Azospirillum brasilense: Fijación de Nitrógeno en Gramíneas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE AGRONOMÍA
PROYECTO
“Azospirillum brasilense, microorganismo fijador de nitrógeno en
gramíneas”
PRESENTADO POR:
ROYS ALARCÓN HERNÁNDEZ, ERLIN CARRERA CARRERA, YERSON
CABANILLAS QUISPE, KARIN COLORADO ARAUJO, MAYELI NÚÑEZ
HERNÁNDEZ
ASESOR:
Ing. EDUARDO TORRES CARRANZA
CAJAMARCA – PERÚ
1
Índice
Índice ................................................................................................................................................. 2
Resumen ........................................................................................................................................... 3
I.
Introducción............................................................................................................................. 4
II.
Objetivos................................................................................................................................... 6
2.1.
Objetivo general.............................................................................................................. 6
2.2.
Objetivos específicos .................................................................................................... 6
Marco teórico....................................................................................................................... 7
III.
3.1.
Antecedentes de investigación .................................................................................. 7
3.2.
Bases teóricas................................................................................................................. 9
3.2.1.
Aspectos generales de Azospirillum brasilense ........................................... 9
3.2.2.
Obtención de Azospirillum brasilense ........................................................... 10
Resultados y discusión .................................................................................................. 12
IV.
4.1.
Efectos de Azospirillum brasilense en cultivos ................................................... 12
4.1.1.
Colonización de las raíces ................................................................................. 12
4.1.2.
Asociación bacteria-planta ................................................................................ 12
4.1.3.
Mecanismos promotores del crecimiento vegetal ...................................... 12
4.1.4.
Efectos de inoculación (PGPR) ........................................................................ 13
V.
Conclusiones......................................................................................................................... 14
VI.
Referencias bibliográficas ............................................................................................. 15
2
Resumen
Azospirillum se trata de una rizobacteria cosmopolita, capaz de promover el
crecimiento vegetal de una variedad de cultivos de interés agronómico. En la
actualidad se conocen 21 especies, siendo la más estudiada Azospirillum
brasilense. Se ha reportado el efecto del uso de la bacteria en cultivos de maíz,
habiéndose determinado el mismo en parámetros como ser la altura de la planta y
el tamaño radicular, incluido un aumento de la cantidad de nitrógeno fijado de la
atmósfera. De forma similar, en cultivos de sorgo y trigo, se ha reportado un
beneficio significativo en peso de materia seca de la planta, relacionado con el
aumento en el rendimiento de grano por hectárea. El mecanismo principal por el
cual Azospirillum mejora el crecimiento vegetal es la producción de fitohormonas,
principalmente el ácido-3-indol acético (AIA), el cual es generado en la planta, y le
otorga acción en diversas funciones.
3
I.
Introducción
Para evitar o minimizar el impacto del uso de los fertilizantes químicos
en el ambiente es necesario contar con información básica acerca de los
requerimientos nutricionales específicos de los cultivos y de la eficiencia
relativa de las distintas fuentes de fertilizantes. Con la finalidad de aportar
los elementos requeridos para el crecimiento de las plantas y del estatus
nutricional actual de las tierras de cultivo. El empleo de fertilizantes
nitrogenados puede ser reducido de manera sustancial por la aplicación
de algunas medidas, tales como un preciso estudio del estatus actual del
suelo, la aplicación de microorganismo benéficos del suelo, así como una
mayor utilización de especies leguminosas.
El nitrógeno es uno de los elementos esenciales en la nutrición de las
plantas, siendo uno de los factores limitantes más comunes en la
producción del cultivo (Paredes 2013). Este elemento es considerado
como el motor de crecimiento de la planta. Una vez que la planta absorbe
este nutriente lo acumula como nitrato en los tejidos de la hoja, y es el
encargado de motorizar la síntesis del complejo hormonal del crecimiento.
En las últimas décadas, la producción agrícola ha aumentado,
trayendo consigo consecuencias para el medio ambiente y en este
sentido, las fuentes de contaminación por nitratos en suelos y aguas
(superficiales y subterráneas), se asocian mayoritariamente a actividades
agrícolas con la utilización de fertilizantes inorgánicos (García et al. 2011).
Una solución alternativa para reducir estos problemas ambientales y
aumentar la rentabilidad del cultivo es la asociación de plantas con
bacterias promotoras de crecimiento (PGPR) que existen en el suelo.
De este modo, el uso de alternativas sostenibles para la nutrición
vegetal, a ejemplo de la exploración del potencial de la fijación biológica
de nitrógeno atmosférico (FBN), se vuelve fundamental para aumentar la
productividad de las plantas. La FBN es realizada por las bacterias
diazotróficas, comúnmente conocidas como bacterias promotoras de
crecimiento de plantas (BPCPs). La FBN ocurre por la conversión del
4
nitrógeno atmosférico (N2) en otras sustancias nitrogenadas, con
incorporación por la planta através de la síntesis de proteína y ácidos
nucleicos.
