Bioestimulantes microbianos rompen los límites

El presente artículo se basa en la presentación realizada en las “Series on line Bioestimulantes & Biocontrol x Redagrícola”, por el doctor en biología ambiental David de Hita, quien trabaja en investigación y desarrollo para Timac Agro España.

Una particularidad de los bioestimulantes, señala en primer lugar de Hita, es que su definición, más que indicar lo que son se refiere a las funciones que cumplen.

En Europa se identifican como “productos que estimulan la nutrición vegetal independientemente del contenido nutricional con el único objetivo de mejorar una o varias de las siguientes características de las plantas o la rizosfera: eficiencia de uso de nutrientes, tolerancia a estrés biótico, calidad de la producción y disponibilidad de nutrientes en el suelo o rizosfera”. En Estados Unidos se reseña como “sustancia o microorganismo que, cuando aplicado a las semillas, plantas, suelo o rizosfera, estimula procesos naturales para incrementar o beneficiar la toma de nutrientes, la eficiencia de uso de nutrientes, la tolerancia a estrés abiótico o la calidad y producción de los cultivos”.

Se trata de un acercamiento conceptual “claim based”, hace notar de Hita, o sea lo determinante es la acción realizada y no su composición. De acuerdo al experto, esto implica que una misma sustancia puede estar en distintos productos teniendo efectos diferentes, o que la combinación de varios ingredientes no necesariamente mostrará el mismo efecto que los componentes por separado.

En Europa ha habido un proceso de estandarización y regularización de este tipo de productos, con el objetivo de garantizar su eficacia y la sustentabilidad ambiental. En la práctica, se exige que la etiqueta indique cuál es el efecto del producto, los cultivos en que se ha probado su uso y el momento adecuado de aplicación. La normativa hasta ahora incluye solo cuatro tipos de microorganismos; tres de ellos son bacterias: Azotobacter, Rhizobium and Azospirillum, y el cuarto corresponde a los hongos micorrícicos.

El hecho de restringir a cuatro los tipos de microorganismos ha sido criticado por el Consejo de la Industria Europea de Bioestimulantes, EBIC, pues la legislación no incluye organismos como el hongo Trichoderma, por ejemplo, cuya acción bioestimulante ha sido comprobada científicamente. De Hita considera una limitación para el sector el que la Comisión Europea no haya especificado los procedimientos para añadir nuevos microorganismos a la lista.

Del total del mercado de bioestimulantes, los microbianos representan un 14,57%, sin embargo se espera que este porcentaje se incremente en los próximos años, pues es el grupo que mayor avance está teniendo.

¿POR QUÉ ESTÁN DE MODA LOS BIOESTIMULANTES BASADOS EN MICROORGANISMOS?

¿Por qué usar microorganismos como bioestimulantes, por qué están de moda y por qué nos interesan?, se pregunta el especialista.

En primer lugar, indica el doctor en biología ambiental, porque tienen propiedades PGP (plant growth promoting), o sea promueven el desarrollo vegetal. Algunos de ellos secretan sideróforos, compuestos que favorecen la toma de hierro, otros fijan nitrógeno atmosférico y lo hacen disponible para las plantas, los hay que solubilizan fosfatos y potasio, también contribuyen con compuestos orgánicos volátiles y hormonas tales como ácido indolacético, citoquininas y giberelinas. Son capaces, adicionalmente, de inducir la respuesta inmune de los cultivos, una suerte de “vacuna” frente al ataque de patógenos. Este último aspecto es un tema controvertido ya que genera una ambigüedad a nivel comercial y sobre todo normativo en referencia a su carácter tanto bioestimulante como fitosanitario.

Los microorganismos son capaces de provocar cambios hormonales, en la expresión génica de las plantas, en la regulación enzimática, en el microbioma y su actividad, en la fertilidad del suelo y en la absorción de nutrientes. Asimismo, inciden en la fisiología vegetal, en el crecimiento, en el peso seco, en la producción, en la morfología, en la capacidad para enfrentar estreses bióticos y abióticos. En última instancia, van a mejorar el rendimiento y la producción (figura 1).

Entre las ventajas que los distinguen de los fertilizantes tradicionales y de los bioestimulantes no microbianos, pueden mencionarse las siguientes:

• Recuperan la fertilidad del suelo.
• Su producción es renovable.
• Su cadena de suministro es más robusta, porque los microorganismos ofrecen la posibilidad de ser replicados.
• Favorecen la activación de la inmunidad innata de las plantas.
• Todo esto se fundamenta en la utilización de células vivas.

Sin embargo, el uso de células vivas también conlleva aspectos desventajosos, ya que:

• Aumenta la preocupación sobre la seguridad de estos productos.
• Complica reproducibilidad de sus efectos a nivel de campo.
• Hay cierta preocupación sobre su resiliencia, o sea el tiempo que son capaces de mantenerse en las condiciones ambientales.
• Dificulta su estandarización.
• Todo esto se traduce en una regulación más estricta.

