Crecimiento de Zea mays inoculado con Bacillus cereus y Micromonospora echinospora con fertilizante nitrogenado al 50%

Growth of Zea mays innoculated with Bacillus cereus and Micromonospora echinospora at 50% of nitrogen fertilizer

García-Radillo Pedro¹, Montaño-Arias Noé Manuel², Ignacio-Cruz Juan Luis¹' Santoyo-Pizano Gustavo¹, 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 Metropolitana. Unidad Iztapalapa. Departamento de Biología. Av. San Rafael Atlixco No. 186, Col. Vicentina, Alcaldía de Iztapalapa, C.P. 09340. Ciudad de México.

Juan Manuel Sanchéz-Yáñez
E-mail address: syanez@.umich.mx

Historial del artículo.

Recibido septiembre, 2018.
Devuelto noviembre 2018
Aceptado enero, 2019.
Disponible en línea, febrero, 2019.

El cultivo de Zea mays (maíz) demanda fertilizante nitrogenado (FENI), como NH₄NO₃ (nitrato de amonio), el cual, aplicado en exceso, provoca la pérdida de productividad del suelo. Una alternativa de solución para este problema es la reducción y optimización de la dosis de FENI, con inoculantes a base de géneros de bacterias promotoras de crecimiento vegetal (BAPOCEVE). El objetivo de este trabajo fue analizar el crecimiento de Z. mays inoculado con Bacillus cereus y Micromonospora echinospora a la dosis 50% del FENI. Bajo un diseño experimental de bloques al azar con el NH₄NO₃, a la dosis 50% (5 g/L) en Z. mays inoculado con B. cereus y M. echinospora, mediante las variables-respuesta: porcentaje (%) y tiempo de germinación, fenología: altura de planta (AP), número de hojas (NH) y longitud de raíz (LR), la biomasa: peso fresco y seco aéreo y radical: PFA/PFR/PSA/PSR, la plántula y floración comparado con Z. mays y la dosis del FENI 100% (10 g/L) sin inocular o control relativo. Los datos experimentales se analizaron por ANOVA y Diferencia Mínima Significativa (DMS). Los resultados mostraron un efecto positivo de la doble inoculación con ambas BAPOCEVE sobre la germinación de la semilla de Z. mays; al igual que a plántula y floración, en donde Z. mays alcanzó un PSR de 3.5 g valor numérico estadísticamente diferente, comparado con los 1.1 g de PSR de Z. mays con el FENI al 100% sin inocular con las BAPOCEVE o control relativo (CR). Esto apoya que la inoculación de Z. mays con B. cereus y M. echinospora, mediante la síntesis de SUPOCEVE o fitohormonas, generados a partir de exudados de compuestos orgánicos de la semilla y raíces vegetales indujeron la proliferación de pelos radicales y aumentaron, su capacidad de absorción y optimizaron al máximo el NH₄NO₃ reducido al 50%, lo que evita la pérdida de productividad del suelo.

Palabras clave: Suelo, Z. mays, NH₄NO₃, absorción radical, B. cereus, M. echinospora, fitohormonas.

Abstract

In México Zea mays (maize) is a crop which demands nitrogen fertilizer (NIFE) as a NH₄NO₃ (ammonium nitrate), in that sense hiperfertilization causes soil's lost productivity. An altemative of solution to solve this problem is the reduction and the optimization of NIFE with inoculants based on genus and species of plant growth-promoting bacteria (PGPB). The aim of this study was to analyze the growth of Z. mays inoculated with Bacillus cereus and Micromono-spora echinospora at 50% reduced NIFE. An experimental design of randomized blocks was used with (NH₄NO₃) as NIFE at the dose 50% (5 g/L) for Z. mays inoculated with the PGPB: the response variables on its seed: germination percent, day to germination, its shoot and root phenology: height plant, number of leaves, and root long and biomass: aerial fresh weight, root fresh weight, aerial dry weight, root dry weight (AFW/RFW/ADW/RDW). Experimental data were analyzed by ANOVA and minimal significant difference (LSD). Results showed a positive effect of B. cereus and M. echinospora on Z. mays seed as well as at seedling and flowering stages, where Z. mays had a RDW of 3.5 g, numerical valué statistically different compared with 1.1 g of RDW of Z. mays fed with NIFE at 100% dose, not inoculated used as a relative control (RC) Those data suggested that the inoculation of Z. mays with B. cereus and M. echinospora improving radical absorption of NIFE reduce at 50%, due to PGBP were able to transform seed and root organic exudates into growth promoting vegetal compounds (GPVC) or phytohormons avoiding soil's lost productivity.

