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I+D+i

Nuevas perspectivas en el mundo de los bioestimulantes microbianos

Nuevas perspectivas en el mundo de los bioestimulantes microbianos

El término microbioma ha supuesto un cambio de paradigma, ya que no solo hace referencia a los diferentes grupos microbianos presentes o las distintas familias de microorganismos dentro de estos grupos, sino que también incluye el material genético de estos organismos y por lo tanto las distintas funcionalidades que son capaces de poner al servicio del hospedador. En este artículo se plantean las relaciones entre los distintos grupos microbianos y sus posibles efectos sobre las plantas.

David de Hita Mejía. Doctor en Biología Ambiental. Colaborador del grupo BACh del Departamento de Biología Ambiental del centro BIOMA de la Universidad de Navarra.

Los microorganismos aparecieron en la Tierra hace al menos 4.000 millones de años. Los primeros millones de años de su evolución se dieron en ambientes acuáticos y han sido los primeros seres conocidos en dar el primer “paso” a tierra firme. Estos organismos se han adaptado y diversificado de todas las formas posibles, lo que explica su importancia capital en los principales ciclos biogeoquímicos como el ciclo del nitrógeno (son capaces de convertir/fijar el nitrógeno atmosférico), el ciclo del carbono (principales descomponedores de materia orgánica) o el ciclo del fósforo (solubilizando el fósforo del suelo).

Al ser los primeros colonizadores de la tierra firme han contado con la ventaja de tener más tiempo para adaptarse a cualquier medio. Es por esto que, cuando las primeras plantas y los primeros animales conquistaron la superficie terrestre, los microorganismos ya estaban ahí y comenzaron a convivir unos con otros. Esta convivencia entre plantas o animales y microorganismos podía formarse mediante relaciones de tipo negativo, causando enfermedades. Sin embargo, se estima que la colonización del medio terrestre por parte de las primeras plantas hubiera sido prácticamente imposible sin una estrecha relación con los microorganismos del suelo, tanto hongos como bacterias.

Figura 1. Algunas de las principales funciones PGP de los microorganismos en una planta.

Es más, hoy día se considera que el 95% de las plantas superiores necesitan de la micorrización para su desarrollo óptimo. Incluso recientes estudios basados en las nuevas técnicas de secuenciación masiva nos han demostrado que los seres vivos pluricelulares son en sí mismos un ecosistema de microorganismos, en su mayoría beneficiosos, cuidadosamente evolucionado mediante una estrecha relación hospedador-huésped. Como resultado, se ha acuñado un nuevo término para este conjunto de microorganismos viviendo en un ser pluricelular: el microbioma.

El término microbioma ha supuesto un cambio de paradigma, ya que no solo hace referencia a los diferentes grupos mi­crobianos presentes (hongos, bacterias, arqueas, virus o protozoos) o las distintas familias de microorganismos dentro de estos grupos (rizobacterias, Bacillus, hongos micorrícicos, etc.), sino que también incluye el material genético de estos organismos y por lo tanto las distintas funcionalidades que son capaces de poner al servicio del hospedador. Estas funcionalidades (figura 1) pueden ser, entre otras, su capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico, la solubilización de fosfatos, la producción de hormonas vegetales, la producción de compuestos antimicrobianos, la solubilización de micronutrientes como el Fe, Co o Mn e incluso su participación en el sistema inmune de la planta.

Además, el microbioma tiene una implicación aún más profunda: las relaciones entre los distintos grupos microbianos. Estas relaciones entre los microorganismos de un microbioma son muy similares a las observadas en cualquier ecosistema macrocelular, encontrando relaciones de competencia, depredación, simbiosis o parasitismo. Además, dentro de este microbioma se van a poder detectar microorganismos especialmente importantes (microbial hubs) por su interrelación con otros. Estos microorganismos funcionan como semáforos dentro del microbioma y pueden modificar partes importantes del mismo según las condiciones que se presenten.

Como vemos, la importancia de los microorganismos dentro de una planta se multiplica dentro de esta comu­ni­dad/mi­crobioma. Así pues, no sólo es importante conocer qué microorganismos tienen la capacidad de promover el crecimiento ve­getal (los llamados microorganismos PGP, por las siglas en inglés de Plant Growth Promoters), sino que también a aquellos que sin tener “habilidades especiales” son capaces de beneficiar, perjudicar o controlar a estos PGP y por lo tanto influir en el estatus nutricional y desarrollo de la planta.