EL FORMATO MÁS SIMPLE: LA CEPA ÚNICA

Existen distintos niveles de complejidad de los bioestimulantes microbianos. Los más simples corresponden a una cepa única.

El aislamiento y selección de una cepa microbiana constituyen pasos claves. Estos procesos pueden realizarse con organismos endófitos (que viven dentro de las plantas). Se obtienen de plantas destacadas por su producción, su adaptación al medio e incluso por su ancestría, o sea de especímenes salvajes considerados ancestros de los cultivos actuales (back to the roots strategy).

El aislamiento y selección también se hace desde el suelo, principalmente desde la zona cercana a las raíces (rizosfera). Por lo general se recurre a suelos con características particulares, por ejemplo sujetos a un estrés, de regiones extremas, o afectados por algún contaminante en el caso de apuntar a la biorremediación.

Para fabricar los bioestimulantes basados en una sola cepa es posible usar un microorganismo nativo o uno alóctono (originario de un lugar distinto). Ambos tipos pueden ser igual de efectivos, dependiendo del contexto. Sin embargo, se tiende a asumir que los de origen nativo tienen mejor tasa de colonización y que los alóctonos presentan un mejor desempeño ante situaciones de estrés para las que han sido seleccionados.

El efecto del microorganismo inoculado varía según el tipo de cultivo, por eso resulta tan importante indicar en la etiqueta la especie vegetal para la cual se ha registrado.

Al tratarse de cepas únicas, se da preferencia a aquellas de alta conectividad –vale decir capaces de formar simbiosis con distintos tipos de plantas–, y también a aquellas que puedan ser utilizadas en múltiples condiciones ambientales.

Los bioestimulantes basados en una única cepa presentan limitaciones en cuanto a su reproducibilidad, pues van a depender mucho de su funcionalidad ante las condiciones adversas a las cuales se vea enfrentada; por lo tanto, su eficacia puede verse disminuida. Como la cepa se selecciona para diferentes especies, puede presentar poca especificidad, o sea no dar la misma respuesta en cultivos distintos.

EN LOS CONSORCIOS LA UNIÓN HACE LA FUERZA

Con el fin de mitigar las limitaciones mencionadas, una evolución ha sido el empleo de consorcios, bioestimulantes que incluyen dos o más especies o cepas de microorganismos. Cuanto mayor sea la diversidad utilizada, más complejo va a ser el producto. Una de las fortalezas buscada en los consorcios se refiere a la redundancia funcional, o sea que organismos distintos cumplan una misma función, permitiendo lograr estabilidad de resultados en condiciones diferentes.

Otro objetivo es combinar organismos con funciones diferentes, para lograr soluciones complementarias y obtener sinergia entre los distintos componentes. Se trata, en definitiva, de alcanzar una mayor efectividad en el campo de los bioestimulantes microbianos.

Existen consorcios donde se incorporan simultáneamente micorrizas y bacterias. Es el caso de los mycorrhizal helpers, bacterias que forman asociaciones simbióticas con ectomicorrizas y micorrizas arbusculares. Dichas bacterias usan enzimas líticas y otros metabolitos que van a favorecer el aumento de la superficie radicular así como incrementar las ranuras por las cuales las micorrizas acceden a colonizar la planta.

Muchos mycorrhizal helpers son capaces de colonizar tanto el interior de la planta como el interior de las propia micorrizas, siendo un ejemplo extremo de simbiosis endófita. Por su parte las micorrizas facilitan la actividad PGP de estas bacterias, poniéndolas en contacto con la planta para su colonización. Todo esto acentuaría el desarrollo de la planta, aumentando la toma de nutrientes como nitrógeno y potasio, e incrementando su tolerancia a diferentes estreses.

SYNCOM: UN MICROBIOMA COMPLETO AL SERVICIO DEL CULTIVO

La fase más novedosa y también más compleja de los bio- estimulantes microbianos corresponde a las SynComs, o comunidades sintéticas.

Se trata de inóculos basados en estudios del microbioma, a partir de un proceso de secuenciación masiva e identificación de todos los microorganismos de la comunidad sujeta a estudio. Luego se efectúa una selección mediante culturómica (aislamiento masivo dirigido de microorganismos) para enriquecer y modificar el microbioma en pro de la planta, adaptándolo a las necesidades de distintos cultivos.