Key words: Soil, Z. mays, nitrogen fertilizer, radical absorption, B. cereus, M. echinospora, phytohormons.

Introducción

En México y en el mundo la gramínea Zea mays es de alto consumo en la alimentación humana. Z. mays requiere fertilizante nitrogenado (FENI), en forma de NH₄NO₃ para un sano crecimiento. El FENI aplicado en exceso en su cultivo causa infertilidad del suelo.^1,2 En contraste, una alternativa de solución para la hiperfertilización en Z. mays es la inoculación con géneros y especies de BAPOCEVE las que permitan reducir y optimizar el NH₄NO₃ reducido al 50%.³ La literatura señala evidencias que géneros y especies diversas de BAPOCEVE, utilizan los compuestos orgánicos generados durante la germinación de las semillas como las de Z. mays, al igual de aquellos compuestos liberados durante el crecimiento de la raíz, pudiendo ser transformados en SUPOCEVE, de tipo auxina, citocinina y geberelina^17,18 que aceleran su germinación, induciendo la producción de abundantes pelos radicales, para que la raíz explore y optimice al máximo el FENI disponible, en especial se ha reducido para evitar la pérdida del fertilidad del suelo.^20,31 La literatura reporta un efecto positivo de diferentes géneros y especies de Bacillus spp., ya sea de manera individual o en mezcla con otros géneros y especies de BAPOCEVE, no convencionales como actinomicetos^4,7 que se aplican en gramíneas, para favorecer la síntesis de SUPOCEVE, un sano crecimiento a dosis de FENI reducida hasta un 50% sin causar problema de desnutrición mineral, Gholami et al.¹⁵, Ashrafuzzaman et al.¹⁶ reportan la inoculación de Z. mays exclusivamente con B. cereus, con otros géneros y especies de BAPOCEVE, pero no con algún género y especie de actinomiceto endófito como M. echinospora, de la que la información asociada con la inoculación en Z. mays a dosis regulada de FENI, es pobre o desconocida.^4,5 Por ello se propuso que este actinomiceto endófito se aplique en Z. mays mezclado con B. cereus que en la zona de rizosfera convierte exudados de raíz en fitohormonas, mientras M. echinospora endófito penetra al interior de las raíces sintetizando SUPOCEVE, así la planta podría mejorar la capacidad de absorción radical del FENI reducido al 50%, lo óptimo al máximo, sin poner en riesgo el sano crecimiento vegetal.^6,7,18,19,30 Un ejemplo de este hecho, fue en invernadero la respuesta positiva de Z. mays en los valores de la fenología y biomasa, cuando se inoculo con Azotobacter sp. y Bacillus megaterium⁹, registrándose valores numéricos estadísticamente distintos comparados con los de respuesta de Z. mays con control relativo (CR). Con base a lo anterior el objetivo de esta investigación fue analizar el crecimiento de Z. mays inoculado con B. cereus y/o M. echinospora a la dosis 50% del FENI.