¿Biofertilizantes o bioestimulantes?

Habitualmente encontramos estos dos tipos de productos que favorecen el crecimiento de las plantas y que están o pueden estar basados en el uso de microorganismos. Estos términos tan similares llevan a confusión a la mayoría, sobre todo cuando el tipo de microorganismo usado es similar o incluso el mismo.

Mejora en el peso de cien aceitunas tras el uso de un bioestimulante basado en consorcios bacterianos como Probital.

Los biofertilizantes son definidos como formulaciones conformadas por células microbianas vivas (una o varias cepas) que son capaces de favorecer el crecimiento vegetal y su producción al mejorar/facilitar la disponibilidad y adquisición de nutrientes1. Por lo tanto, el impacto de estos productos será principalmente nutricional en la planta, incrementando la cantidad de nitrógeno, fósforo, hierro, zinc o potasio, entre otros elementos.

El enfoque de uso de estos productos para un agricultor va a ser en situaciones de estrés nutricional, que es cuando mejor funcionan este tipo de productos, o en situaciones de limitación de uso de fertilizantes tradicionales. Estas prohibiciones se prevén cada vez más frecuentes, especialmente en zonas con alta intensidad de producción y bajos recursos hídricos, ya que son terrenos mucho más sensibles a la aparición de problemas relacionados con el exceso de fertilización como la eutrofización de aguas estancadas, la contaminación de acuíferos subterráneos o la alta emisión de gases de efecto invernadero (óxido nitroso, principalmente).

Por el contrario, los bioestimulantes tienen una definición más laxa y que en general no se circunscribe solamente al uso de microorganismos, incluyendo en esta categoría a las sustancias húmicas, los extractos de algas/plantas, el quitosano o los hidrolizados de proteínas.

La definición de qué es o no es un bioestimulante y para qué sirve o no sirve es un debate en activo, y su importancia no es menor, ya que tiene su eco en la normativa que se ha de aplicar para su desarrollo, así como en sus estándares de calidad y de eficacia. Esta definición es cambiante entre los distintos mercados a los que se destinan estos productos, habiendo países (principalmente en América Latina) con regulaciones más laxas y otros, como la Unión Europea, que son muchos más restrictivos a la hora de considerar qué es un bioestimulante y cómo comercializarlo.

Según la reciente propuesta de la Unión Europea, la definición sobre qué es un bioestimulante vegetal estipula lo siguiente: “un bioestimulante vegetal será cualquier producto que estimule los procesos de nutrición vegetal, independientemente del contenido nutricional del producto, con el objetivo de mejorar una o más de las siguientes características: eficiencia de uso de nutrientes, tolerancia a estrés abiótico, la calidad de los cultivos o la disponibilidad de nutrientes confinados en el suelo y la rizosfera”. Esta regulación además especifica que este tipo de productos han de demostrar los efectos sobre los cultivos que se describan en la etiqueta.

Bajo esta definición y enmarcado en la reciente regulación europea2, los bioestimulantes basados en inóculos microbianos tendrían como fin su uso para cuatro supuestos:

  • El aumento de la eficiencia de uso de los nutrientes (NUE, por sus siglas en inglés). Esto es, su capacidad para utilizar eficientemente la cantidad de fertilizantes tradicionales aplicados en un terreno. Esta característica puede ser interesante para los agricultores que deseen reducir las unidades fertilizantes (y su coste asociado) en cultivos de bajo valor añadido (cereales principalmente) o para aquellos que tienen cultivos de alto valor añadido y que buscan aumentar su productividad.
  • Incrementar la disponibilidad de nu­trientes poco solubles en el suelo, especialmente en la rizosfera, que es la región del suelo más cercana a la raíz de las plantas y dónde realmente se realiza el intercambio de nutrientes.
  • El aumento de la tolerancia a estrés abiótico como, por ejemplo: la sequía, el exceso de salinidad, temperaturas extremas o el exceso de humedad. Este tipo de estreses reducen habitualmente el rendimiento de la producción de los cultivos, además de tener un gran impacto en la calidad de la misma, reduciendo aún más el beneficio del agricultor.
  • Mejorar los rasgos de calidad de la producción (cantidad de grano, porcentaje de proteínas del grano, cantidad de frutos, porcentaje de azúcares del fruto, calibre del fruto, etc.).

