en la longitud y estructura en el lado de la cadena del acil. Cha et al.,
(1998) demostró que la mayoría de las bacterias asociadas a plantas producen moléculas de
señal AHL; Agrobacterium, Erwinia, Pantoea y Rhizobium, y cerca de la mitad de
Erwinias y Pseudomonas que han sido estudiadas, sintetizan niveles detectables de AHL.
Elasri et al., (2001) seleccionó 137 cultivos de Pseudomonas sp. nativas del suelo y
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asociadas a plantas usando biosensores e identificando 54 que fueron positivas a la
producción de AHL. Los autores de dicho estudio concluyeron que las bacterias asociadas a
la planta y las patógenas generan con mayor frecuencia AHLs que los cultivos nativos del
suelo e hicieron la hipótesis de que cuanto más íntima la relación de la bacteria con la
planta anfitrión, es más alta la probabilidad de que produzca AHLs.
El Quoreum sensing (QS) es un mecanismo regulatorio particularmente valioso cuando las
bacterias están viviendo con contacto muy cercano entre cada una. Este es el caso de las
biopelículas, donde las células están embebidas es una matriz extracelular generada por
ellas mismas, el cual consiste de polisacáridos, proteínas y DNA, y actúa como una barrera
de difusión para la señal molecular, por lo tanto, creando un ambiente ideal para la
inducción del QS. Además, se ha demostrado un rol directo del AHL controlando el QS en
la formación de biopelículas para muchas bacterias que usualmente se asocian con plantas,
incluyendo miembros del genero Burkholderia, Pseudomonas y Serratia (Aguilar et al.,
2009).
Empleando un enfoque de quorum sensing (por ejemplo, la degradación enzimática de las
moléculas de señal AHL), se ha mostrado que las señales del AHL regulan la formación de
las biopelículas en la gran mayoría de especies de Burkholderia. En varios cultivos del
Pseudomonas putida la producción de AHL depende de los biotensoactivos como el
lipopeptido cíclico (putisolvinas) que afectan fuertemente la formación de la biopelícula. Se
encontró que las putisolvinas inhiben la formación de las biopelículas y mostraron incluso
afectar biopelículas existentes. Se ha observado que las bacterias de Pseudomonas putida
mutantes en el quorum sensing producen biopelículas más densas que los cultivos del tipo
silvestre. Para Serratia sp se ha mostrado que el QS juega un papel importante en el
desarrollo estructural de las biopelículas, resultando en una biopelícula altamente porosa
compuesta de cadenas celulares, filamentos y conglomerados de células (Carlier, A. et al.,
2015).
Se sabe que las plantas soportan el crecimiento de biopelículas bacterianas sobre y dentro
de sus tejidos, incluyendo porciones aéreas de las plantas, la red vascular y tejidos de las
raíces bajo tierra. Estas biopelículas asociadas a plantas pueden establecer interacciones
comensales, mutualistas y patogénicas con las plantas o simplemente crecer de manera
saprófita sobre los nutrientes liberados.
Biopelículas de Rizobacterias Promotoras del Crecimiento en la Agricultura.
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La actual preocupación de los efectos secundarios perjudiciales en el uso de los
agroquímicos ha llevado a buscar otras vías de obtener una mejor productividad de los
cultivos. De estos, un creciente interés se ha demostrado en el uso de biofertilizantes que
comprenden de microorganismos beneficiosos, lo que mejora el crecimiento de plantas
mediante la introducción de inoculantes bacterianos en forma de biopelículas, protegiendo
así los inoculantes contra condiciones ambientales adversas como la alta salinidad,
concentraciones de taninos, pH bajo, metales pesados, la depredación de las lombrices de
tierra, la competencia por las poblaciones del suelo nativo (Seneviratne et al., 2008a), y
resistencia a protozoos (Matz et al., 2004).
