Inductores biologicos y quimicos de resistencia en los cultivos

INDUCTORES BIOLOGICOS Y QUIMICOS DE RESISTENCIA SISTÉMICA ADQUIRIDA (SAR) COMO ESTRATEGIA DE MANEJO AGRONOMICO SUSTENTABLE Sergio Contreras Liza Docente Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión-Huacho Doctorado en Agricultura Sustentable- UNA LA MOLINA

2

PRESENTACION ď‚›

Desde

que

las

plantas

colonizaron

la

tierra,

han

desarrollado mecanismos para responder a las condiciones cambiantes del medio ambiente y asentarse en habitats extremos. Recientes estudios indican que varias especies vegetales requieren asociaciones con microorganismos para tolerar estreses y poder sobrevivir. Aunque la mayorĂ­a de plantas carecen

de la capacidad

adaptativa en

condiciones de estrĂŠs, esta habilidad parece estar asociada a ciertos microorganismos, lo cual nos sugiere preguntar:

3



Que hace que los microorganismos y las plantas puedan adaptarse a condiciones de estrés?



Pueden todas las especies vegetales mejorar su tolerancia a estreses ambientales cuando se asocian con los microorganismos adecuados?



La respuesta a estas preguntas modifica nuestros conceptos sobre la fisiología vegetal y podría conducirnos a nuevas rutas hacia la sostenibilidad.

4

Escasez de alimentos y cambio climático 

Si la producción de alimentos debe aumentar un 50% en los

próximos 40 años en un escenario de escasez de recursos y

de

cambio

climático,

se

requerirá

una

inversion

considerable en capitales, tiempo y esfuerzo. Un mayor componente de la solución tendrá que partir de la mejora en las

tecnologías

agrícolas,

para

producir

alimentos

suficientes, nutritivos e inocuos que suplan las necesidades y preferencias de la población humana, sin afectar la sostenibilidad del ambiente natural.

5

Centros de domesticaciรณn de plantas cultivadas

De: Purugganan & Fuller (2009).

6

Ă reas de mayor inseguridad alimentaria (FAO: 2001-2003)

7

Mecanismos de resistencia inducida 

Las plantas poseen mecanismos de resistencia que se

pueden inducir en pre-tratamientos con una variedad de compuestos químicos o con microorganismos inductores. Este fenómeno general se conoce como resistencia

sistémica

adquirida

(SAR,

Systemic

Adquired Resistance) y es originado por intermedio de ciertos patógenos y compuestos químicos que producen defensas importantes para la prevención de las enfermedades.

8



Si se integra adecuadamente en los programas de gestión de sanidad en las plantas, la SAR puede prolongar la vida útil de tanto los genes de resistencia y de los productos sanitarios actualmente utilizados.



Pero las aplicaciones bajo condiciones de campo se ven obstaculizadas a menudo por falta de eficacia y fiabilidad.

Los agricultores esperan eficacias comparables a las de los productos químicos protectores de cultivos, pero con frecuencia ello no ocurre.

9

Justificación 

Es necesario articular estrategias integrales que sean posibles de adoptar por los pequeños agricultores que

producen

cultivos

alimenticios;

una

de

ellas

es

la

identificación de formas alternativas de manejo de la sanidad de los cultivos que estén al alcance del sector de agricultores de escasos recursos. Con ello se busca demostrar la eficacia de productos de bajo costo y de escaso impacto ambiental para la salud humana y para el ecosistema, así como de rizobacterias que induzcan Resistencia Sistémica Adquirida

en los cultivos.

10

Antecedentes 

La resistencia sistémica adquirida tiene un aspecto práctico muy interesante. En agricultura se puede inducir la

resistencia sistémica inoculando el cultivar a ser protegido, empleando como patógeno una raza avirulenta o virulenta, pero en cualquier caso, hay respuesta a la infección. De manera alternativa, se pueden rociar las plantas ya sea con filtrados de cultivos de bacterias gram-positivas o gramnegativas o aún mejor, con uno de los químicos identificados como señales, el ácido salicílico.

11

Que son las PGPRs? 

Son bacterias que habitan la rizósfera de las plantas (rizobacterias) e interaccionan con la fisiología del cultivo,

produciendo

2

tipos

de

respuestas:

biofertilización (fijación de nutrientes) y biocontrol

de enfermedades (inmunidad inducida). 