Como podemos ver dentro de estos cuatro supuestos mencionados los dos primeros estarían más ligados al uso principal de los llamados biofertilizantes, mientras que, los dos últimos serían el ni­cho de uso de los llamados bioestimulantes microbianos. Estos productos por lo tan­to estarán más enfocados a mejorar la ca­lidad de los cultivos o su producción en condiciones subóptimas y/o de estrés abiótico.

Hacia dónde va el diseño de nuevos bioestimulantes

El uso de los bioestimulantes microbianos, si bien ha ganado popularidad en los últimos años, no es completamente nue­vo, ya que a finales del siglo XIX ya se aconsejaba sembrar semillas de leguminosas mezcladas con suelo “naturalmente inoculado” o se comenzaban a producir cepas de rizobacterias. Desde entonces, el planteamiento generalizado a la hora de producir bioestimulantes microbianos ha sido la búsqueda de cepas, tanto fúngicas como bacterianas, que posean rasgos PGP y que por lo tanto incrementen la producción vegetal.

Generalmente, la búsqueda de cepas se ha realizado in vitro, de manera más o menos dirigida al objetivo final, para luego caracterizar las cepas más relevantes. Por último, se realizan pruebas en ambiente controlado con el objetivo de contrastar el potencial observado de estas últimas. El resultado de este proceso cuando finalmente se aplica el producto en condiciones reales ha sido más o menos exitosa dependiendo del tipo de microorganismos (hongo o bacteria), de la cepa en cuestión, del cultivo, el tipo de suelo, condiciones meteorológicas y un sinfín más de variables que en muchas ocasiones son incontrolables o directamente infravaloradas.

Comparativa entre un cultivo testigo de ajo afectado por esclerotina y un cultivo previamente tratado con Tusal, un bioprotector basado en un consorcio de cepas del mismo microorganismo.

El uso de estos productos basados en un solo microorganismo generalmente adolece de poca repetibilidad entre zonas y campañas de cultivo, por lo tanto, una estrategia que se ha venido practicando en las últimas dos, quizá tres, décadas es el uso de consorcios microbianos. Estos consorcios pueden estar conformados por microorganismos diferentes pero que mantengan una función similar. Esta redundancia de su funcionalidad favorece una mayor estabilidad en el mecanismo de acción de estos productos e incrementa su reproducibilidad entre tipos de cultivo, zona de cultivo y campaña de siembra/cosecha.

Actualmente esta es la estrategia mayoritaria en los bioestimulantes microbianos comercializados en España y Europa, y es por ello que productos como la gama Probital (Timac Agro) han apostado por este enfoque al crear un cóctel de diferentes bacterias que redundan en una función y en un momento de aplicación concretos para un crecimiento efectivo del cultivo. Por otro lado, los consorcios pueden estar compuestos por varias cepas de un mismo microorganismo, lo que refuerza la efectividad del producto en mayor diversidad de condiciones que cuando sólo se aplica una única cepa. Un buen ejemplo, aunque es un consorcio aplicado a la bioprotección de cultivos, es Tusal (Timac Agro). Este producto combina dos cepas diferentes de Trichoderma.

No obstante, esta estrategia aún presenta resultados diversos cuando se amplía el espectro de uso de estos productos. Por ello, una nueva generación de productos comienza a ver la luz con la intención de ser productos más personalizados para cada cultivo, condición am­biental, suelo, momento fenológico de la planta, modo de aplicación, etc. Esta nueva gama de productos se está basando en el nuevo concepto que explicábamos más arriba: el microbioma. Este concepto conlleva un cambio tremendo en la mentalidad a la hora de desarrollar nuevos bioestimulantes basados en inóculos microbianos, pues busca imitar de forma simplificada la estructura de la comunidad microbiana que porta una planta o favorecer un cambio en la comunidad para que se dé la respuesta buscada.

Este tipo de productos basados en el conocimiento de los microbiomas son las llamadas comunidades sintéticas (SynComs). Estos productos pueden estar conformados por más de veinte microorganismos diferentes, e incluso hay SynComs experimentales que alcanzan las 120 especies microbianas. Su principal característica es la redundancia de los rasgos PGP entre sus componentes. En estas comunidades sintéticas la ratio de supervivencia de los inóculos en campo es mucho mayor, ya que son microorganismos capaces de competir con la vida microbiana previamente presente en la planta/suelo y por ende su establecimiento y colonización de la planta es mucho más efectivo.

