Los microbios del suelo y la agricultura

 

En el suelo conviven numerosos tipos de organismos microscópicos como bacterias y hongos, que pueden ofrecer grandes beneficios. Estos microorganismos contribuyen en la formación del suelo ya que participan en la degradación de la materia orgánica y en los ciclos de elementos como el carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo, hierro, entre otros. Estas sustancias aportan a la fertilidad del suelo y son utilizados por los seres vivos en su metabolismo. Además, muchos de estos microorganismos viven alrededor de las raíces de las plantas e influyen en su crecimiento, y tienen gran importancia para los cultivos agrícolas como las leguminosas y algunos forestales. El crecimiento de las plantas es estimulado por estos microorganismos del suelo que ayudan a absorber nutrientes y las protegen o evitan el ataque de microorganismos patógenos .
   
En la actualidad, biólogos, microbiólogos y ecólogos estudian las comunidades microbianas del suelo en busca de microorganismos beneficiosos que puedan ser utilizados en la agricultura, para proteger los cultivos del ataque de plagas o enfermedades, como fertilizantes “amigos” del medioambiente (biofertilizantes), para la limpieza de ambientes contaminados (biorremediación), en la alimentación y otras industrias.
 
La importancia de los minerales y el ciclo de la materia
 
La materia que forma parte del planeta sufre numerosas transformaciones al ser utilizada por los seres vivos. Algunos minerales son asimilados por los organismos fotosintetizadores (como plantas y cianobacterias) que los incorporan a sus estructuras y órganos y utilizan para cumplir distintas funciones metabólicas. A su vez, cuando un ser vivo se alimenta de otro, incorpora esos elementos químicos a través de la cadena alimentaria, y en algún momento retornan al ambiente, ya sea al agua, suelo o aire como parte del ciclo de la materia. A través de estos ciclos y con el uso de energía, la materia se va transformando.
   
Cuando las plantas y animales cumplen sus ciclos vitales, o cuando eliminan desechos o desprenden partes de su cuerpo (hojas, por ejemplo), estos componentes son descompuestos por numerosos hongos y bacterias, y vuelven al ambiente en estructuras más simples que pueden ser reutilizados por los productores. Así los descomponedores tienen importancia no solo en la cadena alimentaria, sino en la producción de materia orgánica fértil, es decir el humus del suelo.
   
A medida que el hombre comenzó a cultivar plantas para su consumo, estos elementos del suelo se fueron extrayendo junto con las cosechas. Tras años de agricultura, para mantener la fertilidad de los suelos, se hace necesario reponer esos minerales. Es por ello que los agricultores utilizan fertilizantes químicos y de esa forma aseguran grandes rendimientos.
 
El ciclo del nitrógeno
 
El nitrógeno es uno de los minerales fundamentales para las plantas, y si bien el 80% de la atmósfera está compuesta por N2, éste no es fácilmente asimilable por los organismos. Si bien en la agricultura es costumbre utilizar fuentes de nitrógeno químico, existen microorganismos que son capaces de utilizar el nitrógeno atmosférico. A través de métodos biológicos. Ciertas bacterias y cianobacterias tienen la capacidad de llevar a cabo una reacción química mediante la cual el nitrógeno atmosférico es transformado en amoníaco. En el suelo, el amoníaco es transformado en nitritos y posteriormente en nitratos por diferentes tipos de bacterias que actúan en cada paso.
   
Las plantas sólo pueden absorber el nitrógeno del suelo disuelto en agua en forma de nitratos, y lo utilizan para formar las proteínas. Los animales en cambio, consumen nitrógeno al ingerir las proteínas de las plantas, cuyos aminoácidos participan en la formación de las propias proteínas. Cuando las plantas y animales mueren o eliminan desechos, los microorganismos descomponedores transforman los compuestos nitrogenados en amoníaco. En esta etapa las bacterias convierten el amoníaco en nitratos y una pequeña parte en nitrógeno atmosférico, con lo cual se completa el ciclo.
 
Organismos que asimilan nitrógeno atmosférico
 
 
Existen diferentes tipos de microorganismos procariotas que asimilan N2 atmosférico y lo convierten en compuestos nitrogenados fácilmente asimilables que devuelven al suelo su fertilidad. Estos seres vivos pueden estar libres, asociados o constituyendo simbiosis.
   
