Interacciones microbianas en la agricultura

1. Resumen
3. Ecología de la interacciones microbianas en el suelo
4. El impacto de la contaminación ambiental en las interacciones microbianas
5. Conclusión
6. Referencias.

Resumen

En la naturaleza existe un número indeterminado de asociaciones entre poblaciones microbianas así como individuos, éstas son reguladas por factores del ambiente: físicos y químicos, en el suelo, en las raíces de las plantas, en los tallos y sus hojas las relaciones interespecies microbianas determinan cual es la comunidad dominante, las reprimidas o inhibidas e incluso aquellas que coexisten sin afectar positiva o negativamente otras poblaciones microbianas. La dinámica de las interacciones entre especies de microorganismos con las plantas es más compleja, aquí como en el suelo tienden al equilibrio e influyen en la productividad agrícola, el objetivo de esta revisión es analizar este tipo de asociaciones y su impacto sobre la producción agrícola.

Palabras clave: neutralismo, simbiosis, competencia, parasitismo.

1. Introducción

En el suelo o edosfera, existen un número inespecífico de comunidades de microorganismos, que viven en estrecho contacto que se relacionan de manera diversa, en evidente contraste con lo que se observa en medio de cultivo artificial del laboratorio de microbiología (1,3,5).

Los miembros de la microbiota dependen unos de otros para utilizar compuestos inorgánicos y/o orgánicos en su supervivencia, y si el ambiente lo permite (4), el posterior crecimiento(2), al mismo tiempo durante la búsqueda de alimento base de su supervivencia, existen los que ejercen influencia negativa sobre otros (6), en especial cuando la biota autóctona, en contacto con la alógena o invasora ingresa al suelo (1,4) cambia continuamente con las practicas agrícolas culturales: como el enriquecimiento con estiércol animal, aplicación intensiva y extensiva de fertilizantes, pesticidas para controlar malezas, insectos, hongos y bacterias fitopatógenas (8,10,12).

En suelos vírgenes la ausencia del disturbio humano permite una diversidad de comunidades microbianas en delicado equilibrio (7,9,13), son activas o latentes con base a las propiedades físicas y químicas de ese sitio, en especial si existen plantas (1,14), en función de la concentración de materia orgánica vegetal de fácil mineralización, del tipo de compuestos nitrogenados, de la disponibilidad de minerales limitantes su crecimiento (4,15): fosfatos, hierro, azufre y otros elementos que son de base del desarrollo de las poblaciones microbianas, que afectan el patrón de absorción nutricional radical, de plantas, las que a la vez seleccionan la microbiota que domina ese ambiente (5,16).

Las actividades biogeoquímicas de las poblaciones microbianas en el suelo y en la rizosfera causan cambios continuos del pH, con alteraciones en su densidad, y variabilidad en un momento específico del año. Estos hechos son evidentes en suelos vírgenes que se utilizan en agricultura, en lo cuales al eliminar la vegetación nativa, con la maquinaria agrícola, las dosis crecientes de fertilizantes químicos, el sistema de riego y en especial el cultivo vegetal sembrado (13,17,19), provocan drásticas modificaciones en la dinámica de las poblaciones microbianas originales, tales alteraciones dan lugar a que ciertos grupos proliferen, algunas deletreas para el suelo como las desnitrificantes, o fitopatogenas, en consecuencia surgen problemas de: fertilidad, sanidad vegetal, contaminación de acuíferos, y el suelo reduce su productividad (18,20,22).

En el esquema del manejo sostenible en agricultura, se intenta minimizar el impacto negativo del sistema de producción agrícola sobre la fertilidad del suelo, a pesar de su explotación (6,9,21).

