Cómo las bacterias promueven el crecimiento y la salud de las plantas

A. Arturo Guevara García, Salvador Barrera Ortiz y Karina A. Balderas Ruíz

Las interacciones entre todos los organismos que conviven en una comunidad son diversas y complejas. Las que se establecen entre bacterias y plantas destacan por la importancia que tienen para la producción agrícola, ya que de ellas depende buena parte de la alimentación de la población humana. Las plantas, gracias al proceso de fotosíntesis [Fig. 1], son los organismos responsables de proveer de alimentos a prácticamente todos los seres vivos que habitan en la tierra. Por otra parte, las bacterias son organismos microscópicos que representan las primeras formas de vida que surgieron hace más de 3 mil 500 millones de años en el planeta. A lo largo del tiempo, las bacterias han desarrollado estrategias para convivir con las otras formas de vida que fueron surgiendo, para así poder sobrevivir en un mundo cambiante que originalmente fue solo suyo.

Algunas bacterias son fitopatógenas, es decir, causan enfermedades en las plantas y por esta razón son consideradas como enemigas, ya que dañan los tejidos vegetales causando retraso en el crecimiento y desarrollo, afectando finalmente la producción de frutos y semillas, lo que, en el caso de los cultivos agrícolas, afecta negativamente la producción causando enormes pérdidas económicas. Sin embargo, también hay bacterias que establecen relaciones benéficas con las plantas, de tal forma que promueven su crecimiento y las ayudan a tolerar el estrés ambiental causado por factores bióticos (como agentes infecciosos o plagas) y abióticos (como temperatura, falta de agua y salinidad), a cambio de esto, las bacterias reciben de las plantas algunos nutrientes que sostienen su crecimiento. Este último tipo de bacterias conforman el grupo llamado bacterias promotoras del crecimiento vegetal (BPCV), que deben considerarse amigas, no solo de las plantas, sino también de los humanos, porque como consecuencia de favorecer el crecimiento vegetal, benefician a la agricultura incrementando los rendimientos de los cultivos.

Mecanismos de las bacterias para promover el crecimiento y la salud de las plantas

Las BPCV promueven el crecimiento y la salud de las plantas a través de mecanismos directos e indirectos.

Entre los mecanismos directos están el favorecer la absorción de nutrientes esenciales para el desarrollo vegetal, como es el caso del nitrógeno -que algunas bacterias pueden asimilarlo del aire- y el fósforo -que algunas bacterias pueden solubilizar del suelo- en ambos casos haciéndolos disponibles para las plantas. Otras producen compuestos capaces de inmovilizar elementos químicos contaminantes que afectan el crecimiento de las plantas, por ejemplo, metales pesados como el plomo, el cadmio, el cobre y el arsénico -por mencionar algunos de los más abundantes- que una vez inmovilizados por las bacterias, ya no son accesibles para las plantas y no pueden dañarlas. Incluso las BPCV son capaces de producir reguladores del crecimiento vegetal (fitohormonas), que normalmente son producidos por las plantas para regular programas de crecimiento y desarrollo.

En cuanto a los mecanismos indirectos, se tiene la producción de compuestos con actividad antimicrobiana -es decir, compuestos que inhiben el crecimiento de microorganismos (bacterias y hongos)-, la producción de compuestos volátiles que en algunos casos estimulan los mecanismos propios de las plantas para defenderse de microorganismos fitopatógenos, así como la formación de biopelículas, conformadas por células bacterianas y una matriz extracelular que les permite crecer adheridas a una superficie sólida, como son la raíz, el tallo y las hojas. Se sabe que las biopelículas ayudan a las plantas a soportar condiciones de estrés abiótico, como la sequía y la salinidad, pero también funcionan como una barrera física que protege a la planta contra la invasión de agentes infecciosos.

Particularmente, las BPCV que inhiben el crecimiento de microorganismos fitopatógenos son de gran interés biotecnológico, ya que también tienen el potencial de ser utilizadas como agentes de control biológico (ACB), entendido como el uso de enemigos naturales de los agentes infecciosos, plagas o malezas que causan efectos negativos en las plantas (1). De hecho, varios ACB ya son comercializados como bioproductos (2), porque además de ser muy eficientes para el control de enfermedades, son compatibles con el ambiente. Esta cualidad es una gran diferencia entre los bioproductos y los productos químicos tradicionalmente usados para el control de plagas y enfermedades, cuyo uso indiscriminado, además de representar un peligro para la salud de los consumidores, ha causado graves problemas de contaminación de suelos y cuerpos de agua, que en estos momentos no solo limitan fuertemente la producción agrícola, sino que parecen irreparables.

Bacillus velezensis 83: una bacteria benéfica para las plantas

Una colaboración entre grupos de investigación del Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo (CIAD), en Culiacán Sinaloa, y del Instituto de Biotecnología de la UNAM, en Cuernavaca Morelos, culminó con el aislamiento de una cepa bacteriana finalmente identificada como Bacillus velezensis 83 (Bv 83), cuyo estudio en condiciones de laboratorio demostró que es un eficaz ACB contra un hongo fitopatógeno (Colletotrichum gloeosporioides) causante de la antracnosis que causa fuertes pérdidas en la producción de mango y otras especies cultivadas (Fig. 2).

