Respuesta de maíz (zea mays l) a la inoculación con rizobacterias de teocintle (zea mays sp mexicana l)
Enviado por syanez
El maíz es un cereal de consumo mundial, cultivado bajo el sistema de producción intensivo, que causa pérdida de fertilidad del suelo, contaminación de agua superficial y acuíferos, por el exceso de fertilizante nitrogenado (FN) aplicado y no absorbido por el maíz. Una alternativa para minimizar este problema, son las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (RPCV) del teocintle. Gramínea adaptada a un ambiente natural adverso, similar al que tiene el maíz cuando se cultiva en una condición de deficiencia nutricional nitrogenada.
Se supone que las RPCV del teocintle, transforman algunos exudados de la raíz del maíz, en sustancias promotoras de crecimiento vegetal (SPCV), para aumentar su absorción radical del FN. Los objetivos de este trabajo fueron: i) seleccionar las mejores RPCV del teocintle benéficas para maíz en invernadero, ii) determinar la respuesta del maíz a la inoculación con las RPCV del teocintle en el campo. Para ello se seleccionaron las RPCV del teocintle en invernadero, con las variables-respuesta: peso seco y altura de la planta.
De este experimento se escogieron las mejores RPCV del teocintle para determinar la respuesta del maíz a la inoculación en el campo, con el rendimiento como única variable-respuesta. Los resultados indican que la inoculación con una de las RPCV del teocintle, identificada como Burkholderia sp14, incrementó el peso seco del maíz en un 30%. Al igual que la RPCV del teocintle Klebsiella oxitogena y en menor por ciento una cepa de Burkholderia cepacia, usada como referencia. El efecto de los aislados del teocintle Burkholderia sp B9 y B5 sobre el maíz, fue similar al peso y altura del maíz fertilizado sólo con la dosis de urea recomendada en el campo. Se concluye parcialmente que teocintle es una fuente potencial de RPCV para el maíz.
Palabras clave: bacterias promotoras de crecimiento, gramínea silvestre, fertilizante nitrogenado.
ABSTRACT
Maize is cereal most consumed in Mexico, cropping by intensive production system with high nitrogen fertilizer dose which cause ground-water and surface pollution, an alternative to solve this problem are plant promoting growth rhizobacteria (PPGR) from teocintle wild gramine adapted to natural difficult condition like maize face when has not the nutritional balance to supply its demand, even though inoculation with PPGR from domestic gramines it believe that RPCV from teocintle transform root exudates of maize into growth promoting vegetal sustances (SPCV) to increase maize roots absrotion of NF. The aims of this work were i) to select the best RPCV from teoncitle to maize in greenhouse ii) to determine the maize´s respond to inoculation with RPCV from teocintle on field condition.
It were selected RPCV from teocintle in grrenhouse condition with variable-respond: dry weingt anda plant height. It were choosen RPCV from teocintle to determine the maize respond to inoculation in field step. Results indicate that inocularion with a RPCV fron teocinte identify as Burkholderia sp14, increase the dry weight at 30% as well as Klebsiella oxitogena and in less porcent B. cepacia and Burkholderia sp B9 and B5 to compare with maiz fertilized only with high level of urea in field trial it is conclued that teocintle is a source for potencial RPCV to maize.
Key word: promoting growth bacteria, wild gramine, nitrogen fertilizer.
La creciente demanda de maíz en México favorece, un sistema de producción intensivo; por lo que aplica altas dosis de fertilizantes nitrogenados (FN), cuyo excedente causa la degradación del suelo y la contaminación de aguas superficiales y subterraneas (Ferrera-Cerrato y Pérez-Moreno, 1995; Cárdenas-Navarro et al., 2004). Una alternativa para regular y disminuir la aplicación del FN en el maíz, es la inoculación de las semillas de maíz con rizobacterias promotoras de crecimiento vegetal RPCV, en combinación con una reducción y partición de la dosis del FN (Sánchez-Yáñez et al., 1998).