David de Hita da un ejemplo de este proceso: A partir de asociaciones planta-microbioma iniciales, se cultiva una serie de plantas en suelo. Una vez alcanzado el desarrollo necesario, mediante fenotipado se detectan aquellas con características deseadas, como una mayor floración, mayor producción de semillas, mayor tolerancia a algún tipo de estrés, etc. Se selecciona el bioma del suelo asociado a esas plantas, con el cual se inoculan nuevos suelos estériles iniciando un nuevo cultivo. El ciclo se repite varias veces hasta obtener microbiomas optimizados para los objetivos que se buscan (figura 2).

Un material así sería de gran interés para sistemas productivos como los viveros, estima de Hita, ya que por un lado se contaría con un microbioma enriquecido para el crecimiento de las plantas y, por otro, se transmitirían microorganismos endófitos a la propia planta como un aporte duradero después del trasplante.

Idealmente, además de bacterias y hongos incluso podrían entrar virus, protozoos y arqueas. Se consigue una altísima redundancia funcional de los rasgos PGP, lo que contribuye a la supervivencia del inóculo y a su competitividad en situaciones de campo reales, favoreciendo la colonización de la rizosfera y el establecimiento de la nueva comunidad microbiana. Igualmente se incrementa la reproducibilidad de los efectos del bioestimulante debido a la gran especificidad frente a las condiciones ambientales y el cultivo.

Las SynComs aparecen de manera más habitual en fase experimental en el mundo académico que en el mercado, ya que requieren de una I+D compleja, de costo elevado. Exigen el uso de variadas tecnologías y el trabajo de personal altamente cualificado. De momento su producción masiva va a ser complicada ya que hay que tener en cuenta la proporción de microorganismos de cada comunidad, con sus particulares requisitos de crecimiento.

Además se necesita mayor conocimiento en aspectos como las conexiones que se forman dentro de la comunidad, las microbial networks. Por último, es importante resaltar la dificultad a nivel regulatorio que entraña un producto de estas características, ya que potencialmente habría que registrar cada uno de los microorganismos usados y en la proporción adecuada.

VARIABLES CRÍTICAS PARA LOGRAR UN PRODUCTO EXITOSO

Además de la selección del inóculo, una serie de factores interviene en el éxito o fracaso de un bioestimulante microbiano.

La producción masiva de los microorganismos es un desafío. Resulta sencillo utilizar tanques de fermentación con parámetros controlados en el caso de las bacterias, pero con las SynComs será más difícil ya que algunos de los microorganismos son raros en el medio y tienen crecimientos lentos o muy demandantes.

En el caso de las micorrizas también puede ser complejo pues la mayoría de los sistemas de producción aún requieren de la presencia de la planta para generar la simbiosis y posterior esporulación. Adicionalmente, en la producción masiva generación tras generación existe el riesgo de cambios genéticos en las cepas, por tanto se requiere establecer y mantener una cepa tipo.

Las características del microorganismo son relevantes. Por ejemplo, no da lo mismo aplicar bacterias grampositivas (gram+) que gramnegativas (gram-). Las primeras tienen una pared celular de peptidoglucano y muchas de ellas disponen de la capacidad de esporular, por lo tanto van a ser más resistentes a los procesos de desecación que las segundas.

Curiosamente, la mayor parte de los microbiomas PGP de los cultivos importantes corresponden predominantemente a proteobacterias gram-. Dada su menor resistencia durante la formulación, almacenaje y aplicación en campo, hoy se sigue la estrategia de añadir un exceso de células para compensar su pérdida.

Otra forma de enfrentar este tipo de problemas es el uso de sistemas de desecación menos agresivos, como puede ser el fluid bed dryer, que ha demostrado alargar la vida de inóculos de algunos rizobios. El “secado de lecho fluidizado” es un sistema para materiales en polvo o granulados en el que la superficie de cada partícula individual es expuesta para su secado al suspenderla en el flujo de aire.

FORMULACIONES Y MODOS DE APLICACIÓN

Resulta importante el uso del carrier o excipiente más adecuado entre las opciones existentes. Los excipientes sólidos más utilizados son la turba, el talco, la vermiculita, y la tierra de diatomeas.

Un buen carrier en general debe tener una alta capacidad de mantener humedad, estar bien tamponado (pH estabilizado), ser ambientalmente seguro, fácil de usar y, sobre todo, barato.

Como carriers líquidos son populares el aceite y el agua, si bien tienden a menores ratios de supervivencia y propagación comparados con los sólidos.

También son utilizadas bioformulaciones granulares, liofilizadas o encapsuladas en biomoléculas como el alginato.

Existen reportes de ensayos en que se ha demostrado diferencias significativas en el tamaño de la población de un microorganismo a lo largo del tiempo en el almacenaje y en la rizosfera al utilizar distintos excipientes o formulaciones (Novinscak y Filion, 2020). El resultado va a depender tanto del tipo de carrier como del tipo de inóculo. Se trata de un factor determinante en el desarrollo de un producto, al cual, sin embargo, no siempre se le presta la atención adecuada. El carrier debe proveer una protección al inóculo y mantener su viabilidad el máximo tiempo posible.

