Respuesta de Glycine max a Azospirillum lipoferum y Rhizobium etli a dosis 50 % de fertilizante nitrogenado

Response of Glycine max to Azospirillum lipoferum y Rhizobium etli at 50% dose of nitrogen fertilizer

Santoyo-Pizano Gustavo¹, Ignacio-Cruz Juan Luis¹, Vargas-Hernández Martha Elizabeth¹, Gallegos-Morales Gabriel², Sánchez-Yáñez Juan Manuel¹*

¹Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Rio C.P. 58000, Morelia, Mich., México. Laboratorio de Microbiología Ambiental, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Ed-B3 C.U.
²Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. Departamento de Parasitología. Calzada Antonio Narro Núm. 1923. Buenavista, Saltillo, Coahuila de Zaragoza, México. C. P. 25315. Tel: (844) 411-03-26. E-mail gabgalmor@yahoo.com.mx

Juan Manuel Sánchez-Yáñez¹ E-mail address : syanez@umich.mx

Historial del artículo. 

Recibido febrero, 2018.
Devuelto junio 2018
Aceptado junio, 2018.
Disponible en línea, agosto, 2018.

Resumen

Palabras clave: Suelo, FENI, Glycine max, Azospirillum lipoferum, Rhizobium etli, exudados radicales, fitohormonas.

Abstract

The production of Glycine max (soybean) demands nitrogenous fertilizer (NIFE), as a NH₄NO₃ (ammonium nitrate) to supply its N demand, which when is applied in excess causes lost soil`s productivity. An alternative for this problem is to reduce and to optimize NIFE, with inoculants based in genus and species of plant growth promoting bacteria (PGPB). The aim of this research was to analyze G. max response to Azospirillum lipoferum and Rhizobium etli at 50% dose of NIFE. In that sense experimental was conducting by 5 treatments with NIFE at 100% and 50% doses for G. max inoculated with PGPB, response was based on its phenology: plant height (PH) and root length (RL) and its biomass: shoot fresh weight (SFW), root fresh weight (RFW), shoot dry weight (SDW), root dry weight (RDW). Experimental data were analyzed by ANOVA and Tukey HSD p<0.05%. Results indicated a positive respond of G. max with A. lipoferum and R. etli at seedling level was registered 0.90 g of SDW, this numerical value was statistically different than 0.16 g of SDW of G. max not inoculating, fed with mineral solution with 100% of NIFE dose, used as relative control (RC). At level of flowering G. max responded to A. lipoferum and R. etli  registered 3.17 g of RFW this numerical value was statistically different compared to 1.79 g of RFW of G. max or RC. This data suggests that the positive respond of G. max was due to both PGPB able to transform radical exudates in phytohormones to improve radical absorption of N and optimize NIFE reduced at 50% dose, showing health growing and at the same preventing soil`s lost productivity.

Key words: Soil, NIFE, Glycine max, Azospirillum lipoferum, Rhizobium etli, root exudates, phytohormones.