Las RPCV se asocian a las raíces de la gramínea, debido a la presencia de compuestos orgánicos producto de los exudados radicales (ER), como: carbohidratos, ácidos orgánicos y factores de crecimiento microbiano (Omay et al., 1993; Chelius y Triplett, 2000) atractivos para estas bacterias (Bashan, 1996; 1998), por la naturaleza química de los ER. las RPCV, los utilizan como fuente de energía y los transforman en sustancias promotoras de crecimiento vegetal o SPCV (Jacoud et al., 1999).
Por otra parte, las RPCV tienen capacidad potencial para solubilizar minerales como los fosfatos esenciales para el crecimiento vegetal, (Pandey et al. 1998) pero que no están disponibles en suelos con variaciones frecuentes y extremas del pH (Dashti et al., 1998).
En general, existe un amplio grupo de RPCV, que se utiliza para inocular maíz: bacterias Gram Positivas: Bacillus subtilis y Paenibacillus polymixa (Gutiérrez-Manero et al., 2001), bacterias Gram Negativas: Pseudomonas putida (Kurek y Jaroszuk, 2003; Valdivia et al., 1999) y Burkholderia cepacia (Riggs et al., 2001).
Así como Azospirillum lipoferum y su especie A. brasilense (Bashan, 1998). Estas RPCV estimulan el crecimiento del maíz e incrementan el peso seca hasta en un 30% más que en el maíz sin inocular y tratado sólo con urea (García et al., 1995). Las especies de Azospirillum son una alternativa para reducir la aplicación de FN sin afecto negativo en el rendimiento del maíz. (Caballero et al., 1999), aunque tanto A. lipoferum como, A. brasilense, son específicos para ciertas variedades del maíz (Reis et al., 2000). Sin embargo, las raíces del maíz pueden ser colonizadas por rizobacterias nativas del suelo, que desplazan con relativa facilidad a A. lipoferum y/o A. brasilense, pero que no tienen el efecto benéfico en el crecimiento y rendimiento del maíz (Fulcheri y Frioni, 1994; Pandey et al., 1998).
Una planta nativa de México que tiene una estrecha relación con la genética del maíz a la que se asocian RPCV, es el teocintle o Zea mays sp mexicana (Calderón-Becerra et al., 2000; Eubanks, 2001; Galinat, 2001) de tal manera que estas rizobacterias pueden ser tan competitivas y adaptables a los exudados de las raíces del maíz, (Elbeltagy et al., 2000). El teocintle, enfrenta ambientes no propicios para su crecimiento: stress nutricional e hídrico.
Esta gramínea silvestre, es tolerante a la actividad de microorganismos fitopatógenos, de ahí el éxito del teocintle para vivir sin protección humana y crecer sanamente en esos ambientes. Es probable que el rendimiento del maíz no disminuya al utilizar RPCV de teocintle para inocular a sus semillas. Con base en lo anterior los objetivos de éste trabajo fueron: i) seleccionar las mejores RPCV del teocintle benéficas para el maíz en el invernadero, ii) determinar la respuesta del maíz a la inoculación con las RPCV del teocintle en el campo, a dosis reducida de urea.
1. Origen de las rizobacterias del teocintle.
Las RPCV utilizadas en este trabajo, son los géneros: Burkholderia spp y Klebsiella oxitogena estas bacterias se aislaron de la rizósfera del teocintle (Zea mays sp mexicana L) (Manual de Bergey, 2002). Ambos aislados en la actualidad forman parte de la colección del laboratorio de Microbiología Ambiental (Calderón-Becerra et al., 2000), del IIQB de la UMSNH, Morelia, Mich.