Aparte de la colonización de la raíz, estudios recientes han reportado que la colonización
bacteriana de las superficies de hongos bióticos conducen a la formación de biopelículas de
hongos-bacterianas (FBB, por sus siglas en inglés) provocando que mejoren las actividades
metabólicas en comparación con los monocultivos, lo que mejora los biofertilizantes y los
efectos biocontrol (Seneviratne et al., 2008a). El establecimiento de dichas biopelículas de
rizobios con hongos del suelo establece una estrategia para la supervivencia de rizobios
(Seneviratne y Jayasinghearachchi, 2003).
PGPR biopelículas como biofertilizantes y su actividad de biocontrol
La colonización por biopelículas microbianas en la rizosfera proporciona una excelente
cooperación metabólica para mejorar el crecimiento de la planta. Las biopelículas liberan a
cantidades mayores de ácidos orgánicos comparados con los monocultivos, y mejoran la
mineralización de los nutrientes del suelo en la rizosfera. Algunos de los ácidos orgánicos
son hormonas promotoras del crecimiento vegetal (Seneviratne et al., 2008b). Por lo tanto,
hay una gran contribución de esta tecnología para la producción de cultivos en la
agricultura.
Las PGPR tienen una valiosa capacidad de fijación de N2 en el modo de biopelículas, así, lo
demostraron Jayasinghearachchi y Seneviratne (2004) con las biopelículas formadas por
hongos-rhizobium (FRB por sus siglas en ingles), (Bradyrhizobium elkanii SEMIA 5019 y
Penicillium spp.). Algunas especies PGPR fijadoras de N2 son Bacillus spp., Azotobacter
spp., Azospirillum spp., Beijerinckia spp., Pseudomonas spp), y Rhizobium y
Bradyrhizobium spp. (Dobereiner 1997; Vance 1997). Biológicamente las biopelículas fijan
N2 de manera más eficaz, según lo revelado por la actividad de la nitrogenasa y la
acumulación de nitrógeno, en comparación con la cepa rizobial crecida como monocultivo.
Las biopelículas de FRB aumentan significativamente la fijación de N2 (aproximadamente
30 %) en comparación con un rizobio inoculante único (convencional) cuando se aplicó a la
soja. Sin embargo, otra PGPR Azospirillum brasilense, un fijador de N2 de vida libre, se
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encontró que interactúa con las raíces de trigo y maíz, formando biopelículas densas y con
ello promoviendo el crecimiento de su planta huésped (Burdman et al., 2000).
Los géneros Rhizobium y Bradyrhizobium de PGPR, son conocidos por su capacidad en la
fijación simbiótica de N2, a través de la inoculación en cultivos de leguminosas, sin
embargo, estas bacterias simbióticas también han mostrado el potencial de ser utilizadas
como PGPR en cultivos diferentes a las leguminosa, han observado recientemente la fuerte
colonización de FBBs / FRB de pelos radiculares de arroz (Oryza sativa), té (Camellia
sinensis), Anthurium (Anthurium andraeanum) y trigo (Triticum aestivum). Se encontró
que los fertilizantes químicos se pueden reducir en aproximadamente un 50% mediante la
aplicación de tales biofertilizantes producidos por biopelículas in vitro (BBs, por sus siglas
en ingles). Cuando se aplicaron BBs con fertilizantes químicos para plántulas
micropropagadas de Anthurium, el número de hojas y el contenido de clorofila aumentó
entre un 60% y 100%, respectivamente, en comparación con los fertilizantes químicos en
una sola aplicación. La aplicación solo BBs aumentó longitud de la raíz del Anthurium en
cerca del 65%, en comparación con los fertilizantes químicos de aplicación solo.
(Seneviratne et al., 2009).