Melgar y Torres (2007) sostienen que existen asociaciones
importantes que han demostrado un potencial económico alto, como el
caso de la asociación de cultivos con Azospirillum, pudiendo suplir hasta
el 20% a 30% de nitrógeno que la planta necesita. Aunque en el caso
particular de Azospirillum, está demostrado que el efecto beneficioso de
la asociación es debido mayoritariamente a la capacidad que posee la
bacteria de producir fitohormonas que determinan un mayor desarrollo del
sistema radicular y, por tanto, la posibilidad de explorar un volumen más
amplio del suelo. A continuación, detallaremos temas relacionados con el
Azospirillum y su múltiple importancia en los cultivos.
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II.
Objetivos
2.1.
Objetivo general
Analizar los efectos de Azospirillum brasilense como
microorganismo fijador de nitrógeno en gramíneas.
2.2.
Objetivos específicos
Caracterizar morfológicamente las bacterias seleccionadas
como promotoras de crecimiento vegetal.
Explicar el proceso de fijación de nitrógeno de la bacteria en
cultivos de gramíneas.
Describir el efecto promotor de crecimiento vegetal de la
bacteria Azospirillum brasiliense.
6
III.
Marco teórico
3.1.
Antecedentes de investigación
3.1.1. Impacto de la inoculación con Azospirillum brasilense
sobre el flujo interno de N y C en plantas jóvenes de
cebada.
Se observó que la inoculación con A. brasilense aumentó
el peso seco de las hojas y del vástago de las plantas
jóvenes de cebada independientemente del estatus de N de
las mismas. Al estudiar los diferentes tejidos, se observó en
las raíces un mayor contenido de nitratos y proteínas en las
plantas inoculadas, pero sólo en aquellas cultivadas con alto
contenido de N evidenciándose así una interacción entre
estos parámetros; no observándose diferencias en los
contenidos de aminoácidos y azúcares (Ciolfi, F., Contino,
J., y Criado, M. 2017).
3.1.2. Efecto promotor del crecimiento vegetal de cepas de
Azospirilum s.p. en el cultivo de arroz
El género Azospirillum ha sido utilizado como agente
promotor del crecimiento vegetal, debido a su capacidad
para fijar nitrógeno atmosférico y producir auxinas del tipo
ácido indolacético. Se emplearon cepas nativas aisladas y
de referencia, a las que se les determinó su capacidad de
producir
compuestos
indólicos
mediante
la
técnica
colorimétrica derivada de Salkowski y la capacidad de
fijación de nitrógeno, mediante el ensayo de reducción de
acetileno. Se obtuvieron resultados positivos para todas las
cepas, que resultaron productoras de compuestos indólicos
en un rango de 2,75-8.6 µg. mL-1 y con una capacidad de
fijar nitrógeno de 164.17-384.9 nmol.h-1·5 mL-1 (Heydrich,
Mayra & Hernández, Annia, 2007).
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3.1.3. Impacto de Azospirillum brasilense, una rizobacteria
que estimula la producción del ácido indol acético
como el mecanismo de mejora del crecimiento de las
plantas en los cultivos agrícolas.
Azospirillum brasilense presenta una alternativa en la
recuperación de suelos erosionados, debido a su efecto
benéfico en inoculación de cultivos de interés agronómico.
El mecanismo principal de este efecto es debido a
fitohormonas como el AIA del cual se conoce las rutas
dependientes de aminoácido triptófano (TRP) y se propone
una ruta independiente de él. Sin embargo, se desconocen
aún diversas características de la ruta que abren posibilidad
a futuras investigaciones en la manipulación de la misma
(Saavedra, D., Martínez, H., Rosero, C., Cuenca, G.,
Fernández, R., y Moreira, A. 2017).
3.1.4. Biofertilización de Azospirillum spp. y rendimiento de
grano de maíz, sorgo y trigo.
La
biofertilización
de
Azospirillum
spp.
demostró
beneficios potenciales únicamente en la producción de
grano de sorgo, en particular las cepas de A. brasilense VS7 y VS-9 al tener un efecto 55 y 49% superior que el testigo
fertilizado
con
nitrógeno.
Estos
resultados
también
demostraron la afinidad existente entre cepa y genotipo
vegetal, una relación que merecer mayor atención en
trabajos de investigación por desarrollar (Rangel, J.,
Ramírez, R., Cervantes, F., Mendoza, M., García, E., y
Rivera, G. 2014).
8
3.2.
Bases teóricas
3.2.1. Aspectos generales de Azospirillum brasilense
El nombre Azospirillum proviene del francés Azote, que
significa nitrógeno y del grupo Spirillum, pequeña espiral. Es
una bacteria alfa-proteobacteria gran negativa, fijadora de
nitrógeno, descrita por primera vez en Brasil (en una
publicación en 1978) por el grupo de Johanna Döbereiner.
