L’agromicrobioma: els microorganismes de les plantes de conreu i la seva utilització

Tots els que hem fet estudis de biologia o relacionats tenim presents els dos aspectes més coneguts de les relacions simbiòtiques de les arrels de les plantes amb els microorganismes:

1) Per un costat, els nòduls dels bacteris Rhizobium a les arrels de les lleguminoses.

2) Les micorrizes, o sigui, les relacions simbiòtiques que s'estableixen entre els fongs i les arrels de les plantes.

En el primer cas, els Rhizobium, amb el seu complex nitrogenasa, són dels pocs organismes capaços de fixar el N₂ atmosfèric transformant-lo en nitrogen orgànic, que la planta aprofita, i a canvi aquesta proporciona compostos orgànics al bacteri. Gràcies a aquests bacteris, plantes com les lleguminoses no necessiten adobs nitrogenats. Aquest seria un cas de relacions simbiòtiques de bacteris amb les arrels, que podríem anomenar bacteriorrizes, terme que la bibliografia no recull.

El cas més popularment conegut de micorrizes és el dels bolets, que trobem sempre associats a determinats arbres (Figura 1), com els rovellons associats als pins. De fet, les micorrizes són presents a la majoria de plantes. Gràcies a aquesta simbiosi, els fongs reben nutrients orgànics de la planta i aquesta pot absorbir més fàcilment aigua i nutrients minerals (sobretot P, Zn i Cu) a través del fong. A més, les micorrizes incrementen la resistència de les plantes a les malalties provinents del sòl i permeten que colonitzin terres ermes.

Figura 1. Micorrizes de bolets a arbres. Imatge treta de Mosquin (2010)

Però aquests dos casos només són els més coneguts de les relacions simbiòtiques entre els microorganismes i les arrels de les plantes. De fet, com que el sòl és ple de microorganismes, molts d’aquests, siguin bacteris, fongs, algues, protozous o virus, tenen efectes beneficiosos, simbiòtics o no, sobre les plantes. I el que és biotecnològicament més interessant, cada cop s’estan veient més possibles aplicacions d’aquests microorganismes en benefici de les plantes conreades, que poden ser una bona alternativa a l’ús d’adobs i plaguicides.

És habitual el terme microbiota o microbioma vegetal per definir les comunitats microbianes que viuen damunt i dins les plantes (Schlaeppi & Bulgarelli, 2015). Tanmateix, podríem definir aquest nou terme, l'agromicrobioma, com el conjunt d'aquestes aplicacions de la microbiota del sòl per a les plantes conreades. Curiosament no he trobat aquest terme a la bibliografia.

Els diversos microorganismes poden tenir efectes positius directes en la nutrició vegetal com la comentada fixació de nitrogen, la mineralització de compostos orgànics i la solubilització d’elements no disponibles per a la planta (com fosfats, K i Fe), però també efectes positius indirectes, com la producció d’hormones i factors de creixement, o la protecció enfront de patògens (García, 2013).

Així doncs, hi ha un interès creixent en el control biològic dels patògens vegetals. S’ha comprovat que alguns d’aquests patògens són inhibits per antibiòtics produïts per microorganismes de la rizosfera (Raaijmakers et al., 2002). Ja fa alguns anys que s’utilitzen bacteris (bacterització) al sòl o amb les llavors o altres parts vegetals a plantar, amb l’objectiu de millorar el creixement o la salut de la planta.

Uns dels bacteris més coneguts i utilitzats en aquest sentit han estat Bacillus i Paenibacillus. Diverses espècies d’aquests gèneres de bacteris Firmicutes esporulats aerobis són abundants als sòls agrícoles i poden promoure la salut dels vegetals de diferents maneres, suprimint patògens amb metabòlits antibiòtics, estimulant les defenses vegetals, facilitant la captació de nutrients per a la planta, o promovent les simbiosis amb Rhizobium o amb micorrizes (McSpadden Gardener, 2004).

El gènere Paenibacillus fou reclassificat a partir de Bacillus el 1993, i inclou P. polymyxa, espècie que fixa N₂ i és utilitzat en agricultura i horticultura. Aquesta i altres espècies de Paenibacillus presenten formes colonials complexes i regulars en agar, fins i tot sorprenents (Figura 2), i que varien segons les condicions del medi. Per a això, cal un comportament cooperatiu i autoorganitzatiu entre les cèl·lules bacterianes individuals, que utilitzen un sistema de comunicació química. Aquest comportament social bacterià seria un precursor evolutiu dels organismes pluricel·lulars.

Figura 2. Colònies de Paenibacillus dendritiformis, de 6 cm de diàmetre cadascuna, morfotips ramificat (esquerra) i quiral (dreta). Tret de Wikipedia Creative Commons

S’ha demostrat la colonització de les arrels de les plantes per aquests bacteris, i que ho fan mitjançant la formació de biofilms (Figura 3). La inoculació d’aquests bacteris a les arrels promou el creixement, com veiem en les pebroteres de la Figura 4. Sembla que això seria degut, per un costat, a la fixació bacteriana de nitrogen, que augmenta la formació de proteïnes vegetals i també de clorofil·la, amb la qual cosa augmenten les activitats fisiològiques i la fotosíntesi. I per un altre costat, s’ha vist que aquests bacteris produeixen sideròfors que faciliten la captació de Fe per a la planta (Lamsal et al., 2012).