Introducción

La leguminosa Glycine max (soya), tiene un alto valor nutricional, en México la zona relacionada, su producción anual asciende a 400000 ton/ha (SIAP-SAGARPA 2016), generando una demanda de N (nitrógeno) como fertilizante nitrogenado (FENI), NH₄NO₃ (nitrato de amonio), aplicado en exceso provoca la rápida degradación de la materia orgánica del suelo, con la consecuente disminución de la productividad (Isbell et al. 2013). En el suelo una alternativa de solución que evite la hiperfertilización nitrogenada, es la inoculación de G. max con géneros de bacterias o microorganismos promotores de crecimiento vegetal (BAPOCEVE) o MICROCEVE) (Armenta-Bojórquez et al. 2010): como el género fijador simbiótico de N₂: Bradyrhizobium japonicum que en G. max permite un crecimiento sano a dosis regulada de FENI, no obstante, en función del origen de B. japonicum se inducen nódulos, que no son necesariamente eficaces para incorporar el N₂ como una fuente sustituta del FENI, para asegurar un sano crecimiento de G. max, en cuyo caso se recomienda inocular un Rhizobium etli del grupo conocido como de inoculación cruzada en las leguminosas, y que también puede ser benéfico para G. max, en combinación con un fijador libre de N₂ libre como: Azospirillum lipoferum (Loredo-Osti et al. 2004) u otra clase de MICROCEVE, como es el caso de géneros y especies de hongos micorrizicos versículo arbusculares (HMVA) que favorezcan una mayor absorción del FENI, e incluso del fertilizante del fosforo (P) como PO₄^-3 (FEPO) en especial cuando se reduce al 50%, puesto que los exudados radicales de G. max contienen suficientes fuentes de C (carbono) y N orgánico, que pueden ser transformados en sustancias promotoras de crecimiento vegetal (SUPOCEVE) o fitohormonas (Matiru & Dakora 2004), compuestos que inducen una mayor absorción radical del N y con ello la optimización del FENI y/o FEPO reducido al 50%, sin afectar el sano crecimiento vegetal. Con base en lo anterior se han realizado investigaciones para mejorar la producción de G. max mediante el empleo de inoculantes a base de BAPOCEVE o MICROCEVE, bajo un esquema de agricultura sustentable, que explota el recurso suelo como el vegetal sin prejuicio de ambos o del ambiente (Armenta-Bojórquez et al. 2010). Como lo prueban las siguientes investigaciones: Uhrich & Benintende 2005 analizaron la respuesta positiva de G. max a B. japonicum y Azospirillum brasilense a nivel de campo. Los resultados mostraron un incremento de un 29% en el peso seco radical (PSR), en comparación con G. max sin inocular con BAPOCEVE a la dosis de FENI al 100% o control relativo (CR). De la misma Hernández 2008 reporto la respuesta positiva de G. max a la inoculación con Glomus hoi like y B. japonicum a dosis reducida de FENI y FEPO. Los resultados mostraron que ambos microorganismos mejoraron absorción del N y P, con un rendimiento mayor al comparado con G. max sin inocular y con las dosis recomendada de N y P. Mientras que Benintende et al. 2010 reportaron la respuesta positiva de G. max a B. japonicum y A. brasilense a dosis regulada de FENI. Los resultados mostraron G. max con ambas BAPOCEVE incrementaron hasta un 30% de crecimiento vegetativo, en contraste con G. max sin inocular usado como CR a la dosis 100% del FENI. En tanto que Corbera-Gorotiza & Nápoles-García 2013 reportaron la respuesta positiva de G. max tratado con Bradyrhizobium elkanii y un HMVA a dosis regulada del FENI y FEPO. Encontraron un incremento en el rendimiento de G. max inoculado con los MICROCEVE comparado con G. max alimentada exclusivamente con la dosis recomendada del FENI y FEPO. Sin embargo los HMVA tienen algunos inconvenientes para la inoculación de semillas de G. max, debido a que pierden rápidamente la viabilidad contra factores bióticos y abióticos. Por lo anterior podría ser más útil emplear géneros y especies de BAPOCEVE, con especial resistencia a factores ambientales que limitan la actividad positiva de otro de MICROCEVE como los HMVA, para la eficaz absorción y optimización radical del FENI en específico cuando se reduce al 50% de acuerdo con la literatura disponible (Uhrich & Benintende 2005, Hernández 2008). Por lo que el objetivo de este trabajo fue analizar la respuesta de Glycine max a, A. lipoferum, Azospirillum lipoferum y Rhizobium etli a la dosis 50% de FENI.

El experimento se realizó en el invernadero de 10 x 4 m² del Laboratorio de Microbiología Ambiental del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas de la UMSNH, Morelia, Mich, México. La temperatura promedio fue de 23.2 °C, luminosidad de 450 μmol·m^-2·s^-1, humedad relativa de 67%, se regulo mediante un sistema automático de control ambos factores ambientales (Matallana & Montero 2001). Para este ensayo se utilizó un suelo arcilloso de tipo Vertisol con un historial de 20 año en producción de trigo/garbanzo un pobre en materia orgánica y N mineral, que se solarizó para minimizar el problema de plagas y enfermedades, posteriormente se tamizó con una malla del No 20 y en el invernadero se usaron insecticidas a base de extracto vegetales de canela y ajo para el control fitosanitario (Duke 1990).