La bacteria Bv 83 fue más tarde utilizada para manufacturar un producto biotecnológico comercializado en México como Fungifree AB® (3), que a lo largo de los años ha demostrado ser útil para el control de catorce especies de hongos fitopatógenos, que causan cuatro diferentes enfermedades en 26 diferentes cultivos (Fig.3) (4). El estudio de las estrategias que usa Bv 83 como ACB ha permitido conocer que la bacteria produce diferentes compuestos con actividad antimicrobiana, siendo el compuesto llamado bacilomicina D, el más abundante y efectivo para inhibir el crecimiento de hongos como C. gloeosporioides (5).

Desde su aislamiento, los estudios sobre Bv 83 han sido continuos, haciendo uso de diversas estrategias para alcanzar diferentes objetivos. Así se ha logrado demostrar que además de promover la salud de las plantas (por su actividad como ACB), también es capaz de promover el crecimiento vegetal -es decir, actuar como una BPCV-, tanto en condiciones de laboratorio (plantas crecidas en medios de cultivo en cajas Petri), como en condiciones de invernadero (plantas crecidas en suelo en macetas) (6).

El conocimiento adquirido a través del estudio de Bv 83 es amplio y diverso, sin embargo, desde el punto de vista científico, surgió el interés particular de responder la siguiente pregunta:

¿Cuál es la estrategia que usa Bv 83 para promover el crecimiento de las plantas?

Como primer paso para responderla se consideró importante conocer el genoma (conjunto de todos los genes representados en el ADN) de Bv 83, es decir, descifrar de manera muy detallada cada uno de los genes y las proteínas que produce la bacteria. Disponer del genoma de Bv 83, permitió compararlo con el de otras especies de Bacillus (B. subtilis, B. amyloliquefaciens y B. velezensis), como resultado de estas comparaciones fue posible identificar, en el genoma de Bv 83, genes involucrados en la producción de dos reguladores del crecimiento vegetal -auxinas y citocininas-, con lo que se concluyó que esta bacteria tiene el potencial para producir compuestos que regulan el crecimiento de las plantas. Con base en este resultado, surgió la hipótesis de la posible participación de estos compuestos (Fig. 3), como parte de las estrategias que usa la bacteria para actuar como BPCV. Adicionalmente, también se encontró que en el genoma de Bv 83 están presentes genes necesarios para la síntesis de algunos compuestos orgánicos volátiles (gases a temperatura ambiente), como la acetoína y el 2,3-butanodiol (Fig. 3), que también se han involucrado en la regulación del crecimiento vegetal.

Para facilitar el estudio de las interacciones de Bv 83 con las plantas, se decidió trabajar con una planta modelo, cuyo uso permite estudiar procesos biológicos complejos en condiciones experimentales muy controladas. La planta elegida, Arabidopsis thaliana (Fig. 3), es una especie vegetal utilizada como sistema modelo en numerosos laboratorios, principalmente por sus características de ser muy pequeña, tener un ciclo de vida relativamente corto (seis semanas), reproducirse fácil y eficientemente, producir una gran cantidad de semillas que se mantienen viables durante varios años, facilidad para realizar cruzas dirigidas, así como tener un genoma relativamente pequeño y totalmente conocido, las que en conjunto la convierten en la planta más estudiada alrededor del mundo. Gracias a las características descritas, los científicos han podido generar plantas de A. thaliana que portan mutaciones (cambios en la secuencia de ADN) en prácticamente todos los genes de esta planta, cuyo estudio ha permitido identificar la función y participación de cada uno de ellos en diversos procesos biológicos.

En adición a dichas mutantes, disponibles para la comunidad científica a través del “The Arabidopsis Informatic Resource” (https://www.arabidopsis.org), también se han desarrollado múltiples líneas (llamadas “reporteras”) de A. thaliana, mismas que, gracias a la observación de un compuesto fluorescente o colorido permiten monitorear la expresión (producción) de un gen en distintos órganos, así como en respuesta a diferentes compuestos, condiciones experimentales y/o estados de desarrollo. Es así que haciendo uso de mutantes y líneas reporteras, fue posible implementar una estrategia experimental que permitió investigar la participación de las auxinas y citocininas, en la capacidad de Bv 83 como BPCV.

Brevemente, los experimentos que se desarrollaron en la investigación original (6), consistieron en germinar y dejar crecer ya sea mutantes, líneas reporteras o plantas tipo silvestre (sin mutaciones) de A. thaliana durante 4 días en cajas Petri con medio de cultivo especial para plantas. Transcurrido este tiempo, se seleccionaron individuos con un desarrollo similar para someterlos a una condición de interacción con Bv 83 en tres sistemas diferentes (Fig. 4), denominados:

1. Contacto directo, en el que las plantas fueron colocadas directamente sobre el sitio de inoculación de Bv 83,
2. Difusibles, en este sistema las plantas fueron colocadas aproximadamente 3 centímetros arriba del sitio de inoculación de Bv 83, y
3. Volátiles, en donde se utilizaron cajas Petri divididas por una barrera física que impide tanto la interacción directa de la bacteria con las raíces, como la difusión de compuestos que producen tanto las plantas como Bv 83, pero sí permite que los compuestos volátiles producidos en un lado de la caja pasen (vía aérea) hacia el otro lado.