Jha y Saraf, 2012, observaron que el crecimiento de la planta Jatropha (Jatropha curcas L)
mediante inóculos de consorcios microbianos de 4 cepas; Brevibacillus brevis (MS1),
Bacillus licheniformis (MS3), Micrococcus sp. (MS4), and Acinetobacter calcoaceticus
(MS5). Los resultados demostraron que la co-inoculación del consorcio conformado por B.
brevis (MS1) + B. licheniformis (MS3) + A. calcoaceticus (MS5), proporcionó los mayores
aumentos en el peso de brotes, peso de la raíz, biomasa total, longitud de brotes y raíces,
clorofila total, el ancho de rodaje, y el rendimiento de grano. Además de tener la capacidad
de producir IAA, solubilizar P inorgánico y producir ACC deaminasa y sideroforoso, con
respecto a
los
controles, así como en los ensayos individuales, mejorando
significativamente el rendimiento en experimentos de invernadero y de campo.
Del mismo modo, los consorcios de tres cepas dieron el mejor rendimiento en términos de
los parámetros de crecimiento de Lycopersicum esculentum (Ibiene et al., 2012).
Demostraron que el uso de biofertilizantes combinados que contienen consorcios de
bacterias es un excelente inoculante para el desempeño del crecimiento de las plantas.
Los Mecanismos de control biológico para la supresión de enfermedades son una
importante estrategia contra un número de patógenos de plantas que causan la reducción del
rendimiento del cultivo. Las PGPR también actúan como agentes de control biológico
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eficaces suprimiendo el efecto de las enfermedades y proporcionan protección a las plantas
frente a patógenos dañinos. Las PGPR utilizan ciertos mecanismos, entre ellos la
competencia, la producción de antibióticos, la degradación de la pared celular de los
hongos, y secuestradores de hierro por la producción de sideróforos (Ramyasmruthi et al.,
2012). Los antibióticos además de suprimir a los patógenos también inducen resistencia
sistémica en la planta. La interacción sinérgica entre antibióticos e ISR aumenta aún más la
resistencia frente a patógenos (Jha et at., 2011). El Bacillus thuringiensis, tiene la
capacidad de producir proteína insecticida (Singh et al., 2010), por lo que se puede utilizar
como un agente de biocontrol.
Yuan et al., 2013 estudiaron la cepa Bacillus amyloliquefaciens NJN-6, aislada de la
rizosfera de plantas de banano la cual demostró promover su crecimiento, además de
proteger su huésped de Fusarium oxysporum f. sp. cubense, también colonizaron las raíces
y produjeron varios compuestos activos. El análisis de lo exudados de las raíces de banano
y su interacción en la colonización de las raíces con la cepa NJN-6, indicaron que el ácido
fumárico y ácido málico podrían atraer el Bacillus amyloliquefaciens NJN-6 y promover la
formación de biopelículas mediante la activación de genes relevantes. (Yang et al., 2015).
Por otro lado, se ha descubierto que Paenibacillus polymyxa forma biopelículas alrededor
de la punta de la raíz y se comporta como una bacteria que invade la raíz atribuyéndole un
posible mecanismo de tolerancia para mejorar el control biológico y la sequía (Timmusk et
al., 2005).
COMENTARIOS FINALES Y PERSPECTIVAS
La vida en una biopelícula ofrece varias ventajas, fomenta una mayor resistencia a ciertas
tensiones ambientales, tolerancia a los antimicrobianos, la protección contra la depredación
de protozoo, metabolismo en consorcio, o la posibilidad de transferencia horizontal de
genes. La formación de una biopelícula es una forma de mantener una masa crítica de
células en un lugar específico durante períodos suficientes para iniciar interacciones
beneficiosas o antagonistas en plantas hospedantes. Se sabe que las superficies radiculares
están continuamente sometidas a la doble vía de tráfico de solutos de las plantas al suelo y
viceversa, así como a la colonización microbiana en general, la cual es regulada por el
quorum sensing (QS). Esto a su vez conduce a la expresión de gen (es) específico (s) que
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permiten a las bacterias de una biopelícula comunicarse entre sí, asemejándose a un
organismo multicelular.