El efecto de la inoculación con rizobacterias del teocintle en maíz, se comparó contra una cepa de Burkholderia cepacia ATTC 25416, donada por el Dr. J. Balandreau de la Universidad Claude Bernard, Lyon, Francia. B. La especie cepacia es comúnmente reconocida como una RPCV para el maíz, en el control biológico de fitopatógenos de raíces de está gramínea (Balandreau et al., 2000; Bevivino et al., 2000; Kurek y Jaroszuk, 2003).
2. Inoculación del maíz en invernadero con las RPCV del teocintle.
Las semillas del maíz se inocularon con una densidad de inoculo de 30×104 UFC/ml de cada RPCV del teocintle y se sembraron tres semillas en una maceta con arena esterilizada (180oC/1h/3 días. Después de la germinación se dejaron dos plantas de maíz por maceta. La superficie de las macetas se cubrió con aserrín estéril y se irrigó tres veces por semana.
El maíz se mantuvo en invernadero por 40 días. El maíz se irrigo tres veces por semana con una solución mineral Thorton, con la siguiente composición química en g/L: K2 HPO4 0.2 g, MgSO4 7.H2O 0.2, Nac. 0.1, FeSO4 0.01 (NH)4 SO4 10, CuSO4 1 ml 1M, ZnCl2 0.22ml, NaMoO4 1ml: Con el 50% de la dosis del nitrógeno recomendado para el maíz en la región (140 kg de N como urea). El cultivo se mantuvo en invernadero por 40 días.
3. Inoculación del maíz en campo.
El área experimental se ubicó en las instalaciones de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia "La Posta" de la UMSNH, en el municipio de Tarímbaro, Mich. México. El tipo de suelo fue un vertisol- pélico con materia orgánica 1.5% (pobre); nitrógeno orgánico 39.0 kg/ha (pobre), pH 6.5 ligeramente ácido. Este lugar se ubica en las coordenadas: 19º 46’ latitud norte y 101º 8’ longitud oeste, a 1860 msnm, a 5 km al noroeste de la ciudad de Morelia, Mich, México.
Las semillas del maíz previamente humedecidas con una solución sacarosa al 10% (P/V) se trataron con un inoculante, que se preparó con un soporte tipo turba, en donde con cada una de las RPCV del teocintle, se mezcló a una densidad de 3×106 UFC de cada RPCV/ ml (Luna y Sánchez-Yáñez 1991). Estás semillas sembraron en campo a una profundidad de 30 cm, en un terreno de una superficie de 800 m2. Éste se preparó con tractor de la forma acostumbrada para el cultivo del maíz: rastra, surcado y bordeo.
Se diseñaron parcelas experimentales de 5×4 m con una superficie total de 20 m2, y una separación de 1 m entre parcela. Cada una con cinco surcos de los cuales, sólo se usaron las centrales para el muestreo del maíz. Se utilizaron 0, 140 y 280 kg/ha de N como urea, equivalente a las dosis 0, 50 y 100 %, recomendada para el maíz, en esa zona del Bajío, en dos aplicaciones de urea: a la primera escarda y al llenado del grano.
Se muestra el efecto del aislado del teocintle sobre el maíz. Las rizobacterias del teocintle tuvieron efecto en el maíz (Figura1), a 40 días después de la siembra Burkholderia sp 14 (B14), la que causó un incremento del 40% sobre el peso seco de la raíz del maíz; superior al peso seco de la raíz del maíz usado como control relativo: sin inocular y fertilizado sólo con 140 kg de N/ha como urea (50% de la dosis recomendada). Los aislados de Burkholderia sp: 14, B9, B5 del teocintle e incluso B. cepacia causaron un efecto positivo sobre el crecimiento del maíz.
Este efecto se debe a que las rizobacterias pueden transformar los ER del maíz en compuestos tipo auxina que actúan como en SPCV (Bashan, 1998; Riggs et al., 2001, Benizri et al., 2001); y se refleja, en el número de raíces primarias, de secundarias y en general de pelos radicales, (Jacoud et al., 1999; Bashan, 1998) el crecimiento en el patrón radical, influye directamente en su capacidad de absorción de la urea (Riggs et al., 2001; Dashti et al., 1998).