2. Ecología de las interacciones microbianas en el suelo

En el suelo existen relaciones entre comunidades o especies: en el neutralismo los microorganismos son independientes; en simbiosis los asociados dependen uno del otro para un beneficio común; en la protocooperación los microorganismos establecen un beneficio mutuo pero sin dependencia vital, ello sucede durante la mineralización de la materia orgánica vegetal; en el degradación selectiva uno de los microorganismos se beneficia, pero el otro no es afectado, ni favorecido de ninguna forma; en la competencia uno de los dos es inhibido eliminado o suprimido, durante la lucha por los nutrientes y espacio, el nivel de concentración de éstos en el suelo son factores limitantes de la actividad microbiana (4,6); en el amensalismo uno de los asociados se inhibe por la síntesis de un antibiótico o toxina, el responsable no sufre efecto negativo; en el parasitismo uno asociado depende de manera parcial o total para su reproducción del otro; en la predación uno asociado es el alimento y el otro lo consume (45,49). Independiente de cual asociación sea dominante influye en los procesos de degradación de materia orgánica en el suelo, en la proliferación de fitopatogenos, en el establecimiento de una biota que estimule el desarrollo radical y en consecuencia influya favorablemente en la producción vegetal (3,7,18,21).

Los factores químicos y físicos afectan las interacciones microbianas, para que haya un equilibrio entre los asociados, aún en las negativas, en términos de la producción de un cultivo agrícola específico, el resultado puede ser: plantas enfermas con pérdidas económicas o sanas con ganancia para el agricultor (10,26).

A. Relaciones benéficas o positivas

En el suelo, la rizósfera, el rizoplano, el tallo y las hojas es posible observar interacciones positivas cuando se colonizan por los microorganismos del tipo: simbiosis y protocooperación (18,48).

La protocoperación es una asociación benéfica que involucra a dos especies, una que degrada un compuesto orgánico no aprovechable por la segundo, la actividad de degradación de la primera que genera productos asimilables para la segunda; ésta es común en el suelo después de la adición de abonos verdes o animales.

Los polisacáridos del abono verde se transforman en nutrientes que sustentan microorganismos no especializados; así los hongos celulolíticos liberan de la celulosa: ácidos orgánicos que sirven como fuente de carbono para bacterias y otros hongos no celulolíticos (19,50). Un segundo tipo de asociación es el sinergismo los microorganismos que dependen de factores de crecimiento (1,18), compuestos que sintetizan por otros, para la proliferación de aquellos que son exigentes que no crece en ausencia de aminoácidos, vitaminas B, de purinas o pirimidinas (7).

El sinergismo es evidente entre microorganismos sensibles al ácido en suelo, en vecindad inmediata con los que disminuyen el pH (25,27), según lo reporta la investigación sobre la descomposición de componentes de la materia orgánica y de pesticidas en cultivos mixtos por complementación de su metabolismo con microorganismos en estado axenico (28,30). El sinergismo existe cuando uno de los asociados se beneficia, para otro se multiplique (5,30).

La protocooperación también implica microorganismos que favorecen a sus asociados al eliminar compuestos tóxicos, usados como fuente carbono liberados por uno de los asociados (6,24).

Esta interacción es común, en hábitats del suelo y raíces vegetales e influyen en su productividad en forma del sistema agrícola que se maneja.

La protocooperación nutricional es común en medio de cultivo artificial, sin ácido nicotínico y biotina, donde ni Proteus vulgaris, ó Paenibacillus se multiplican (2,26), se reportan interacciones nutritivas entre bacterias y hongos para vitaminas, aminoácidos y purinas (10,21), la protocooperación influye positivamente en el rendimiento de un cultivo agrícola pues existen microorganismos que producen fitohormonas para estimular el sano crecimiento de las plantas.

La existencia en el suelo de raíces vegetales que contiene especies bacterianas con necesidades nutricionales (7,32), limitados por la concentración de los carbonados e inorgánicos (8,33). Estos microorganismos son fundamentales en el desarrollo radical sano, liberados por una microbiota que crece al mineralizar residuos vegetales (9,34), cuando se incorporan abonos verdes y animales. Las interacciones microbianas positivas dependientes de factores de crecimiento son clave en raíces vegetales para la nutrición mineral de plantas sanas (11,30).

En las asociaciones simbióticas del tipo Rhizobium-leguminosa o raíces-hongos en las micorrizas son fundamentales en la producción sustentable basada en una racionalización de fertilizante nitrogenado y fosforado que mantenga un rendimiento rentable sin contaminar acuíferos ni aumentar el costo de producción (35,37).