A este respecto, la formación de biopelículas es una ventaja añadida a las PGPR para
colonizar eficazmente sobre o en la raíz de la planta, donde pueden competir bien con
microflora autóctona junto con un mejor crecimiento de las plantas. Estos efectos
beneficiosos se obtienen debido a una serie de mecanismos directos e indirectos,
incluyendo la solubilización de fosfato, la producción de reguladores de crecimiento, el
secuestro de hierro mediante sideróforos, la producción de antibióticos, la síntesis de
metabolitos antifúngicos, producción de enzimas degradadoras de paredes celulares
fúngicas, inducir resistencia sistémica, reducción de los efectos nocivos del estrés de etileno
inducida por la actividad ACC-desaminasa, y la producción de vitaminas. La producción in
vitro de inóculos de biopelículas con PGPR puede ser utilizado para satisfacer la demanda
futura de los cultivos. La aplicación de consorcios bacterianos de múltiples cepas sobre la
inoculación simple es un método eficaz para reducir el impacto negativo del estrés sobre el
crecimiento vegetal aunado a cepas que tengan la capacidad de proteger la planta de
enfermedades a través de mecanismos de biocontrol también se pueden incluir en la
formulación. La eficacia de estas cepas puede ser mejorada por la producción de la enzima
ACC-desaminasa (Hao et al., 2007). Por lo tanto, la aplicación de tales cepas que tienen
rasgos múltiples para mejorar la promoción del crecimiento, considerándolas como
inoculantes potenciales. También es necesario entender las interacciones entre consorcio
microbiano y el sistema de la planta. La comprensión de estas interacciones puede ser muy
eficaz para mejorar el crecimiento de plantas.
Dichos aspectos necesitan ser investigados a fin de que las cepas o sus combinaciones más
eficaces puedan ser seleccionadas. Otros aspectos como: eficacia de los inóculos de
biopelículas, sus limitaciones bajo condiciones de campo, así como su elaboración y
comercialización también necesitan atención especial.
Por ejemplo, la adición de bacterias de nucleación de hielo a la agricultura tiene beneficios
potenciales de la protección de los cultivos de las heladas que caen por debajo de cero, lo
que podría contribuir a una solución del problema mundial del hambre. De manera similar,
las bacterias productoras de cianuro pueden ser utilizadas eficazmente para la supresión de
las enfermedades. Ciertas cepas de Pseudomonas producen aleloquímicos que se pueden
utilizar como bioherbicidas para minimizar el uso de productos químicos y por lo tanto
eliminar los peligros ambientales.
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Los ecosistemas agrícolas que son en gran medida pobres en diversidad microbiana debido
a las prácticas agronómicas actuales podrían ser restaurados con la aplicación de las
biopelículas microbianas convirtiendo las células inactivas a células metabólicamente
activas, mejorando así la sostenibilidad de los agroecosistemas y aumentando la
biodiversidad microbiana y funcionamiento de los ecosistemas.
Por otro lado existen investigaciones de la promoción del crecimiento de la planta por
inoculación de PGPR debido a la reducción y la mejora de la tolerancia de las plantas
contra los metales pesados y plaguicidas.
Las bacterias utilizan diferentes mecanismos adicionales para desintoxicar los efectos
adversos de los metales pesados en sus tejidos. Estos mecanismos incluyen la producción
de las proteínas que absorben los metales pesados y la desintoxicación llevándolos en las
vacuolas (Gerhardt et al., 2009). Los mecanismos desintoxicante y de tolerancia a metales
pesados utilizados por PGPR pueden variar entre las especies bacterianas y para diferentes
metales. Por ejemplo, los microbios pueden desintoxicar zinc (Zn) mediante la unión en la
membrana externa, y la producción de Zn-proteína o por complejación de ácidos
orgánicos. De manera similar, la inoculación bacteriana también ayuda a la degradación de
clorobenzoatos y plaguicidas según lo demostró Siciliano y Germida en 1997.