A. brasilense es capaz de fijar nitrógeno en presencia de
niveles bajos de oxígeno, lo que lo convierte en un
diazótrofo microaeróbico (Parra, Y., y Cuevas, F. 2001).
La morfología de las células depende de las condiciones
nutricionales y edad del cultivo. Se observan formas eses y
vibroides de 0.8 a 1 x 2 a 5 micrómetros de tamaño; se
asocia además la aparición de formas quísticas o en C,
como vía de resistencia a las condiciones de estrés y del
mismo modo como mecanismo de supervivencia en la
rizosfera. Contienen gránulos de poli-ß-hidroxibutirato
(PHB) como material de reserva y un sistema muy eficiente
de adquisición de hierro a través de sideróforos, que le
permite secuestrarlo en la rizosfera (Parra, Y., y Cuevas, F.
2001).
Igualmente, la presencia de una respuesta quimiotáctica
a diferentes compuestos, asociada a la existencia de vías
metabólicas alternativas, convierten a Azospirillum en un
organismo competitivo y nutricionalmente versátil, pues le
permiten consumir una amplia variedad de ácidos
orgánicos,
azúcares,
aminoácidos
y
compuestos
aromáticos que se encuentran disponibles en la rizosfera
(Parra, y. 2001).
9
3.2.2. Obtención de Azospirillum brasilense
Las bacterias del género Azospirillum han sido aisladas
de la superficie de la raíz de una muy amplia variedad de
plantas y de sus rizosferas, incluyendo cereales como maíz,
trigo, arroz sorgo y avena. La adaptación de Azospirillum al
futuro ambiente rizosférico probablemente se inicia con la
germinación de las semillas, la cual exuda infinidad de
compuestos orgánicos que forman parte fundamental de la
espermosfera.
Posteriormente,
la
exudación
de
compuestos será a través de las raíces durante el desarrollo
de la planta (Martos, P. 2012).
3.2.2.1.
Aislamiento
Azospirillum es aislado de la rizosfera de una gran
variedad de plantas y pastos forrajeros como Poa
pratensis. El medio de cultivo utilizado universalmente
para obtener un óptimo crecimiento de este género
bacteriano corresponde a un sustrato denominado NFb
(nitrogen free broth) utilizando malato como fuente de
carbono.
Las bacterias después haber sido cultivadas en
sustrato NFb, se siembran en un agar selectivo, para
bacterias del género Azospirillum, denominado rojo
congo ácido málico, donde las colonias adquieren una
coloración rojo escarlata, consistencia seca y abundante
crecimiento (Schoebitz, M. 2006).
3.2.2.2.
Identificación
El género Azospirillum presenta una morfología
vibroide, pleomorfismo y movimiento en espiral. Posee
un flagelo polar y corresponde a bacterias Gram
negativas. Estas bacterias se caracterizan por que son
10
Rizobacterias
promotoras
del
crecimiento
vegetal
(PGPR), son fijadoras biológicas de nitrógeno (FBN),
además por su producción de fitohormonas y su
capacidad para adherirse a cualquier sistema de raíces.
Respecto, a las sustancias responsables de provocar el
efecto promotor del crecimiento vegetal corresponden a:
auxinas, giberelinas y citoquininas (Schoebitz, M. 2006).
11
IV.
Resultados y discusión
4.1.
Efectos de Azospirillum brasilense en cultivos
4.1.1. Colonización de las raíces
Se da gracias a que Azospirillum posee un flagelo polar
que lo utiliza para desplazarse en medios líquidos, mediante
el cual migra hacia las raíces y se adhiere a la superficie
radicular. Bajo condiciones de medios sólidos se induce la
expresión de múltiples flagelos laterales. Son estas
estructuras laterales las que permiten a la bacteria adherirse
a las raíces. Sin embargo, el éxito colonizador de
Azospirillum reside en el proceso indispensable llamado
“quimiotaxis”. Un evento que da lugar a una fuerte atracción
entre las bacterias con las raíces de las plantas a través de
sus propios exudados radiculares. Entre los compuestos
que se ven involucrados están el malato, succinato y
fructosa (Schoebitz, M. 2006).
4.1.2. Asociación bacteria-planta
Los
lugares
de
colonización
de
Azospirillum
corresponden a las áreas de elongación celular en la zona
radical y las bases de los pelos radiculares. Los compuestos
responsables de la asociación efectiva entre planta-bacteria
son las proteínas y polisacáridos de la membrana exterior
de Azospirillum (Schoebitz, M. 2006).