Las bacterias que se asocian positivamente con protozoarios, se benefician al recibir nutrientes y protección, para los ciliados las bacterias son esenciales en su multiplicación, a su vez éstos favorecen la degradación de abonos orgánicos y animales en pro de un suelo fértil, necesario para una adecuada producción agrícola (10,20).

El beneficio mutuo de leguminosas y rizobios es por el nitrógeno proporcionado a las plantas vía bacteria al fijar N2, mientras el carbono transferido a Rhizobium por su hospedero mediante la fotosíntesis del CO2, las micorrizas, asociación hongo-raíz, el hongo recibe nutrientes esenciales para multiplicarse con las raíces del hospedero, cuando en el suelo existe una deficiencia de fosfatos solubles suficientes para que la planta aumente su tasa de absorción de fósforo, nitrógeno y otros minerales, esta relación es crítica para la producción vegetal en suelo alcalino. Otro ejemplo son los insectos que maceran hojas, flores y otros residuos vegetales e inoculan un hongo para degradar losdeshechos de plantas, hecho que favorece el composteo de abonos para la recuperación de suelos nutricionalmente pobres y de mínima productividad agrícola (6,13,23).

B. Asociaciones ecológicas neutras

El suelo, la rizósfera de plantas y sus hojas constituyen un ambiente para la microbiota: bacterias, actinomicetos, hongos, levaduras, protozoarios y nematodos. La interacción neutra o soprofismo se observa en la degradación de los residuos vegetales que consiste en que los microorganismos que viven en alguna parte de la planta mineralicen las sustancias de deshecho para que a su vez la planta absorba los nutrientes inorgánicos (22).

En general las bacterias heterotróficas al igual que los hongos y protozoarios son fundamentales para que los componentes vegetales: celulosa, hemicelulosas, pectina, almidón y otras sustancias de fácil mineralización, en consecuencia liberen el CO2 y ácidos orgánicos que solubilizan minerales como los fosfatos, contribuyen a la salud de la planta (6,27). Este proceso de mineralización es clave para que en el suelo existan los minerales disponibles, que los vegetales requieren para un desarrollo sano y un rendimiento rentable (1,4).

Generalmente la actividad de la microbiota heterotrófica se considera un factor limitante de la fertilidad de un suelo, la liberación de los nutrientes inorgánicos que se reciclan para que el suelo mantenga su productividad (3,8,36), en especial cuando se restringe o regula la aplicación de fertilizantes químicos con base en los tipos de nitrógeno inorgánico e orgánico, en los fosfatos (2,13,33) y otros microelementos. (1,11,40). Bajo estas circunstancias los saprobios ayudan a la mineralización de la materia orgánica en el suelo a favor de las plantas (22).

El comensalismo es equivalente al inquilinismo cuando los asociados viven físicamente en el mismo sitio, sin daño o de beneficio, como los géneros bacterianos: Pseudomanas spp, Bacillus, Arthrobacter, los actinomicetos del tipo Streptomyces, Micronomospora, al igual que hongos: Penicillium, Aspergillus, Cheatomium y otros que reciclan la materia orgánica a minerales que las plantas necesitan para crecer y que a la vez conservan la fertilidad del suelo (4,12,20).

Generalmente las interacciones neutras son dependientes del ambiente más químico que físico, es decir, del nivel de nutrientes limitantes del crecimiento vegetal y microbiano como: el nitrógeno, el fósforo, el oxigeno, el hierro y otros microelementos, que determinan la clase de relación entre los asociados, es posible que una planta en estrés nutricional de nitrógeno, sea más susceptible al ataque de Erwinia carotovora, no tanto por la patogenía de la bacteria, sino más bien por su condición fisiológica (3), esta reportado que una planta sana es resistente a la actividad de los fitopatógenos, lo que significa que el inquilinismo se convierte en negativa, lo que deriva en la enfermedad del vegetal (49,58), esta situación puede darse e incluso en la relación Rhizobium-leguminosas, dependiente de la concentración de nitrógeno en el suelo, si éste es suficiente ambos podrán vivir como inquilinos sin afectarse ni beneficiarse (5), mientras que al disminuir la concentración del N demandado por la planta, se establece una competencia entre ambos y la asociación se transforma en negativa (9), en la cual, el más apto obtendrá más nitrógeno para su crecimiento y el otro dejará de crecer; finalmente cuando el nivel del elemento limitante, pone en riesgo la supervivencia de la planta, se da un cambio en sus exudados radicales, para que la bacteria sea atraída, infecte sus raíces, forme los nódulos y fije nitrógeno del aire, a cambio de azúcares y espacio.