La producción de sideróforos por bacterias resistentes a metales desempeña un papel
importante en la supervivencia y el crecimiento de las plantas en suelos contaminados por
aliviar el impacto de estrés impuesta por metales pesados en las plantas (Rajkumar et al.,
2010). Además, la producción de enzimas y ciertas hormonas que movilizan los metales
pesados y las interacciones planta-microorganismo afecta el proceso de biorremediación
(Abbas-Zadeh et al., 2010). Por ejemplo, la inoculación de Lupinus luteus resistente al
níquel inoculada con B. cepacia modificada genéticamente mostró una alta concentración
de níquel que fue aproximadamente 30% más que el control no inoculado (Lodewyckx et
at., 2001).
El uso sostenido de los plaguicidas, fertilizantes químicos, abonos para el aumento de la
fertilidad del suelo y la productividad de los cultivos se traduce con frecuencia en efectos
perjudiciales para el ambiente. Existen varios entornos contaminados con varios niveles de
sustancias tóxicas. Entre estos plaguicidas, hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) e
hidrocarburos totales de petróleo (HTP) de fuentes antropogénicas. Por lo tanto, hoy en día
existe un considerable interés en el desarrollo de alternativas rentables basadas en
microorganismos o plantas. La rizoremediación se considera como el enfoque más
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potencial para la remediación de los HAP en el suelo. La microflora del suelo juega un rol
de vital importancia durante rizoremediación de xenobióticos. Diferentes enfoques como
rizoremediación, en combinación de PGPR y bacterias que degradan contaminantes
específicos, microbios modificados por ingeniería genética, plantas transgénicas y la
tecnología de enzimas se pueden utilizar para mejorar la eficiencia de biorremediación
(Gerhardt et al., 2009). Por lo que también, es un reto investigar los procesos de
optimización de bioremediación con biopelículas de PGPR en campo, lo que requiere un
conocimiento completo de la estructura, dinámica de la biopelícula con las plantas y su
interacción con los contaminantes y otros factores ambientales.
BIBLIOGRAFÍA.
Abbas-Zadeh, P., Saleh-Rastin, N., Asadi-Rahmani, H., Khavazi, K., Soltani, A., ShoaryNejati, A. R., & Miransari, M. (2010). Plant growth-promoting activities of fluorescent
pseudomonads, isolated from the Iranian soils. Acta physiologiae plantarum, 32(2), 281288.
Aguilar C, Carlier A, Riedel K et al (2009) Cell-to-cell communication in biofilms of gramnegative bacteria. In: Krämer R, Jung K (eds) Bacterial signaling.Wiley-VCH, Weinheim,
pp 23–40.
Angelini TE, Roper M, Kolter R, Weitz DA, Brenner MP (2009) Bacillus subtilis spreads
by surfing on waves of surfactant. Proc Natl Acad Sci U S A 106:18109–18113.
Bakker PAH, Pieterse CMJ, Van Loon LC (2007) Induced systemic resistance by
fluorescent Pseudomonas spp. Phytopathology 97:239–243.
Burdman, S., Okon, Y., & Jurkevitch, E. (2000). Surface characteristics of Azospirillum
brasilense in relation to cell aggregation and attachment to plant roots. Critical reviews in
microbiology, 26(2), 91-110.
Carlier, A., Pessi, G., & Eberl, L. (2015). Microbial Biofilms and Quorum Sensing.
In Principles of Plant-Microbe Interactions (pp. 45-52). Springer International Publishing.
Cha C, Gao P, ChenY et al (1998) Production of acyl-homoserine lactone quorum-sensing
signals by gram-negative plant-associated bacteria. Mol Plant-Microbe Interact 11:1119–
1129.
107
Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias
6(14): 95-111 2015
Chiarini, L., Bevivino, A., Dalmastri, C., Nacamulli, C., & Tabacchioni, S. (1998).