Las semillas de G. max fueron donadas por la Secretaria y Agricultura y Recursos Hidráulicos (SIAP-SAGARPA 2016), estas semillas se desinfectaron con NaClO (Hipoclorito de sodio) al 3% (v/v) por 5 min y se enjuagaron 6 veces con agua estéril, después se desinfectaron con alcohol al 70% (v/v) por 5 min y se lavaron 5 veces con agua estéril (García-González et al. 2005). Posteriormente en bolsa de plástico de 250 g las semillas de G. max se inocularon con 2.0 mL de A. lipoferum, R. etli de manera individual y/o en mezcla, ambos casos se dejaron por 24 h. A. lipoferum se aisló de raíces de Zea mays var mexicana (teocintle) en agar NFM (nitrogen free medium) (Döbereiner & Day 1974) mientras que R. etli se recuperó de nódulos de Medicago sp en agar manitol rojo congo (Peña-Cabriales & Alexander 1981, Sánchez-Yáñez 2007). Ambos géneros de BAPOCEVE pertenecen a la colección del laboratorio de Microbiología Ambiental del IIQB-UMSNH, en Morelia, Mich, México. Para este ensayo se seleccionó un 1 kg de suelo degradado y compactado con un historial agrícola de 20 años de cultivo intensivo de gramíneas (maíz-trigo, maíz-cebada), de textura arcillosa con un bajo contenido de materia orgánica de 1.5% y pobre N-orgánico pobre con 39 kg/ha, con un pH 6.7 (ligeramente acido), ubicado a los 19° 39´27´´ de latitud norte y 101° 19´ 59´ de longitud oeste, con temperatura media anual de 17.3 °C y precipitación anual de 796.4 mm, en un terreno agrícola denominado “La Cajita” de la Tenencia Zapata del Municipio de Morelia, Mich., México, ubicado en el km 5 de la carretera Morelia-Pátzcuaro. Este kg de suelo se colocó en la parte superior del sistema hidropónico conocido como jarra de Leonard mostrado en la figura 1, ahí se sembraron 4 semillas de G. max, mientras que el agua, o la SOMI con el FENI reducido al 50%, que se colocó en la parte inferior, ambas partes se conectaron por una tira de algodón de 15.0 cm. La SOMI con el FENI  para alimentar G. max se preparó con la siguiente composición química (g/L): NH₄NO₃ 12.0, KH₂PO₄ 3.0, K₂HPO₄ 3.5, MgSO₄ 1.5, CaCl₂ 0.1, FeSO₄ 0.5 mL/L, y un 1.0 ml/L de la solución de oligoelementos: (g/L), H₃BO₃ 2.86, ZnSO₄ 7H₂O 0.22, MnCl₂ 7H₂O 1.81, K₂MnO₄ 0.09, a pH  ajustado a 7.0, en agua destilada, mientras que el NH₄NO₃ o FENI se redujo al 50% equivalente a 6 g/L (García-González et al. 2005).

En la Tabla 1 se indica el diseño experimental con 5 tratamientos y 7 repeticiones para analizar la respuesta de G. max a la inoculación con A. lipoferum y R. etli a nivel de plántula y floración con la dosis del FENI reducido al 50%, mediante las variables-respuesta basados en la fenología: la altura de planta (AP), longitud de raíz (LR), y en la biomasa: el peso fresco aéreo (PFA) y radical (PFR), para el peso seco aéreo (PSA) y radical (PSR), G. max se secó en horno a 40 °C/48 h (Sánchez-Yáñez 2007). Los datos experimentales fueron sometidos al análisis de varianza ANOVA mediante la prueba comparativa de medias de Tukey HSD P<0.05% (García-Villalpando et al. 2001).

Resultados

En la Tabla 2, se muestra la respuesta de G. max la doble inoculación con A. lipoferum, R. etli a dosis 50% a nivel de plántula, que alcanzó 38.7 cm de altura de planta (AP) y 42.2 cm de longitud radical (LR); ambos valores numéricos fueron estadísticamente diferentes comparados con los 30.1 cm de AP y los 15.7 cm de LR en G. max sin inocular alimentada con la dosis 100% del FENI, referido como CR. En relación a la biomasa de G. max inoculada con la mezcla de amabas BAPOCEVE registró 5.62 g de PFA y 1.96 g de PFR; estos valores numéricos tuvieron diferencia estadística respecto a los 1.26 g de PFA y 0.66 g de PFR en G. max usado como CR. En tanto que G. max con A. lipoferum y R. etli registro 1.80 g de PSA y 0.75 g de PSR ambos valores numéricos tuvieron con diferencia estadística comparado con los 0.63 g de PSA y 0.09g de PSR de G. max empleado como CR.