Así la interacción será positiva, en este caso la simbiosis Rhizobium-leguminosa, como las micorrizas apoya una producción agrícola, al regular la dosis de los fertilizantes químicos en beneficio de la fertilidad del suelo (2,7,15).

C. Interacciones negativas

Los microorganismos inoculados en suelos estériles se multiplican rápido, sin embargo, como en el caso de Rhizobium ello provoca su eliminación en semanas, o menos tiempo, en consecuencia la leguminosa no responde a la inoculación sin lograr el rendimiento esperado, así es necesario seleccionar un Rhizobium nativo y específico para la leguminosa, en el suelo elegido, para un pronostico favorable en términos de rendimiento, ahorro de fertilizante y productividad rentable (20,39).

Las interacciones negativas como la que enfrenta Rhizobium se resumen en términos de: competencia, amensalismo, parasitismo y predación, con base a: a) la competencia por nutrientes limitantes de crecimiento como el nitrógeno; b) liberación de tóxicos en contra del asociado como los antibióticos que matan Rhizobium, c) el canibalismo de un microorganismo sobre otro, como Bdellovibrio ataca y consume las células de Rhizobium d) por la actividad microbiana quimiolitotrofica de liberación de ácidos nítrico y sulfúrico que matan bacterias sensibles al pH ácido como Rhizobium; f) por bacterias que causan la lisis de Rhizobium como sucede con los bacteriófagos o rhizobiofagos, aunque existe para lizar cualquier otro género de bacterias benéficas de plantas (3,15,20).

1c. Amensalismo

Cuando una suspensión de suelo se siembra en agar nutritivo, bacterias, actinomicetos y hongos generan una o más colonias, que producen una zona clara sin crecimiento, o halo de inhibición, evidencia de que esa colonia produce un antibiótico, que evita el desarrollo de otros en baja concentración (15,40).

Los habitantes del suelo que liberan antibióticos son: actinomicetos, bacterias y hongos; el primer grupo es el más activo, como ejemplo la síntesis de: estreptomicina, cloramfenicol, cicloheximida y clorotetraciclina, esta capacidad de liberar estos antimicrobianos escomún en los géneros: Streptomyces, Nocardia y Micromonospora, y en las especies de Bacillus y de Pseudomonas que liberan piocianina; en los hongos, Penicillium, Trichoderma, Aspergillus, Fusarium.tambien producen antibióticos efectivos para inhibir otros hongos, bacterias y actinomicetos (15,42).

Una alta proporción de microorganismos heterotroficos del suelo generan antibióticos en medio de cultivo artificial, la mayoría de esas antimicrobianos. los sintetizan saprobios del suelo (12,41), este fenómeno natural supone que estos productos tienen beneficio para las células que lo hacen como ventaja de competencia natural como sucede con Rhizobium en leguminosas (18,43,45). Aunque no existe evidencia de que esa capacidad favorece su supervivencia.

La capacidad de una especie microbiana para colonizar un sitio microscópico depende de la supresión de sus vecinos mediante la síntesis de antibióticos como se reporta sucede con Rhizobium, Azotobacter, Azospirillum y Burkholderia; además existen en el suelo la fungistasis, que inhibe, pero no mata hongos, pero si sus conidias, hifas, esclerotes y ascosporas, el grado de inhibición de los hongos varía según el tipo de suelo, el número, la identidad de los compuestos es desconocido, (27,48).