Influence of plant development, cultivar and soil type on microbial colonization of maize
roots. Applied Soil Ecology, 8(1), 11-18.
Costerton, J. W., Lewandowski, Z., Caldwell, D. E., Korber, D. R., & Lappin-Scott, H. M.
(1995). Microbial biofilms. Annual Reviews in Microbiology, 49(1), 711-745.
Dey, R., Pal, K. K., & Tilak, K. V. B. R. (2014). Plant Growth Promoting Rhizobacteria in
Crop Protection and Challenges. In Future Challenges in Crop Protection Against Fungal
Pathogens (pp. 31-58). Springer New York.
Dow, J. M., Fouhy, Y., Lucey, J., & Ryan, R. P. (2007). Cyclic di-GMP as an intracellular
signal regulating bacterial biofilm formation. Biofilm mode of life.
Elasri M, Delorme S, Lemanceau P et al (2001) Acyl-homoserine lactone production is
more common among plant-associated Pseudomonas spp. than among soilborne
Pseudomonas spp. Appl Environ Microbiol 67:1198–1209.
Figueiredo MVB, Seldin L, Araujo FF, Mariano RLR (2010) Plant growth promoting
rhizobacteria: fundamentals and applications. In: Maheshwari DK (ed) Plant growth and
health promoting bacteria. Microbiology monographs 18. Springer, Berlin, pp 21–43.
Fuqua WC,Winans SC, Greenberg EP (1994) Quorum sensing in bacteria: the LuxR-LuxI
family of cell density-responsive transcriptional regulators. J Bacteriol 176:269–275.
Gerhardt, K. E., Huang, X. D., Glick, B. R., & Greenberg, B. M. (2009). Phytoremediation
and rhizoremediation of organic soil contaminants: potential and challenges. Plant
Science, 176(1), 20-30.
Graham, P. H., & Vance, C. P. (2000). Nitrogen fixation in perspective: an overview of
research and extension needs. Field Crops Research, 65(2), 93-106.
Hammerschmidt R, Kuc J (1995) Induced resistance to disease in plants. Kluwer Academic
Publishers, Dordrecht, p 182.
Hao, Y., Charles, T. C., & Glick, B. R. (2007). ACC deaminase from plant growthpromoting bacteria affects crown gall development. Canadian journal of
microbiology, 53(12), 1291-1299.
Hinsa SM, Espinosa-Urgel M, Ramos JL, O’Toole GA (2003) Transition from reversible to
irreversible attachment during biofi lm formation by Pseudomonas fluorescens WCS365
requires an ABC transporter and a large secreted protein. Mol Microbiol 49:905–918.
Ibiene, A. A., Agogbua, J. U., Okonko, I. O., & Nwachi, G. N. (2012). Plant growth
promoting rhizobacteria (PGPR) as biofertilizer: Effect on growth of Lycopersicum
esculentus. J Am Sci, 8(2).
108
Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias
6(14): 95-111 2015
Jayasinghearachchi, H. S., & Seneviratne, G. (2004). Can mushrooms fix atmospheric
nitrogen?. Journal of biosciences, 29(3), 293-296.
Jha, C. K., & Saraf, M. (2012). Evaluation of Multispecies Plant-Growth-Promoting
Consortia for the Growth Promotion of Jatropha curcas. L. Journal of plant growth
regulation, 31(4), 588-598.
Jha, C. K., Aeron, A., Patel, B. V., Maheshwari, D. K., & Saraf, M. (2011). Enterobacter:
role in plant growth promotion. In Bacteria in Agrobiology: Plant Growth Responses (pp.
159-182). Springer Berlin Heidelberg.
Lodewyckx, C., Taghavi, S., Mergeay, M., Vangronsveld, J., Clijsters, H., & Lelie, D. V.