Los métodos de liberación de los bioestimulantes juegan un rol crucial en su desempeño en condiciones de campo. Por ejemplo, las aplicaciones en la parte aérea serán más efectivas en el caso de microorganismos endófitos, mientras lo más lógico será aplicar los microorganismos rizosféricos a la raíz. Por otra parte, el modo de aplicación depende de la infraestructura y equipos de los que disponga el agricultor.

Otros puntos a tener en cuenta corresponden a la dosis del inóculo (en las bacterias gram- siempre será más alta que la de las gram+), el número y momento de las aplicaciones, tomando en cuenta la fenología de la planta. Resulta importante asimismo considerar los fertilizantes o fitosanitarios aplicados al cultivo, con el fin de evitar efectos deletéreos o de competitividad.

UN MUNDO DE POSIBILIDADES

Una alternativa al uso de inóculos corresponde a la utilización de sus metabolitos. Suele ocurrir que las biomoléculas producidas por los mismos microorganismos –ya sea compuestos orgánicos volátiles, hormonas, ácidos orgánicos, exopolisacáridos u otros– actúen como promotoras de crecimiento vegetal. Se trata de una posibilidad que permite a los productores de inóculos microbianos una revalorización de los efluentes del proceso.

Sus ventajas incluyen el no utilizar células vivas; dar seguridad sanitaria y ambiental, lo cual favorece una regulación más sencilla; ser de fácil estandarización, y lograr una mejor shelf life o almacenamiento. Eso sí, advierte de Hita, es importante estudiar la vida media de los componentes claves, en especial si hay compuestos orgánicos volátiles de rápida degradación. Quizá el único punto en que estos metabolitos no resulten competitivos con los inóculos sea su resiliencia, pues el establecimiento de un microorganismo tiene la posibilidad de ser duradero.

Otras opciones se refieren a las combinaciones de distintos tipos de bioestimulantes con los de microorganismos, a fin de producir sinergias o incluso encontrar nuevos efectos.

David de Hita es autor de una tesis donde comprobó que las sustancias húmicas favorecen la quimiotaxis de las bacterias, ayudando a su fijación alrededor de los pelos radiculares. La quimiotaxis permite a las bacterias nadar hacia donde perciben una mayor concentración de moléculas alimentarias. Además, las sustancias húmicas incrementan la arquitectura radicular, abriendo más puntos de formación de biofilm y por lo tanto de una reinfección, lo que facilitaría la colonización de los tejidos internos y por lo tanto reforzaría la actividad PGP (figura 3).

Tanto por acción de la sustancia húmica como del inoculante, esto al final se traduce en un crecimiento de la parte aérea y de la raíz de la planta, un incremento de la fertilidad del suelo, además de la reducción de estreses bióticos y abióticos.

Igualmente se pueden asociar a extractos de algas, los cuales se caracterizan por su alto contenido de compuestos bioactivos, como carbohidratos, proteínas, lípidos, aminoácidos, osmolitos, e incluso hormonas vegetales como ácido indolacético, giberelinas, citoquininas y poliaminas. Se ha comprobado su impacto sobre la activación de la microbiota, por lo que su asociación tendrá un efecto sinérgico sobre la planta en aspectos como adelanto de la floración, crecimiento de la parte aérea y de la raíz, aumento del contenido de proteínas y carbohidratos en el cultivo, disminución de estreses abióticos y aumento de colonización por micorrizas.

En micorrizas, el uso combinado con silicio se ha mostrado efectivo para mejorar la colonización radicular, así como para la formación de estructuras fúngicas. Se incrementa la toma de silicio por la planta y se regulan positivamente genes relacionados con el transporte de zinc y hierro. Algunos estudios verifican mejores respuestas al estrés oxidativo en plantas tratadas con esta combinación.

La suma de bacterias PGP más aminoácidos tiene resultados variables según las propiedades de cada biomolécula, ya que pueden actuar como quelantes de iones metálicos, como factores antiestrés, o influir en la fotosíntesis o en el metabolismo hormonal de las plantas. Por ejemplo, un estudio con bacterias aisladas de áreas semidesérticas en conjunto con L-triptófano, comprobó una mejor performance frente a un estrés hídrico (Huamira et al. 2017).

Por último, está la combinación de los bioestimulantes con los metabolitos secundarios, moléculas señal, exoenzimas y otros residuos beneficiosos que se producen en los medios de cultivo de los inóculos. Estas biomoléculas favorecen el éxito de la simbiosis planta-microorganismo, contribuyen a acrecentar la supervivencia del inóculo, confieren protección y sustento al microorganismo que se aplique.