PGPR: Plant Growth Promotion Rizobacteria =

“rizobacterias promotoras de crecimiento en las plantas”.

12

Caracterización morfológica

Morfología de diferentes colonias de Bacillus en medio TGE. Colonia de consistencia seca (izq). Colonia de consistencia cremosa (der.).

En: CALVO & ZUÑIGA, 2010.

13

Las cepas bacterianas ď‚›

Cepas con actividad PGPR , pertenecientes a los gĂŠneros

Azoarcus,

Azospirillum,

Azotobacter,

Arthrobacter, Bacillus, Clostridium, Enterobacter, Gluconacetobacter, Pseudomonas y Serratia, han sido reportadas (Maheshwari, 2011). Entre ellas, las especies Pseudomonas y Bacillus son las mas extensamente estudiadas.

14

Pruebas de antagonismo in vitro

Efecto de Bacillus subtilis en la inhibiciรณn del crecimiento micelial de Fusarium sp., Alternaria dauci y Rhizoctonia solani, respectivamente.

En: Hernรกndez et al, 2013.

15



Frente a Pseudomonas y otras bacterias que no forman

esporas, las cepas de Bacillus spp. son capaces de formar endosporas que les permiten sobrevivir durante largos

períodos

bajo

condiciones

ambientales

desfavorables. Esta característica es relevante en su relativa viabilidad duradera cuando se almacena durante un período largo (vida útil). Diversas especies de Bacillus han sido reportados como bacterias promotoras en una

amplia gama de plantas (Bouizgarne,2013).

16

Etapas en el desarrollo de inoculantes bacterianos 1. Colección de muestras de suelo

2. Aislamiento e identificación de cepas bacterianas 3. Selección para caracteres deseables: biocontrol, solubilizacion de fósforo, colonization de la rizósfera.

4. Aplicacion en campo para especies vegetales adecuadas.

17

Consideraciones ecológicas 

Los factores ecológicos como la temperatura y las condiciones nutricionales del suelo afectan el comportamiento de las PGPRs; la inoculación bacteriana tiene un mejor efecto estimulador del

crecimiento vegetal en condiciones de suelos deficientes en nutrientes que en suelos fértiles o ricos (Egamberdieva, 2012).

18

PGRPs: organismos que promueven crecimiento en las plantas

19

Resistencia Sistémica Adquirida e Inmunidad 

La mejor forma entendida de defensa inducida es la resistencia sistémica adquirida (SAR), aunque también existen otros sistemas de defensa en las plantas (Delany et al, 1994). La resistencia inducida químicamente es una estrategia adecuada que utiliza las defensas naturales de la

planta para controlar patógenos. El fenómeno se ha estudiado a nivel molecular y ha demostrado ser mediado por el ácido salicílico (SA) y está asociado con un número de respuestas de defensa y genes involucrados (Dempsey, Shah y Klessig, 1999)

20

El rol del ácido salicílico 

El SA es considerado un candidato para aplicaciones exógenas como activador de RSA y la aspirina en particular, ha sido seleccionada como un producto de bajo costo y no fitotóxico (Delany et al, 1994). Provocada normalmente por una infección local, las plantas responden con una cascada de señalizaciones dependientes del ácido salicílico que conducen a la expresión sistémica de resistencia de amplio

espectro y a una resistencia duradera que es eficaz contra hongos, bacterias e infecciones virales.

21

Senescencia y AS 

La fitohormona acido salicílico (AS) juega un rol esencial en

la defensa, respuesta al estrés y senescencia de la planta.

Aunque la biosintesis del AS es muy conocida, la ruta por la que es catabolizada en la planta continúa siendo un enigma. Se ha identificado y caracterizado la enzima SH3 (SA 3-hidroxilasa) involucrada en el catabolismo del SA durante la senescencia de las hojas. Así, esta enzima S3H está asociada con la senescencia del follaje y es inducible

por el AS (Zhang et al, 2013).