Esta investigación se realizó en el invernadero del laboratorio de Microbiología Ambiental, Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas (IIQB) de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), Morelia, Mich, México. La temperatura promedio fue de 23.2 °C, luminosidad de 450 mol.m^-2s^-1, humedad relativa de 67%. Para este ensayo se utilizó un suelo no estéril colectado de un sitio ubicado a los 19° 39' 27" de latitud norte 100° 19' 59" de longitud oeste, con una altitud de 1820 msnm de clima templado, en un terreno agrícola denominado "La cajita" perteneciente a la Tenencia Zapata del municipio de Morelia, sobre el km 5 de la carretera Morelia-Pátzcuaro, Mich, México. La textura de este suelo se clasificó como franco-arcilloso, materia orgánica de 4.57% y un pH 6.64 ligeramente ácido.

El suelo se solarizó a 70 °C/48 h para minimizar problemas de plagas y enfermedades, después se tamizó con una malla del No. 20. Posteriormente 1.5 kg de suelo se colocó en la parte superior de la Jarra de Leonard, mientras que la solución mineral (SOMI) o agua en el reservorio de la parte inferior, ambas partes se conectaron por una tira de algodón de aproximadamente 20 cm de largo para permitir el movimiento de la solución por capilaridad al suelo (Figura 1). La semilla de Z. mays fue proporcionada por la Secretaria del Ambiente y Recursos Naturales del gobierno de México (SEMARNAT 2018)^10,12 las cepas de B. cereus y M. echinospora pertenecen a la colección del Laboratorio de Microbiología Ambiental del IIQB-UMSNH, fueron aisladas de la rizosfera del pasto Paspalum notatum.¹ El ensayo se realizó con un diseño experimental de bloques al azar con 5 tratamientos y 5 repeticiones Tabla 1, con 2 controles: i) Z. mays sin inocular e irrigado con agua referido como control absoluto (CA), ii) Z. mays sin inocular, alimentado con el NH₄NO₃ al 100% o control relativo (CR) y iii) los tratamientos Z. mays con B. cereus y/o M. echinospora alimentado con una solución mineral (SOMI) que contenía el FENI y 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 y 1.5 mL de la solución de oligoelementos (SOL): H₃BO₃ 2.86, ZnSO₄*7 H₂O 0.22, MnCl₂*7 H₂O 1.81 y K₂Mn0₄ 0.09 en 1000 mL de agua destilada para plantas, ajustada a pH de 6.8, aplicada c/3dias por dos meses. Por su parte B. cereus se cultivó en caldo nutritivo (CN) con la siguiente composición (g/L): extracto de carne 3.0, peptona de caseína 5.0 y ajustado a un pH de 7.0, mientras que M. echinospora se reprodujo en agar hueso de aguacate (AHA) con la siguiente composición (g/L): hueso de aguacate 10.0, peptona de caseína 5.0, extracto de levadura 1.3, K₂HPO₄ 0.17, KH₂PO₄ 2.61, MgSO₄ 1.5, NaCl 0.9, CuSO₄ 0.05, azul de bromotimol 10% (p/v) 10 ppm, solución detergente 2.5 mL al 10%, antifúngico Tecto®60 1.0 mL al 10%, SOL 1.0 mL, agar bacteriológico 18.0, ajustado a un pH de 7.5, ambas BAPOCEVE se incubaron a 30 °C/72 h. Para la inoculación de Z. mays: por cada 50 semillas de Z. mays se usaron 7.0 mL de B. cereus y/o M. echinospora a densidad de 2.0x10⁶ UFC/mL y 2.1x10⁶ UFP unidades formadoras de propagulos/mL, respectivamente, calculado en base a una cuenta viable en placa en agar nutritivo y AHA.¹¹ Entonces las semillas de Z. mays inoculadas con B. cereus y/o M. echinospora, se sembraron en el suelo de las Jarra de Leonard y creció hasta la fase fisiológica de plántula y floración, a los 15 y 62 días después de su siembra. Al finalizar estos periodos se midió la fenología: altura de planta (AP), longitud radical (LR), número de hojas (NH) y longitud de hoja (LH), mientras que la biomasa: peso fresco y seco, aéreo y radical (PFA/PFR)/(PSA/PSA) de Z. mays. Los datos experimentales fueron sometidos a un análisis de varianza (ANOVA) y Tukey HSD p<0.05 con el paquete estadístico Statgraphics Centurión XVI.¹²