Los principios fungistáticos son microbianas, fitopatógneos, moléculas termolábiles. El suelo contiene factores perjudiciales para algunos grupos microbianos sean o no patógenos para plantas y/o animales, así extractos del suelo poseen sustancias que evitan la multiplicación bacteriana, evidencia sugiere que se generan en las raíces de plantas, en suelo con alto contenido en materia orgánica, etc. (9,43), como la paja enterrada que colonizada con Cephalosporium gramineum que le causa una enfermedad del trigo de invierno contiene un antibiótico que sintetiza en medio de cultivo (7,23,48).

Hongos en simbiosis micorrícica con plantas sintetizan un inhibidor en medio de cultivo; lo que explica la conocida protección de la micorriza contra la infección radicular de hongos fitopatógenos (49). Se reporta que sustancias que se sintetizan en el suelo controlan la actividad de mineralización de poblaciones microbianas heterotróficas nativas (8,19), ese es el caso del CO2, el NH3, el nitrito, el etileno, y compuestos de azufre; en el campo el amoniaco es un inhibidor de Nitrobacter, el NH3 proviene de la descomposición de residuos vegetales ricos en nitrógeno, lo que suprime hongos, en la fase gaseosa eleva el pH, el nitrito que se acumula fungicida, así como el NH3 anhidro, los fertilizantes a base de amonio (10,47,50).

2c. Parasitismo y predación

La predación es una de la interrelación microbiana común en el suelo, la rizósfera, el rizoplano y las hojas de las plantas y que se usa en el control biológico de plagas y enfermedades agrícolas (33,55), de los habitantes del suelo, las bacterias son susceptibles al ataque de predadores; como los protozoario que afectan negativamente sus poblaciones al consumir millones (25,37,54), lo cual se observa cuando se inoculan bacterias promotoras de crecimiento vegetal como: Azospirillum, Derxia, Burkholderia, Azotobacter. Los protozoarios limitan la densidad de ese tipo de poblaciones bacterianas, reduce su abundancia lo que causa que se inhiba su efecto positivo sobre el cultivo vegetal (29,31,57).

Al evitar el establecimiento de ciertas bacterias en el suelo, falla la inoculación de Rhizobium en leguminosas, y la optimización de la fertilización nitrogenada, que asegure un rendimiento rentable, sin la sobreerxplotación del suelo, por eso es necesaria una selección de Rhizobium para superar el problema de la predación de los protozoarios al inocular las leguminosa (18,29,36).

Por otro lado las mixobacterias y los hongos afectan a la población bacteriana benéfica del suelo como las promotoras de crecimiento vegetal al depredarlas, ambos son actualmente recomendadas para inocularse en semillas de plantas de valor básico y comercial en suelos agrícolas (11,45,57).

Los hongos mucilaginosos consumen ese tipo de bacterias, las mixobacterias son el mayor depredador de cómo Azospirillum, aunque algunas como Burkholderia son resistentes a la predación (8,13,23). Las mixobacterias no sólo se alimentan de bacterias, también de algas, hongos y levaduras; existen grupos microbianos que tiene parásitos que viven sobre o dentro de sus células, como los bacteriófagos, distribuidos en el suelo y la rizósfera de plantas (16,24,33). Mientras Bdellovibrio ataca otros géneros bacterianos (7,18), su necesidad de grandes densidades de bacterias para su multiplicación, que Bdellovibrio afecta la actividad de las bacterias benéficas de raíces como: Rhizobium, Azotobacter, Burkholderia (53,56,58).

Mientras los hongos microbianos son susceptibles al parasitismo; sus hifas, conidias, clamidosporas, osporas, zoosporas, esclerotes y otras estructuras de latencia son atacados (14,26,39); hongos de parásitos: Gliocladium, Penicillium, Rhizoctonia y Trichoderma.

El parasitismo que causa lisis existe distribuido en suelo y plantas, involucra: a) la degradación de paredes celulares de hongos susceptibles, o heterolisis; b) por destrucción de hifas autolisis (14,33,58); la heterolisis enzimática involucra la despolimerizanción de la pared del microorganismo susceptible: a) la celulosa, por una β-(1à 3)-glucanasa, la quitina por una quitinasa que destruye paredes de hongos (36,46,55). Durante la descomposición de abonos verde y animal los hongos liberan quitinasa, celulasa, proteasa; las endosporas de Bacillus de Clostridium, al igual que hifas y sus estructuras de latencia, también las de los actinomicetos; por lo que durante este proceso fitopatógenos desaparecen de esa forma de fertilidad del suelo se conserva sin afectar su capacidad productiva (39,59).