22

Efecto del AS en los cultivos Tabla 1. Efectos observados en campo después de un tratamiento para SAR con AS Cultivo Bacterias Virus Hongos Insectos Nematodos Cereales x x Arroz x x Tabaco x x x Papa x x Tomate x x x x Hortalizas x x x x Mango x x Cítricos x x x Banano/Plátano x x Adaptado de: EDA (2008)

23

ď‚› En

palabras de Walters (2009), la resistencia

inducida tiene potencial de revolucionar el control de enfermedades en los cultivos, pero

sigue siendo un tipo de protecciĂłn de cultivos no

convencional.

Ello

es

motivo

investigaciĂłn intensa en la actualidad.

de

24

Hormonas de resistencia? 

Sólo unas pocas señales de compuestos de bajo

peso molecular, incluyendo al ácido jasmónico, etileno y ácido salicílico, regulan la expresión de los genes relacionados con la defensa. Con el uso de estos reguladores, la planta afina su expresión de genes de defensa contra los agresores que, en algunos casos, puede ser capaz de alterar o ampliar las vías de señales de defensa (Raymond y

Farmer, 1998).

25

Grupos hormonales vegetales de resistencia inducida

Figura 1: Esquema de la red de señalización antagónica de tres lados entre las hormonas vegetales en las respuestas al estrés. Las respuestas al estrés ambiental, enfermedades y heridas, causadas por gusanos herbívoros, por ejemplo-son controlados por el ácido abscísico (ABA), ácido salicílico (SA) y ácido jasmónico (JA), respectivamente (RIKEN).

26

 Algunos

análogos del SA también se pueden

utilizar como inductores de RSA. El producto comercial Bion (Syngenta) con su componente activo Benzo (1,2,3) Tiadiazol-7-carbotioico S

methyl éster (BTH) ha demostrado ser útil para activar los mecanismos de resistencia en varios patógenos de plantas (Eikemo et al., 2003).

27

Los fosfonatos de potasio ď‚›

El

fosfito de potasio en ciertas concentraciones

incentiva el Fitoalexinas

aumento de los y

otras

niveles de

sustancias

similares

responsables de mecanismos de defensa natural de las plantas fortaleciĂŠndolas de ataques de hongos

patĂłgenos (oomicetos)

enfermedades .

que causan

28

Resistencia inducida a virus CMV



Figura 1: Apariencia de plantas de calabacita a los 15 días después de la inoculación con Cucumber mosaic virus y tratadas con diferentes productos (de izquierda a derecha): a) Testigo inoculado sin aplicación de producto, b) Ácido acetil salicílico aplicado al follaje, c) Bacillus subtilis aplicado al suelo y al follaje, d) Bacillus subtilis aplicado al follaje y e) Bacillus subtilis aplicado al suelo.

Fuente: Maldonado-Cruz et al . 2008. Revista Chapingo Serie Horticultura 14(1): 55-59, 2008.

29

Biocontrol de Fusarium: banano

Biocontrol del Fusarium wilt en plรกntulas de banano micropropagado cv.

Pacovan inoculado con Bacillus pumilus ENF24 (derecha) comparado con plantula no tratada (izq.). En: Figueiredo, Seldin y Araujo, 2010

30

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN  Evaluar

la

sustentabilidad

de

prácticas

agronómicas novedosas como el uso de inductores biológicos y químicos sobre la

resistencia transmisibles

sistémica y

el

a

enfermedades comportamiento

agronómico de los cultivos en la región.

31

Objetivos Específicos 

Determinar el efecto de la inoculación de cepas nativas de Rizobacterias en la resistencia sistémica adquirida (SAR) y el comportamiento agronómico de los cultivos.



Determinar el efecto del ácido acetil salicílico en la resistencia

sistémica

adquirida

(SAR)

y

el

comportamiento agronómico de los cultivos. 

Validar la tecnología del uso de inductores biológicos y químicos en el cultivo en campos del pequeño agricultor.

32

DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN 

Actualmente el proyecto se encuentra en su fase inicial. Se están desarrollando el primer y segundo objetivo; se ha considerado a los cultivos de papa y camote, ya que ambos son parte importante de los sistemas de producción de los pequeños agricultores.



Además ambas especies comparten una problemática común en

relación

a

vulnerabilidad

frente

a

enfermedades

transmisibles por vía vegetativa y a la escasez de semilla de calidad por razones sanitarias.