En relación a la biomasa G. max inoculada con los dos géneros y especies de BAPOCEVE se registraron: 14.33 g de PFA y 12.49 g de PFR, ambos valores numéricos que tuvieron diferencia estadística comparados con los 9.54 g de PFA y 4.50 g PFR de G. max empleado como CR. En tanto que G. max inoculada con A. lipoferum y R. etli mientras que G. max con la doble inoculación con las BAPOCEVE registraron 3.90 g de PSA y 2.44 g de PSR ambos valores numéricos tuvieron diferencia estadística respecto a los 1.85 g de PSA y 1.04 en PSR de G. max referido como CR.

Discusión

Los valores numéricos reportados en la Tabla 2 basados en los datos de la fenología y biomasa de G. max con A. lipoferum y/o R. etli a nivel plántula, sugieren que el incremento de la AP y LR, está asociado con el hecho de que los dos géneros y especies de BAPOCEVE empleados, tienen capacidad genética de convertir los exudados radicales de G. max como los ácidos orgánicos y aminoácidos del tipo del triptófano en SUPOCEVE o fitohormonas del tipo de la auxina, que mediante la inducción de la mitosis y cariocinesis del tejido radical, favorecen una acelerada y general proliferación de un elevado número de raíces laterales, para aumentar el área de exploración de esos pelos que mejoraron la mayor absorción de la raíz por el N, lo que consecuentemente optimizo el FENI reducido al 50% (Askary et al. 2009, Benintende et al. 2010), en ese sentido se observó que el sistema radical de G. max fue más denso debido a la constante acción fitohormonal, derivada que tanto de A. lipoferum, como R. etli que poseen diferente capacidad genética en la conversión de los exudados de raíces, en una amplia variedad de fitohormonas, lo que  mantuvo el incremento gradual del peso fresco y seco de G. max con la doble inoculación con A. lipoferum y/o R. etli, que mostraron que este género bacteriano vive como endófito en las raíces de G. max, y que además también tienen la capacidad de convertir los metabolitos derivados de azucares de la fotosíntesis en SUPOCEVE, o fitohormonas del tipo auxina y giberelina, ambas mejoraron la absorción radical del N, y así,  lograr la máxima optimización del FENI reducido al 50% (Armenta-Bojórquez et al. 2010). Lo que evita que el excedente de N, cause la perdida de la reserva de la materia orgánica y que en consecuencia se pierda la productividad del suelo (Alexander 1977, Isbell et al. 2013).

Mientras que los resultados registrados en la Tabla 3 relacionados con fenología y biomasa de G. max tratada con ambos géneros de BAPOCEVE a floración, sugieren que A. lipoferum y R. etli mantuvieron e incrementaron la capacidad de transformar de manera continua y complementaria, que los compuestos orgánicos liberados en los exudados de la raíces de G. max transformaron en fitohormonas: auxina y citocinina indujeron la mayor elongación y formación de raíces laterales (Bécquer et al. 2011), las que aumentaron la capacidad de absorber y optimizar el FENI reducido al 50%, puesto que el aspecto de las hojas y raíces de G. max no mostro ninguna deficiencia relacionada con la demanda de N (Loredo-Osti 2004, Uhrich & Benintende 2005). Por lo anterior se concluye que A. lipoferum y/o R. etli géneros BAPOCEVE ejercieron un efecto positivo en el crecimiento de G. max mediante la optimización del FENI al 50%, debido a que ambas convierten los exudados radicales de G. max en SUPOCEVE: auxina, citocinina y giberelina para la maxima absorción radical del N del FENI a pesar de reducirlo al 50%. La mezcla de estos dos géneros y especies de BAPOCEVE son una opción para el cultivo de G. max, lo cual evita la hiperfertilización, sin riesgo de afectar en el sano crecimiento vegetal y si de prevenir deterioro del suelo.

Conflictos de intereses

Los autores de este artículo, declaramos que no existe ningún conflicto de interés en la planificación, ejecución y redacción de la investigación realizada, como tampoco con aquellas personas e instituciones que la financiaron.

Agradecimientos

Al proyecto 2.7 (2018) apoyado por Coordinación de la Investigación Científica de la UMSNH, Morelia, Michoacán y BIONUTRA S.A. de C.V, Maravatío, Michoacán, México.

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