3. El impacto de la contaminación ambiental sobre las interacciones microbianas

Actualmente esta ampliamente documentado el impacto negativo del hombre sobre los procesos naturales de descomposición de materia orgánica y de su inmovilización para que los ciclos biogeoquímicos faciliten la productividad agrícola.

Desde el inicio de la agricultura esta actividad fue considerada contaminante por sus efectos sobre la estructura del suelo, con la introducción del monocultivo vegetal, al igual que el uso intensivo y extensivo de fertilizantes químicos y pesticidas para el control de plagas y enfermedades, y por el empleo de maquinaria agrícola con sus insumos, que tuvieron y tienen un drástico impacto sobre las diversas interacciones microbianas, que influyen directa y drásticamente sobre los procesos de descomposición de materia orgánica que aumenta o reduce la productividad de un suelo al cambiar las concentraciones de los macroelementos limitantes de su crecimiento, además de la aplicación de pesticidas de amplio espectro, que reducen la densidad y diversidad de las poblaciones microbianas, que favorecen la dominancia de los que causan problemas de sanidad vegetal, al eliminar las poblaciones nativas antagonistas de los fitopatógenos (37,50), así como de aquellas benéficas.

En consecuencia suelos originalmente productivos se transforman en pobres y contaminados por su perdida de diversidad biológica y de minerales que faciliten la producción agrícola (35,40). La agricultura sustentable es un intento por retornar a practicas culturales que causen el mínimo impacto negativo sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas de los suelos, para una producción agrícola basada en la conservación del suelo, que evite su sobreexplotación: mediante la labranza cero, optimización en el uso y manejo del agua, por la restricción estricta en la aplicación de fertilizantes químicos, con una tendencia a su disminución o sustitución con abonos verdes, animales o composta (10).

Estas estrategias favorecen la conservación del suelo y el mantenimiento de la diversidad biológica en la que las interacciones microbianas en equilibrio, aseguren la dinámica de los ciclos y que la contaminación ambiental de cualquier tipo sea mínima (10,59). Si el manejo de la producción agrícola no da un drástico giro el problema futuro de alimentar a la humanidad será crítico, pues el suelo y agua manejados como hasta hoy, están en riesgo de desaparecer, es por ello que la política para el campo y ley intentan que la producción vegetal se modifique hacia un esquema de conservación recursos naturales (35,45).

4. Conclusión

Las interacciones microbianas en el suelo son ejemplos de la diversidad biológica en el suelo y relación con las plantas.

La transformación de materia orgánica a minerales depende de una actividad con bioquímica única, que al supervivir y reproducirse realiza el cambio de compuestos complejos en sencillos; permite superiores a las plantas, absorber nutrientes que de manera independiente no podrían. Cuando los vegetales obtienen los nutrientes que demandan su crecimiento, a su vez favorecen la actividad microbiana, que recicla los residuos de plantas y animales para dar lugar al ciclo de los elementos esenciales para la fertilidad suelo.

La contaminación ambiental causada por el hombre por pesticidas, productos químicos de la industria, así como las excesivas dosis de fertilización, inhiben la actividad de microorganismos a favor de la productividad agrícola, porque más que ayudar, provocan un desequilibrio ecológico, es necesario un manejo sustentable del suelo y el agua para la conservación de los recursos naturales como de la fertilidad del suelo en benéfico del hombre

Agradecimientos

Al proyecto 2.7 de la Coordinación de la Investigación Científica de la UMSNH (2005-2006), por su apoyo económico. A Jeanneth Caicedo Rengifo por su trabajo secretarial y en la revisión de la redacción.

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Juan Manuel Sánchez-Yáñez

Laboratorio de Microbiología Ambiental.

Instituto de Investigaciones Químico Biológicas

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

Morelia, Mich. México