Figura 3. Colonització de Paenibacillus polymyxa i formació de biofilm sobre arrel d’Arabidopsis thaliana. Adaptat de Timmusk et al. (2005).

Figura 4. Efecte promotor del creixement de pebroteres (Capsicum annuum) per inoculació de Bacillus subtilis (AB17) i de Paenibacillus polymyxa (AB15), respecte al control sense inocular (dreta). Tret de Lamsal et al. (2012).

D’altra banda, bacteris com aquests Paenibacillus poden ser eficaços contra patògens de vegetals. Per exemple, s’ha demostrat que una soca de P. lentimorbus (B-30488r) redueix la incidència de la malaltia que el fong Alternaria solani produeix en la tomaquera. S’ha comprovat que, després d’inocular Paenibacillus a la planta infectada amb Alternaria, s’indueix una resistència al fong en la planta, el bacteri degrada les parets cel·lulars del fong i a més l’inhibeix per competència de nutrients. A més, s’ha comprovat que Paenibacillus no té cap efecte negatiu sobre la població microbiana de la rizosfera del tomàquet (Khan et al., 2012). Aquests tractaments són una bona alternativa a l’ús de fungicides, tenint en compte els problemes ambientals i de salut d’aquests compostos.

Finalment, aquests Paenibacillus també poden ser útils per evitar la transmissió de patògens humans com Salmonella a través de les plantes de conreu. Efectivament, a la Costa Est dels EUA fa uns anys es van detectar brots de Salmonella als tomàquets, a causa de la contaminació de les aigües de reg. Quan es van analitzar els microbiomes presents a les arrels d’aquests tomàquets i es van comparar amb els d’altres llocs sense Salmonella on també hi havia hagut contaminació, es va veure que aquests tomàquets de la Costa Est no tenien Paenibacillus, que sí que hi eren als altres llocs. Amb això, van recórrer a inocular els tomàquets amb diversos Paenibacillus i van comprovar que Salmonella desapareixia. De les diverses soques inoculades, en van seleccionar una de més eficaç, P. alvei TS-15, per a la qual es va obtenir una patent com a agent de biocontrol de patògens humans d’origen alimentari (Brown et al., 2012).

Així doncs, els coneixements de la microbiota del sòl i les múltiples formes d’interrelacions entre microorganismes i plantes porten a trobar noves estratègies d’utilització dels microbis “bons” per prevenir problemes de transmissió de patògens en la seguretat alimentària, i al mateix temps, poden ser una bona alternativa ecològica a l’ús massiu de pesticides.

BIBLIOGRAFIA

Bordons, A. (2013). Agromicrobioma. Blog "Bios i altres", 11 novembre 2013.

Brown, E.W.; Zheng, J.; Enurach, A.; The Government of USA (2012). "Peanibacillus alvei strain TS-15 and its use in controlling pathogenic organisms". Patent WO2012166392, PCT/US2012/038584

García (2013). Los microorganismos del suelo y su rol en la nutrición vegetal. Simposium Perú “Manejo nutricional de cultivos de exportación”. Slideshare.net

Khan, N.; Mishra, A.; Nautiyal, C.S. (2012). "Paenibacillus lentimorbus B-30488^r controls early blight disease in tomato by inducing host resistance associated gene expression and inhibiting Alternaria solani". Biological Control 62, 65-74.

Lamsal, K.; Kim, S.W.; Kim, Y.S.; Lee, Y.S. (2012). "Application of rhizobacteria for plant growth promotion effect and biocontrol of anthracnose caused by Colletotrichum acutatum on pepper". Mycobiology 40, 244-251.

McSpadden Gardener, B.B. (2004). "Ecology of Bacillus and Paenibacillus spp. in agricultural systems!. Phytopathology 94, 1252-1258.

Mosquin, D. (2010). Mycorrhizal networks. UBC Botanical Garden.

Raaijmakers, J.M.; Vlami, M.; De Souza, J.T. (2002). "Antibiotic production by bacterial biocontrol agents". Antonie van Leeuwenhoek 81, 537-547.

Schlaeppi, K.; Bulgarelli, D. (2015). "The plant microbiome at work". Molecular Plant-Microbe Interactions 28, 212-217.

Timmusk, S.; Grantcharova, N.; Wagner, E.G.H. (2005). "Paenibacillus polymyxa invades plant roots and forms biofilms". Applied and Environmental Microbiology 71, 7292-7300.

NOTES

Article adaptat i modificat de l'original "Agromicrobioma" publicat l’11 de novembre de 2013 al blog "Bios i altres".