Estas particularidades de las comunidades sintéticas hacen que su reproducibilidad sea mayor a la vez que se ve facilitada su especificidad, ya que se puede “jugar” con las diferentes proporciones de cada una de las cepas, así como con las condiciones de aplicación. Es importante tener en cuenta, que algunos componentes de estas comunidades pueden no tener rasgos PGP pero sí favorecer, mediante sinergia, la actividad PGP de otros componentes de estas.

Ejemplo de proceso de selección de microbiomas para un bioestimulante basado en comunidades sintéticas (SynComs).

La I+D de este tipo de productos está altamente especializada y requiere de nuevas técnicas de estudio para hacer de esta herramienta algo realmente efectivo. Algunas de estas técnicas son el análisis del microbioma mediante secuenciación masiva y bioinformática, lo que permite identificar los microorganismos y detectar aquellos más importantes y mejor conectados dentro de la comunidad; o la culturómica o cultivo masivo y altamente especializado de estos microorganismos y sobre todo el proceso de enriquecimiento y selección de los microbiomas mejor adaptados a cada situación. En este último punto las empresas más innovadoras están enfocando sus esfuerzos en el aumento del pool de microorganismos disponibles. Este proceso puede enfocarse de distintas formas según el objetivo de la SynCom que se busque preparar (figura 2).

Si lo que se busca es una comunidad sintética que mejore únicamente la producción en condiciones óptimas el proceso irá discriminando y seleccionando sólo aquellos microbiomas de las plantas más grandes, sanas o con mayor producción. En cambio, si el objetivo principal es usar el bioestimulante en condiciones de un estrés (en este caso no importaría si este es abiótico o biótico) lo que se seleccionará serán los microbiomas de las plantas más resistentes a dicho estrés. Este proceso, tras unas pocas “generaciones” permite obtener una comunidad microbiana plenamente optimizada y adaptada para el objetivo que previamente se de­terminó.

Como vemos, estos nuevos productos basados en comunidades microbianas exigen un gran esfuerzo económico y su desarrollo es complejo debido a la multitud de tecnologías que se requieren para obtener un conocimiento práctico. Ade­más, aún quedan por depurar otros problemas asociados al uso general de inóculos microbianos como son la supervivencia de los microorganismos (especialmente los Gram – y las especies poco abundantes), el mecanismo o modo de liberación en campo, el almacenaje del producto o las posibles regulaciones a su uso. Por esto, cabe mencionar una alternativa que comienza a contemplarse en este sector de la bioestimulación: el uso de bioestimulantes microbianos no basados en inóculos.

Es bien sabido que parte del efecto bioestimulantes de los microorganismos es otorgado por biomoléculas efectoras que activan mecanismos fisiológicos, hormonales y enzimáticos en las plantas. Por lo tanto, el uso de extractos microbianos en los que esté presente este cóctel de biomoléculas estimulantes del crecimiento vegetal es una opción viable. Este tipo de producto es capaz de sortear alguna de las limitaciones observadas en el uso de inóculos, como puede ser la superviencia o mejorar el tiempo de almacenaje.

Conclusión

Como se puede deducir de lo visto más arriba, el conocer más sobre el microbioma de las plantas va a ser vital para el diseño de soluciones más específicas y eficientes para cada cultivo (e incluso variedad vegetal), tipo de suelo o condiciones ambientales que puedan estresar a la planta y reducir su rendimiento (tanto patógenos como meteorológicas). Igual­men­te, es de suma importancia una regulación más unificada de este tipo de productos pues va a permitir una mayor cuota de mercado y por ende una mayor inversión en el desarrollo de estas nuevas soluciones agrícolas.

No obstante, estos productos distan de ser una solución única a los retos a los que se enfrenta la agricultura actual. Ideal­mente, la agricultura del futuro debe de ser capaz de hacer más con menos y además ser sostenible desde un punto de vista ecológico, pero también económico. Por todo esto, la I+D dirigida a los bioestimulantes ha de tomar en cuenta las prácticas agrícolas ya dominantes, incrementar la vida media de los inóculos y simplificar el almacenaje de estos, así como a estandarizar los procesos para reducir la relación coste-beneficio tanto de su producción como de su venta al usuario final: el agricultor.