D. (2001). The effect of recombinant heavy metal-resistant endophytic bacteria on heavy
metal uptake by their host plant. International journal of phytoremediation, 3(2), 173-187.
Lugtenberg, B. (2015). Life of Microbes in the Rhizosphere. In Principles of Plant-Microbe
Interactions (pp. 7-15). Springer International Publishing.
Lugtenberg, B., & Kamilova, F. (2009). Plant-growth-promoting rhizobacteria. Annual
review of microbiology, 63, 541-556.
Lundberg, D. S., Lebeis, S. L., Paredes, S. H., Yourstone, S., Gehring, J., Malfatti, S., &
Edgar, R. C. (2012). Defining the core Arabidopsis thaliana root
microbiome. Nature, 488(7409), 86-90.
Matz, C., Bergfeld, T., Rice, S. A., & Kjelleberg, S. (2004). Microcolonies, quorum sensing
and cytotoxicity determine the survival of Pseudomonas aeruginosa biofilms exposed to
protozoan grazing. Environmental microbiology, 6(3), 218-226.
Naveed, M., Khalid, M., Jones, D. L., Ahmad, R., & Zahir, Z. A. (2008). Relative efficacy
of Pseudomonas spp., containing ACC-Deaminase for improving growth and yield of
maize (Zea mays L.) in the presence of organic fertilizer. Pak J Bot, 40, 1243-1251.
Nihorimbere V, Cawoy H, Seyer A, Brunelle A, Thonart P, Ongena M (2012) Impact of
rhizosphere factors on cyclic lipopeptide signature from the plant benefi cial strain Bacillus
amyloliquefaciens S499. FEMS Microbiol Ecol 79:176–191.
Pierson EA, Wood DW, Cannon JA, Blachere FM, Pierson LS III (1998) Interpopulation
signaling via N -acyl homoserine lactones among bacteria in the wheat rhizosphere. Mol
Plant Microbe Interact 11:1078–1084.
Rajkumar, M., Ae, N., Prasad, M. N. V., & Freitas, H. (2010). Potential of siderophoreproducing bacteria for improving heavy metal phytoextraction.Trends in
Biotechnology, 28(3), 142-149.
109
Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias
6(14): 95-111 2015
Ramey, B. E., Matthysse, A. G., & Fuqua, C. (2004). The FNR type transcriptional
regulator SinR controls maturation of Agrobacterium tumefaciens biofilms. Molecular
microbiology, 52(5), 1495-1511.
Ramyasmruthi, S., Pallavi, O., Pallavi, S., Tilak, K., & Srividya, S. (2012). Chitinolytic and
secondary metabolite producing Pseudomonas fluorescens isolated from Solanaceae
rhizosphere effective against broad spectrum fungal phytopathogens. Asian J Plant Sci
Res, 2(1), 16À24.
Saleh-Lakha, S., & Glick, B. R. (2006). Plant growth-promoting bacteria. Modern soil
microbiology. CRC/Thomson Publishing, Boca Raton, FL/UK, 503-520.
Seneviratne G, Kecskés ML, Kennedy IR (2008a) Biofilmed biofertilisers: novel inoculants
for efficient nutrient use in plants. In: Kennedy IR, Choudhury ATMA, Kecskés ML, Rose
MT (eds) Efficient nutrient use in rice production in Vietnam achieved using inoculant
biofertilizers. ACIAR Proceedings No. 130. ACIAR, Canberra, 137pp.
Seneviratne, G., & Jayasinghearachchi, H. S. (2003). Mycelial colonization by
bradyrhizobia and azorhizobia. Journal of biosciences, 28(2), 243-247.
Seneviratne, G., & Kulasooriya, S. A. (2013). Reinstating soil microbial diversity in
agroecosystems: the need of the hour for sustainability and health.Agriculture, ecosystems
& environment, 164, 181-182.
Seneviratne, G., Thilakaratne, R. M. M. S., Jayasekara, A. P. D. A., Seneviratne, K. A. C.