33

Caso 1: Efecto de inductores quĂ­micos de RSA sobre el comportamiento agronĂłmico de camote

34

Metodología 

Se instaló un experimento factorial en DBCA con 3 repeticiones en la localidad de Imperial (Cañete) en

el invierno del 2012. El objetivo fue evaluar el efecto de 2 inductores químicos reportados en la bibliografía (Acido acetil Salicílico AS, y Fosfito de Potasio FP)

más

un

testigo

comportamiento

sin

aplicación,

agronómico

y

la

sobre

el

resistencia

sistémica inducida a enfermedades en 3 genotipos

de camote (INA 100, C-10, C-50) durante 2 años.

35

Procedimiento 

Las parcelas estuvieron constituidas por 100 plantas y se distribuyeron al azar en las 3 repeticiones. Los tratamientos fueron aplicados a las dosis recomendadas por el fabricante

para el fosfito de potasio (2.5 cc/l) y en el caso de ácido acetil salicílico, 25 mg/l , con una frecuencia quincenal. Se realizó control con aceite agrícola sobre mosca blanca y ninguna

aplicación de fungicidas. La fertilización se realizó con materia orgánica (10 t/ha) y una fórmula de abonamiento 800-0, previo análisis del suelo.

36

Evaluación agronómica  Las

evaluaciones fueron con respecto a % de

sobrevivencia en campo, tamaño de planta, peso de follaje y rendimiento de raíces. Los

resultados se presentan a continuación sobre 2 caracteres agronómicos, peso de follaje y peso de raíces:

37

Peso de follaje/planta (k) en 3 variedades de camote y en 2 aĂąos Peso de Follaje (k) 0.94 0.92 0.9 0.88 0.86

Peso de Follaje

0.84 0.82 0.8 0.78 AS

T

FP

38

Peso de raíces/planta en 3 variedades de camote y en 2 años PESO/PLANTA (K) 1.2

1

0.8

0.6

PESO/PLANTA (K)

0.4

0.2

0 T

FP

AS

39

Discusión 

No

existieron

diferencias

estadísticas

entre

tratamientos (al comparar el testigo sin aplicación

versus los tratamientos inductores) para peso de raíces/planta, follaje/planta.

pero si en el caso de peso de Tampoco

se

presentaron

interacciones significativas en las variables, para genotipos y tratamientos inductores.

40

Caso 2: Efecto de

rizobacterias y ĂĄcido salicĂ­lico sobre el comportamiento

agronĂłmico de papa (Solanum tuberosum )

41

Metodología 

Se instaló un experimento factorial en DBCA con 3 repeticiones en la localidad de Quilmaná (Cañete) en el invierno del 2013. El objetivo fue evaluar el efecto de 4 cepas bacterianas (2 Bacillus sp., 1 Azotobacter

sp. y 1 Pantoea sp.) como inductores biológicos más un testigo positivo con aplicación de AS, sobre el comportamiento

agronómico

y

la

resistencia

sistémica inducida a enfermedades en 3 genotipos de papa (Canchán, Perricholi y Unica).

42

Procedimiento  Las

parcelas estuvieron constituidas por unidades

experimentales de 40 plantas por cada variedad que se distribuyeron al azar en las 3 repeticiones. En cada variedad se aplicaron los siguientes tratamientos: Testigo positivo con aplicación de AS (0.4 mM/L) e inoculación de las cepas bacterianas B1, B2, B3 y B4.  El

experimento se está desarrollando en condiciones de

campo actualmente.

43

Evaluación agronómica  Las

evaluaciones con respecto a número de

brotes emergidos, % de sobrevivencia en campo, tamaño de planta, peso de follaje y

rendimiento de raíces. Los resultados que se presentan a la fecha son: número de brotes a los 30 días y número de tallos/planta:

44

NUMERO PROMEDIO DE TALLOS/PLANTA 4.6

4.4

4.2

4

NUMERO DE BROTES

3.8

3.6

3.4

B1

AS

B2

B3

B4

45

NUMERO DE BROTES A LOS 30 DIAS 175 170 165

160 155 NUMERO DE BROTES A LOS 30 DIAS

150 145 140 135 130 B1

AS

B2

B3

B4

46

CASO 3: Efecto de dosis de AS sobre el comportamiento agronรณmico de papa en invernadero (2013)

47

Metodología 

Se instaló un experimento factorial en DBCA con 3 repeticiones en la localidad de Lunahuaná (Cañete) en el invierno del 2013 bajo condiciones de invernadero.