En cada uno de estos sistemas, el crecimiento de las plantas fue evaluado 6 días después del inicio de la interacción con Bv 83, tiempo en el que las plantas crecieron lo suficiente para ocupar el espacio disponible en la caja Petri.

Los resultados de esta investigación revelaron que:

1. En el sistema de contacto directo, Bv 83 es capaz de crecer formando biopelículas (lo que se observa como una especie de “gelatina”) sobre las raíces de las plantas.
2. En el sistema de difusibles, Bv 83 produjo compuestos que promueven de manera significativa el crecimiento de la raíz primaria de A. thaliana (Fig. 5).
3. Aparentemente tales compuestos difusibles son citocininas (CK), ya que la línea reportera para este tipo de compuestos mostró cambios muy claros en la coloración azul (Fig. 6), lo que los científicos conocen como “patrón de expresión”, esto es, cuánto y dónde se produce un determinado gen, que en el experimento se “sigue” por la coloración azul que produce el producto de otro gen, que se denomina “reportero”). Por su parte, el patrón de expresión de una línea reportera para auxinas no mostró cambios evidentes (Fig. 6).
4. En el sistema de volátiles, se demostró que Bv 83 también produce compuestos de naturaleza gaseosa que promueven el crecimiento de las plantas, ya que por cómo se llevó a cabo el experimento, la única manera de interacción entre la planta y la bacteria es a través de compuestos volátiles (gases). La determinación de la naturaleza química de estos compuestos es motivo de investigaciones en curso en el laboratorio.

El estudio de las interacciones benéficas entre plantas y bacterias data de muchos años, sin embargo, el conocimiento del proceso es todavía limitado y habrá de incrementarse sustancialmente en el corto y mediano plazo a través de investigaciones que involucran experimentos como los que se usaron en la investigación original (6) y que aquí se describieron de forma resumida. A mediano y largo plazo, la finalidad de este tipo de investigaciones es poder explotar el potencial que bacterias con características de ACB y BPCV, tienen para la elaboración de bioproductos que, como es el caso del Fungifree AB® elaborado a base de Bv 83, tienen la doble cualidad de mejorar la producción agrícola y ser ecológicamente amigable.

Referencias bibliográficas

1. Ordaz-Hernández A., Montesinos-Matías R., Arredondo-Bernal H.C. (2021). Agentes de control biológico: ¿Va México rumbo a una transición hacia el control biológico de plagas y enfermedades? Biotecnología en Movimiento. Revista de divulgación del Instituto de Biotecnología de la UNAM. Vol 24(2): 8-12. Disponible en: https://biotecmov.ibt.unam.mx/services/pdfDownloader.php?id=MjQqKl8qKjI=. Consulta en línea: 25 de mayo de 2021.
2. Lahlali, R., Ezrari, S., Radouane, N., Kenfaoui, J., Esmaeel, Q., El Hamss, H., Belabess, Z., Barka, E.A. (2022). Biological Control of Plant Pathogens: A Global Perspective. Microorganisms, 10: 596. DOI: https://doi.org/10.3390/microorganisms10030596
3. Fungifree AB®: el primer biofungicida desarrollado en México, con certificación orgánica y efectivo para el control de enfermedades fungales en 20 cultivos. Galindo, E., Serrano-Carreón, L., Gutiérrez, C.R., Academia de Ciencias de Morelos, A. C. Disponible en: https://acmor.org/articulos-anteriores/fungifree-ab-el-primer-biofungicida-desarrollado-en-m-xico-con-certificaci-n-org-nica-y-efectivo-para-el-control-de-enfermedades-fungales-en-20-cultivos. Consulta en línea: 25 de mayo de 2021.
4. Fungifree AB®: ficha técnica. https://www.fmcagroquimica.com.mx/producto/fungifree-ab/
5. Luna-Bulbarela, A., Tinoco-Valencia, R., Corzo, G., Kazuma, K., Konno, K., Galindo, E., Serrano-Carreón, L. (2018). Effects of bacillomycin D homologues produced by Bacillus amyloliquefaciens 83 on growth and viability of Colletotrichum gloeosporioides at different physiological stages. Biological control, 127: 145-154. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biocontrol.2018.08.004
6. Balderas-Ruíz, K. A., Bustos, P., Santamaria, R. I., González, V., Cristiano-Fajardo, S. A., Barrera-Ortíz, S., Mezo-Villalobos, M., Aranda-Ocampo, S., Guevara-García, Á. A., Galindo, E. & Serrano-Carreón, L. (2020). Bacillus velezensis 83 a bacterial strain from mango phyllosphere, useful for biological control and plant growth promotion. AMB Express, 10(1): 163. DOI: https://doi.org/10.1186/s13568-020-01101-8