Una respuesta semejante, se observó en el maíz, cuando se le inoculó con K. oxitogena (Bashan, 1986; 1998). El valor numérico de la respuesta del maíz, a la inoculación con las RPCV del teocintle, en términos de peso seco, fue estadísticamente significativo (P<0.05) y superior al valor de la respuesta de la gramínea tratada exclusivamente con 140 kg/ha de N como urea, pero sin inocular, en cambio, no existieron diferencias con respecto del maíz fertilizado, con la dosis máxima de 280 kg de N/ha como urea (100% de lo recomendado para la zona), sin inocular, y que se usó como control relativo, también señalado como CR2 en esta Figura 1.
Resultados similares fueron reportados por Dashit et al., (2000) y Sánchez-Yáñez et al., (1997), donde la rizobacteria provocó un aumentó de 25% en la absorción radical de la urea al 50% de la dosis recomendada para este cultivo.
El maíz inoculado con RPCV del teocintle y sembrado en campo tuvo un comportamiento similar al resultado obtenido en laboratorio.
Figura 1. Efecto de la inoculación de las rizobacterias promotoras del crecimiento del teocintle sobre el peso seco de la raíz del maíz en invernadero.
Rizobacterias del teocintle
B-5=Burkholderia sp 5; B-9=Burkholderia sp 9; Bc= Burkholderia cepacia ATTC 25416; Ko= Klebsiella oxitogena; B-14 =Burkholderia sp 14; CR1= maíz y 50% dosis de urea, CA; maíz sin urea, no inoculado, CR2= Maíz con la dosis 100% de fertilizante como urea y sin inocular. n=20. Letras iguales sin diferencia estadística significativa según Tukey, (P<0.05).
Los aislados de Burkholderia sp 14, B9, Bc y la entérica K. oxitogena del teocintle, incrementaron individualmente hasta en un 30%, en promedio el peso seco de la parte aérea del maíz, en comparación con el peso seco determinado en el maíz, usado como control relativo (CR1); sin inocular y fertilizado con 140 Kg de N como urea (50% de la dosis recomendada), a 40 días después de la siembra en campo (Figura 2). Este efecto se explica por la posible transformación de los ER del maíz en SPCV, por estas rizobacterias del teocintle; ya que inducen a una mayor proliferación de raíces secundarias y con ello aumenta la absorción de urea (Riggs et al., 2001). Este proceso provocó que la respuesta de éste maíz, en términos de peso seco en su parte área, fuera similar estadísticamente (P<0.05) al peso seco de la parte aérea del maíz sin inocular pero fertilizado exclusivamente con 240 kg/ha de N como urea, (dosis 100%), denominado CR2.
Figura 2. Efecto de la inoculación de las rizobacterias promotoras del crecimiento del teocintle sobre el peso seco de la parte aérea del maíz, en invernadero.
Rizóbacterias del teocintle
B-5=Burkholderia sp 5; B-9=Burkholderia sp 9; Bc= Burkholderia cepacia ATTC 25416; Ko= Klebsiella oxitogena; B-14 =Burkholderia sp 14; CR1= maíz y 50% dosis de urea, CA; maíz sin urea, no inoculado, CR2= Maíz con la dosis 100% de fertilizante como urea y sin inocular. n=20. Letras iguales sin diferencia estadística significativa según Tukey, (P<0.05).
En la figura 3, se muestra que a nivel del campo. Las RPCV del teocintle como Burkholderia sp 14, los aislados B9, Bc y la entérica Ko, ejercieron un efecto positivo sobre el incremento en el rendimiento en grano de maíz. Este rendimiento varía entre un 10 al 40%, según se reporta para cultivos vegetales similares, inoculados con otras RPCV (Reis et al., 2000).