N., Padmathilake, K. R. E., & De Silva, M. S. D. L. (2009). Developing beneficial
microbial biofilms on roots of non legumes: A novel biofertilizing technique. In Microbial
strategies for crop improvement (pp. 51-62). Springer Berlin Heidelberg.
Seneviratne, G., Zavahir, J. S., Bandara, W. M. M. S., & Weerasekara, M. L. M. A. W.
(2008b). Fungal-bacterial biofilms: their development for novel biotechnological
applications. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 24(6), 739-743.
Siciliano, S. D., & Germida, J. J. (1997). Bacterial inoculants of forage grasses that enhance
degradation of 2-chlorobenzoic acid in soil. Environmental Toxicology and
Chemistry, 16(6), 1098-1104.
Singh, G., Sachdev, B., Sharma, N., Seth, R., & Bhatnagar, R. K. (2010). Interaction of
Bacillus thuringiensis vegetative insecticidal protein with ribosomal S2 protein triggers
larvicidal
activity
in
Spodoptera
frugiperda.Applied
and
environmental
microbiology, 76(21), 7202-7209.
Stoodley, P., Sauer, K., Davies, D. G., & Costerton, J. W. (2002). Biofilms as complex
differentiated communities. Annual Reviews in Microbiology, 56(1), 187-209.
110
Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias
6(14): 95-111 2015
Teeling, H., Fuchs, B. M., Becher, D., Klockow, C., Gardebrecht, A., Bennke, C. M., &
Weber, M. (2012). Substrate-controlled succession of marine bacterioplankton populations
induced by a phytoplankton bloom. Science, 336 (6081), 608-611.
Timmusk, S., Grantcharova, N., & Wagner, E. G. H. (2005). Paenibacillus polymyxa
invades plant roots and forms biofilms. Applied and environmental microbiology, 71(11),
7292-7300.
Van Loon LC, Bakker PAHM, Pieterse CMJ (1998) Systemic resistance induced by
rhizosphere bacteria. Annu Rev Phytopathol 36:453–483.
Vilain, S., & Brözel, V. S. (2006). Multivariate Approach to Comparing Whole-Cell
Proteomes of Bacillus cereus Indicates a Biofilm-Specific Proteome. Journal of proteome
research, 5(8), 1924-1930.
Whitehead NA, Barnard AML, Slater H, Simpson NJL, Salmond GPC (2001) Quorumsensing in Gram-negative bacteria. FEMS Microbiol Rev 25:365–404.
Yamada Y, Nihira T (1998) Microbial hormones and microbial chemical ecology. In:
Barton DHR, Nakanishi K, Meto-Cohn O (eds) Comprehensive natural products chemistry,
vol 8. Elsevier, Oxford, pp 377–413.
Yuan, J., Ruan, Y., Wang, B., Zhang, J., Waseem, R., Huang, Q., & Shen, Q. (2013). Plant
growth-promoting rhizobacteria strain Bacillus amyloliquefaciens NJN-6-enriched bioorganic fertilizer suppressed Fusarium wilt and promoted the growth of banana
plants. Journal of agricultural and food chemistry, 61(16), 3774-3780.
Yuan, J., Zhang, N., Huang, Q., Raza, W., Li, R., Vivanco, J. M., & Shen, Q. (2015).
Organic acids from root exudates of banana help root colonization of PGPR strain Bacillus
amyloliquefaciens NJN-6. Scientific reports, 5.
Yuan, J., Zhang, N., Huang, Q., Raza, W., Li, R., Vivanco, J. M., & Shen, Q. (2015).
Organic acids from root exudates of banana help root colonization of PGPR strain Bacillus
amyloliquefaciens NJN-6. Scientific reports, 5.
Zehnder GW, Murphy IF, Sikora EJ, Kloepper JW (2001) Application to rhizobacteria for
induced resistance. Eur J Plant Pathol 107:39–50.
111