Ciertas bacterias ampliamente distribuidas en suelos, aguas y heces y algunas especies de algas verdeazules (cianobacterias) que se desarrollan independientemente sobre rocas y sedimentos en las costas de los cursos de aguas, fijan N2 y lo liberan al medio y éste puede entonces ser aprovechado por otros organismos.
 
Otros microorganismos, en cambio, viven asociados y pueden fijar N2 en lugares donde la concentración de oxígeno es muy baja. Un caso es el de bacterias asociadas a raíces de gramíneas o pastos, donde aprovechan azúcares y otros compuestos exudados por la planta para fijar ciertas cantidades de N2 que eventualmente son asimiladas por las plantas. Un ejemplo de estas bacterias es Azospirillum que se asocia a raíces de trigo y maíz.
 
Otras asociaciones se dan con bacterias endofitas que penetran y viven en el interior de gramíneas en los espacios intercelulares y se mueven por los vasos del xilema. Entre ellas están el Acetobacter y Herbaspirillum que se asocian con la caña de azúcar y Azoarcus capaz de asimilar N2 invadiendo las raíces de arroz.
 
Entre estos microorganismos algunas bacterias tienen gran importancia porque en determinadas condiciones sintetizan sustancias estimuladoras del crecimiento vegetal, tales como, vitaminas, ácido indolacético, ácido giberélico o citoquininas. Es por ello que se las conoce como “promotoras del crecimiento vegetal”. Además, son capaces de producir sustancias fungistáticas que inhiben el crecimiento de importantes hongos del suelo que afectan a las plantas, como Fusarium, Alternaria, Penicillium y Rhizoctonia. Esto permite que las bacterias sean usadas en planes de control biológico de patógenos (biocontrol).
 
Finalmente, hay otros tipos de microorganismos capaces de utilizar el nitrógeno atmosférico al vivir en simbiosis con otros seres vivos:
 1. Las bacterias Rhizobium que se asocian con un grupo muy grande de plantas leguminosas (chaucha, arveja, poroto, maní, lenteja, soja);
 2. Las bacterias Frankia, capaces de asociarse con más de 250 especies de plantas no leguminosas, denominadas plantas actinorrícicas que colonizan suelos pobres en nitrógeno. 
  
Existen otras asociaciones simbióticas como las formadas entre plantas vasculares y cianobacterias (algas verdeazules).
 
El caso de simbiosis Rhizobium-leguminosas
 
En la mayoría de los agroecosistemas el 80% del nitrógeno fijado biológicamente ocurre a través de la simbiosis entre bacterias Rhizobium y plantas leguminosas. La asociación se inicia con el proceso de infección, cuando las bacterias reconocen las raíces de las plantas. La bacteria atraviesa las paredes de las raíces llegando al interior de las células vegetales dónde forma unas estructuras llamadas nódulos. Estos nódulos constituyen el hogar de las bacterias y es donde se realiza la reacción química a través de la cual el N2 atmosférico es convertido en amonio que es luego exportado al tejido vegetal para la formación de proteínas y otros compuestos nitrogenados. Por su parte, la glucosa fabricada por la planta durante la fotosíntesis es transportada a la raíz donde las bacterias la usan como fuente de energía. De esta relación ambos organismos (planta y bacteria) se benefician.
   
Simbiosis Rhizobium-leguminosa. Fuente: http://web.educastur.princast.es/
 
Aplicaciones de las bacterias fijadoras de nitrógeno y promotoras del crecimiento
 
Con el avance del conocimiento, el hombre comenzó a utilizar estos microorganismos y asociaciones beneficiosas como la de las bacterias y leguminosas. En la actualidad, los agricultores, además de rotar los cultivos, emplean microorganismos como biofertilizantes, y aplican métodos de biocontrol para proteger a las plantas contra el ataque de patógenos, plagas y malezas.
   