4.1.3. Mecanismos promotores del crecimiento vegetal
Está relacionado con la fijación biológica del nitrógeno, el
cual promueve el crecimiento de cereales y pastos
forrajeros. Asimismo, se atribuye a la liberación de
fitohormonas, responsable del mejor crecimiento de maíz y
de la parte aérea de las plantas. Siendo el mecanismo más
estudiado la producción de auxinas, especialmente el ácido
indol acético (AIA). Mismo que es producido por las
12
bacterias logrando un aumento en el contenido de
fitohormonas de las plantas, generando la estimulación del
crecimiento (Schoebitz, M. 2006).
En cuanto a la síntesis del AIA, esta dado por las
bacterias PGPR. La importancia de esta auxina se
concentra en la contribución del “pool” endógeno de
hormonas de la planta, imitando el efecto de la aplicación
de AIA exógeno. Es así como, el AIA bacteriano estimularía
el desarrollo del sistema radical y el crecimiento general de
la planta huésped. Cabe mencionar identificaremos
bacterias altamente productoras de auxinas cuando
promuevan la formación de raíces laterales o el desarrollo
de pelos absorbentes (Schoebitz, M. 2006).
4.1.4. Efectos de inoculación con Plant Growth Promoting
Rhizobacteria (PGPR)
En la inoculación a pastos y cereales forrajeros se han
obtenido efectos positivos, tales como: aumento en
rendimiento de granos y contenido de materia seca.
En cuanto, a los efectos de inoculación en campo son
positivos, cuando existen niveles intermedios de fertilización
NPK, indicando que la inoculación de bacterias promotoras
de crecimiento vegetal no reemplaza la fertilización artificial.
No obstante, mejora su utilización, incrementando los
niveles de productividad con un menor gasto de fertilizante.
La inoculación con A. brasilense en gramíneas en
condiciones de campo provocó el incremento en la altura de
las plantas y aumento en el rendimiento de grano y paja.
Mientras que, en gramíneas se identificaron aumentos en
elongación, superficie radicular y peso seco de raíz
(Schoebitz, M. 2006).
13
V.
Conclusiones
La inoculación con A.brasilense modifica el flujo interno de N en
las plantas jóvenes . Sin embargo, si bien la inoculación con esta
cepa aumenta la tasa de exportación de aminoácidos de manera
independiente a la disponibilidad de N en el suelo, modifica el
contenido de proteínas en los diferentes tejidos según el estatus
de N.
El Azospirillum posee un flagelo polar que lo utiliza para
desplazarse en medios líquidos, mediante el cual migra hacia las
raíces y se adhiere a la superficie radicular residiendo en una
“quimiotaxis”.
Los compuestos responsables de la asociación efectiva entre
planta-bacteria son las proteínas y polisacáridos de la membrana
exterior de Azospirillum.
Azospirillum brasilense al ser una bacteria cosmopolita le otorga el
beneficio de competir a nivel de la rizosfera frente a otros
microorganismos.
A. brasilense se caracteriza como Rizobacterias promotoras del
crecimiento vegetal (PGPR), fijadores biológicos de nitrógeno
(FBN), además por su producción de fitohormonas y su capacidad
para adherirse a cualquier sistema de raíces
14
VI.
Referencias bibliográficas
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promotor del crecimiento vegetal de cepas de Azospirillum sp. En
el cultivo de arroz. Revista de cultivos tropicales de INCA, 28(3),
pp. 29-32.
Ciolfi, F., Contino, J., y criado, M. (2017). Impacto de la inoculación con
Azospirillum brasilense sobre el flujo interno de N y C en plantas
jóvenes de cebada. Revista de Agrotecnia.
Martos, P. (2012). Estudio sobre la influencia de la inoculación de las
rizobacterias Azospirillum bransilense y Pseudomonas fluorescens
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ocimum basilicum var. mínimum, petroselinum sativum var. lisa y
salvia officinalis (Tesis de pregrado). Universidad Politecnica de
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Parra, Y., y Cuevas, F. (2001). Potencialidades de azospirillum como
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Rangel, José., Ramírez, R., Cervantes, F., Mendoza, M., García, E., y
Rivera, G. (2014). Biofertilización de Azospirillum spp. y
rendimiento de grano de maíz, sorgo y trigo. Revista de la Facultad
de Ciencias Agrarias, 46(2), pp. 231-238 Universidad Nacional de
Cuyo Mendoza, Argentina
15
Saavedra, D., Martínez, H., Rosero, C., Cuenca, G., Fernández, R., y
Moreira, A. (2017). Rizobacterias que promueven el desarrollo e
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Tecnología, 10(1), 7-15
Schoebitz, M. (2006). Aislamiento y caracterización de bacterias
promotoras de crecimiento vegetal de la rizósfera de Lolium
perenne L. de suelo volcánico (modelo género Azospirillum spp)
(Tesis de pregrado). Universidad Austral de Chile, Chile.
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