En comparación con el rendimiento del grano del maíz, utilizado como control relativo (CR1); pero sin inocular y fertilizado con la dosis de 50% de urea (140 Kg/ha de N), a 180 días después de su siembra.
Este efecto benéfico de los aislados de Burkholderia en el especial del aislado B sp 14 y de la entérica K. oxitogena, se registró tanto en los primeros estadios de crecimiento del maíz, como en su etapa reproductiva, como se señala en la literatura se registra cuando gramíneas se inoculan con RPCV a dosis reguladas del FN (Chelius y Triplett, 2000; Bashan, 1998; García et al., 1995).
El valor numérico del rendimiento en grano del maíz inoculado (Caballero-Mellado et al., 1999; Bashan, 1996), fue similar al rendimiento del grano del maíz tratado, sólo con la dosis 100% del FN recomendado de 240 kg/ha de N como urea, en el maíz considerado control relativo ó CR2.
Estos resultados experimentales en invernadero y campo apoyan que las RPCV del teocintle, interactúan con el maíz, en parte probablemente por la estrecha relación genética existente entre ambas gramíneas (Calderón-Becerra et al., 2000).
Lo que sugiere que estas RPCV del teocintle conviertan los ER del maíz en SPCV, para generar un efecto benéfico similar al reportado con las RPCV típicas de las gramíneas domesticas, como las bien conocidas especies del género Azospirillum (Omay et al., 1993; Fulcheri y Frioni, 1994; Pandey et al., 1998). En términos de crecimiento y rendimiento del maíz a dosis reducida del FN. Con la ventaja de que las RPCV del teocintle, están adaptadas a una condición nutricional natural adversa de la región como la ausencia de N combinado. Situación que las plantas silvestres enfrentan sin aparente problema, por su interacción con las rizobacterias benéficas de plantas, como las que se describen en este trabajo (Sánchez-Yáñez et al., 1998; Elbeltagy et al., 2000).
La inoculación del maíz con las RPCV del teocintle, permite reducir la dosis del FN, alargar la vida productiva del suelo, disminuir la contaminación de agua superficial, subterránea y bajar costo de producción del maíz. Las RPCV del teocintle, pueden ser una fuente potencial de rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal para el maíz, a dosis reducidas de fertilizante nitrogenado.
Figura 3. Efecto de la inoculación de las rizóbacterias promotoras de crecimiento del teocintle sobre el peso fresco grano del maíz, en el campo.
B-5=Burkholderia sp 5; B-9=Burkholderia sp 9; Bc= Burkholderia cepacia ATTC 25416; Ko= Klebsiella oxitogena; B-14 =Burkholderia sp 14; CR1= maíz y 50% dosis de urea, CA; maíz sin urea, no inoculado, CR2= Maíz con la dosis 100% de fertilizante como urea y sin inocular. n=20. Letras iguales sin diferencia estadística significativa según Tukey, (P<0.05).
AGRADECIMIENTOS
Al proyecto 2.7 de la CIC UMSNH (2005-2006) por apoyar está investigación. Al CONACYT (México)-CNRS (Francia) clave No. E130-132/98. A la Universidad Claude Bernard, Lyon 1, al laboratorio de Ecología Microbiana del suelo, Dr. Jaques Balandreau al Dr. Tran Van Van del mismo lugar. Al MVZ. Farías de la FMVZ de la UMSNH, por las facilidades para el experimento de campo. A Beatriz Noriega- Gamboa por su trabajo secretarial.
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Plata-Guzmán D1.,
Farias-Rodríguez R2.,
Cárdenas-Navarro, R3
Sánchez-Yáñez J.M.1*
Microbiología Ambiental.,
*autor correspondiente
Ed. B-1, Ecología microbiana2. Edificio B-1. Instituto de Investigaciones Químico Biológicas., Ecofisiología vegetal, Instituto de Investigaciones Agrícolas y Forestales, Acueducto y Tzintzun.4. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo CP. 58000 Morelia, Mich, México.