Resultados

Discusión

En tanto que los datos registrados en la tabla 3, señalan que el sano crecimiento de Z. mays fue debida a que tanto, B. cereus como M. echinospora transformaron estos exudados radicales en SUPOCEVE del tipo auxina y giberelina^20,30 incrementando la AP, NH, LH y la LR^18,19, por tanto fueron capaces de realizar^20,30 lo que apoyaría a que estos exudados liberados en raíz serian transformados en diferentes SUPOCEVE: auxina y citocinina que influirían directamente en las variables respuesta de la biomasa, ya sea el PSA y el PSR, pues esta reportado que M. echinospora^4,20,21 sintetiza fitohormonas, lo que respaldaría el sano crecimiento referente a la fenología y biomasa de Z. mays, cuando se inoculo individualmente con este actinomiceto o en combinación con B. cereus, de esa manera los exudados radicales transformados en SUPOCEVE^1,4,5,6 fueron diversos dadas las diferencias genéticas que existen entre B. cereus y M. echinospora, dos grupos microbianos que están reportados y coexisten en la naturaleza, interactuando con una amplia variedad de plantas domesticas como silestres.^9,22,23 Además, algunos metabolitos que se generen durante la fotosíntesis vegetal, pueden ser también transformados por BAPOCEVE en SUPOCEVE²⁴²⁵ que mejoran y optimizan la absorción radical del FENI reducido al 50%, sin afectar el sano crecimiento de Z. mays.^1,23,28

La tabla 4, presenta el crecimiento sano de Z. mays con B. cereus y M. echinospora a la dosis 50% de NH₄NO₃ en la fenología y biomasa a 62 después de la siembra, debido al efecto rizosfera que libera compuestos orgánicas producto del metabolismo del crecimiento de las raíces, que B. cereus trasformó en auxinas y giberelinas que indujeron la meiosis y mitosis del tejido de la raíz, facilitando la exploración del suelo, e incremento la absorción radical y optimización de la dosis de NH₄NO₃ reducido al 50%.^10,26 En tanto, y dado el carácter de endófito de M. echinospora se sugiere que invadió la endodermis de la raíz de Z. mays^27,25,7 para así generar fitohormonas que estimularen un crecimiento acelerado del sistema radical^1,28,29 y simultáneamente B. cereus colonice la superficie externa de la raíz, para continuar con la conversión de los compuestos orgánicos liberados por el efecto rizosfera que son atractivos para los géneros y especies de BAPOCEVE para que al interactuar con el sistema de raíces de Z. mays se establezca una interacción positiva y en consecuencia^30,15 se mejore y optimice la absorción radical del NH₄NO₃ reducido al 50%.

Con estos resultados se concluye que es posible evitar la hiperfertilización nitrogenada en el cultivo de Z. mays mediante la aplicación de BAPOCEVE de manera individual o en combinación con un género rizosferico como B. cereus y un actinomiceto endófito del tipo M. echinospora, para que a través de SUPOCEVE, faciliten la absorción y optimización de la dosis de NH₄NO₃ al 50 %, sin afectar negativamente el sano crecimiento de Z. mays.

Además, combinación de géneros y especies de BAPOCEVE, es una nueva alternativa a las ya conocidas de géneros y especies convencionales de BAPOCEVE^18,32 útiles en la producción sustentable de Z. mays, que evitan el exceso de FENI y la pérdida de productividad del suelo.

Conflictos de intereses

Agradecimientos

Al proyecto 2.7 (2019) apoyado por la Coordinación Investigación Científica-UMSNH y BIONUTRA S.A de CV, Maravatío, Mich, México por la beca para el primer autor.

Aspectos éticos

La aprobación de la investigación por el Comité de Ética, de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo - México, siguió las pautas establecidas para este comité.

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