Biofertilizantes: La bacteria Rhizobium es una de las utilizadas como biofertilizante para facilitar la asimilación de nitrógeno en los cultivos de leguminosas. Esta bacteria es un habitante común en los suelos agrícolas. Sin embargo, para aumentar su población y, en consecuencia, la capacidad de fijación de nitrógeno atmosférico, los agricultores agregan a las semillas, antes de la siembra, una mezcla de bacterias Rhizobium y otros ingredientes que facilitan su crecimiento. Esta práctica tiene grandes beneficios ambientales ya que al favorecer la fijación simbiótica de nitrógeno, disminuye la necesidad de aplicar fertilizantes nitrogenados y la contaminación por nitrógeno asociada al empleo de estos productos. En la Argentina existen varias empresas e institutos públicos que trabajan en investigación y desarrollo de estas bacterias beneficiosas, con el objetivo de mejorar la eficiencia de fijación de nitrógeno. También se estudia la posibilidad de inducir simbiosis beneficiosas en otros cultivos como el arroz y el maíz a través de técnicas de ingeniería genética.
  
Biocontrol: Los métodos de control biológico de plagas y enfermedades buscan proteger a las plantas mediante el uso de microorganismos que compitan por los nutrientes con los patógenos o directamente otorguen resistencia a las plantas, por ejemplo al producir antibióticos. Desde hace más de un siglo, la bacteria de la familia Azotobacter es usada con este objetivo en agricultura, observándose notables incrementos en los rendimientos en diferentes cultivos, principalmente en cereales. También las bacterias del género Bacillus y Streptomyces han resultado muy eficaces en el control de enfermedades. Estas bacterias producen una amplia variedad de sustancias con capacidad antimicrobiana.
El Bacillus thuringiensis (BT) es un agente de biocontrol que representa el 90% del mercado mundial de bioinsecticidas. Cuando forma esporas también produce unos cristales constituidos por proteínas que tienen propiedades insecticidas. Esas endotoxinas forman parte de formulaciones comerciales de bioinsecticidas. Se han obtenido plantas transgénicas, como el maíz BT, que contienen el gen de estas proteínas insecticidas, y en consecuencia resisten al ataque de los insectos. Es decir que la misma planta produce el insecticida específico, lo que reduce la necesidad de empleo de productos químicos insecticidas.
Actualmente, cerca de 40 productos están disponibles en el comercio para el control de organismos fitopatógenos. La mayoría de estas bacterias producen antibióticos como mecanismo de control de la enfermedad, pero se sigue investigando con el fin de diseñar nuevos productos biotecnológicos para el control biológico de patógenos en la agricultura.
 
La micorriza, otra asociación beneficiosa para la agricultura
 
Ciertos hongos del suelo conviven con las raíces de plantas vasculares formando una asociación mutualista llamada micorriza. En realidad, según descubrieron los científicos, el 90% de las plantas terrestres realizan este tipo de asociación con grandes beneficios. Las micorrizas pueden clasificarse en ectomicorrizas y endomicorrizas, según la relación del hongo con las células de las raíces de la planta.
En las ectomicorrizas el hongo invade la raíz sin entrar en el interior de las células. Por el contrario en las endomicorrizas el hongo invade el interior de las células de la raíz. Este último tipo de micorrizas es muy frecuente y está extendido en todo el planeta. Se la encuentra en la mayoría de los árboles de las zonas tropicales y algunos árboles de bosques templados, como el arce y el fresno, y algunas coníferas como la araucaria. La mayoría de las plantas arbustivas y herbáceas también poseen este tipo de asociación, y casi la totalidad de las plantas cultivadas. Un tipo particular de endomicorriza, la micorriza arbuscular, es la más abundante en los sistemas tropicales.
Las plantas se benefician con esta asociación, la cual favorece su reproducción, supervivencia y producción de biomasa. El hongo, al invadir las células de las raíces, actúa como extensiones de las mismas y facilitan la toma de agua y nutrientes poco disponible. Por otro lado, protegen a las plantas de la falta de agua y de patógenos del suelo, haciéndolas más fuertes y competitivas que otras plantas.
Los hongos que forman asociaciones simbióticas con las plantas no pueden ser cultivados en laboratorio. Es por ello que cuando los agricultores quieren aumentar la población de micorrizas en un cultivo de interés, agregan al suelo las mismas raíces de plantas micorrizadas mezcladas con la tierra donde crecen.

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