El objetivo fue evaluar el efecto de 4 dosis de ácido acetil salicílico (T1,T2,T3,T4) más un testigo positivo con aplicación de Biol (fertilizante orgánico líquido),

sobre el comportamiento agronómico y la resistencia sistémica inducida a enfermedades en 2 genotipos de papa (clon Faustina y variedad Mariva).

48

Metodología 

Los tratamientos en estudio fueron las siguientes dosis de AS: 

T1= 0.2 mM/L



T2= 0.4 mM/L



T3= 0.6 mM/L



T4= 0.8 mM/L



B = Biol (1%)



T0= sin aplicación

49

PESO DE FOLLAJE POR PLANTA(g) 20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00

PESO DE FOLLAJE POR PLANTA(g)

8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 T0

B

T1

T2

T3

T4

50

PESO DE TUBERCULOS/PLANTA (g) 70.00

60.00

50.00

40.00

PESO DE TUBERCULOS/PLANTA 30.00

20.00

10.00

0.00

T

B

T1

T2

T3

T4

51

52

53

54

LECCIONES APRENDIDAS. 

Los resultados de numerosas investigaciones realizadas durante las dos últimas décadas han demostrado que el AS juega un papel importante en varios aspectos de las respuestas de defensa posteriores al ataque de un patógeno.

Estas incluyen entre otras, la activación de la muerte celular, la expresión de proteínas PR, así como la inducción de la resistencia local y sistémica a enfermedades.



Sin embargo, el AS parece utilizar diferentes mecanismos para inducir estas respuestas. Además, éste interactúa positiva o negativamente con otras vías de señalización hormonal para inducir algunas respuestas de defensa

55



Resulta interesante, por lo tanto, seguir explorando las vías de señalización de esta molécula en el contexto de la resistencia a enfermedades en los cultivos. Asimismo, es necesario evaluar el efecto de dosis de AS ya que como toda fitohormona, requiere una especificidad para su acción en la inducción de defensas en las plantas.

56



Se requiere una mayor indagación acerca de los mecanismos fisiológicos y genéticos que conducen a desencadenar la resistencia sistémica por efecto de la inoculación con rizobacterias PGPRs. Es necesario

realizar pruebas bioquímicas que nos proporcionen pistas sobre la señalización molecular en las plantas tratadas y testigos, para un mejor conocimiento de

dichos procesos en las plantas.

57

PERSPECTIVAS Las perspectivas en el desarrollo del proyecto son: ď‚› El

uso de Bacillus ssp. y otras cepas bacterianas

como rizobacterias inductoras de defensas en los cultivos, para reducir la incidencia de enfermedades transmisibles. ď‚› Probar

el efecto de dosis de AS y frecuencia de

aplicaciones en los cultivos.

58

Agradecimientos  Vicerrectorado  Dra.

de Investigación-UNJFSC

Doris Zúniga, Laboratorio de Microbiologia

Marino Tabusso-UNALM  Programa

Doctoral

Agricultura

Sustentable-

UNALM  Estudiantes

de la EAP Agronomía- UNJFSC.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

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DOI 10.1007/978-3-642-18357-7_2, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg.

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Egamberdieva, D. 2012. The Management of Soil Quality and Plant Productivity in Stressed Environment with Rhizobacteria. D.K. Maheshwari (ed.), Bacteria in Agrobiology: Stress Management. DOI 10.1007/978-3-642-23465-1_2, Springer-Verlag Berlin Heidelberg Calvo, P, Meneses L, Zúñiga, D. 2008. Estudio de las poblaciones microbianas de la rizósfera del cultivo de papa (Solanum tuberosum) en zonas altoandinas. Ecología Aplicada, 7(1,2), 2008.

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Para mayor información:  Sergio

Contreras Liza, MSc.  Jefe de la Oficina Central de Transferencia, Innovaciones y Publicaciones de la Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión (Huacho)  Programa Doctoral en Agricultura Sustentable UNA La Molina-Lima.  Correo: scontreras@unjfsc.edu.pe, sergio_cl2002@yahoo.com