Methylobacteria y su aplicación en la agricultura

1. Introducción
2. Características generales del género Methylobacterium spp.
3. Aplicaciones del género Methylobacterium spp.
4. Ventajas del uso del género Methylobacterium spp.
5. Recomendaciones
6. Bibliografía

1. Introducción

Entre las alternativas existentes, hoy día, a los productos químicos nos encontramos las bacterias benéficas para las plantas, dentro de las cuales se encuentran las del género Methylobacterium. En la última década, estas bacterias han sido objeto de estudio por parte de numerosos científicos por su papel en la fijación de nitrógeno atmosférico, así como por sus efectos promotores del crecimiento, como por su capacidad de inducir la respuesta defensiva de las plantas contra fitopatógenos. Aunque estas alternativas requieren de una mayor experiencia y conocimiento por parte de los agricultores, resultan ser ventajosas para el medio ambiente ya que puede reducir el uso de los abonos nitrogenados de síntesis, que representan un efecto negativo tanto para el medio ambiente como para la salud humana y animal.

2. Características generales del género Methylobacterium spp.

El género Methylobacterium pertenece al filo de las Proteobacterias, familia Methylobacteriaceae y orden Rhizobiales. El género Methylobacterium lo integran 51 especies, de las cuales destaca Methylobacterium organophilum, por ser la cepa tipo de este género (Patt et al., 1976), pero también la cepa M. extorquens por ser la más estudiada y la que sirve como modelo de este género para los estudios de las interacciones con las plantas y el metabolismo de los metilotróficos.

Las bacterias del género Methylobacterium están consideradas como bacterias promotoras del crecimiento (BGPR), ya que tienen la capacidad de producir fitohormonas y la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico (Loredo-Osti, 2004). Se ha demostrado que los beneficios que generan la interacción planta huésped-BGPR incluyen:

• Aumento en la tasa de germinación de semillas.
  
  
• Incremento del crecimiento de las raíces, peso y altura.
  
  
• Incremento del rendimiento.
  
  
• Aumento del área foliar.
  
  
• Incremento del peso y altura de los brotes.
  
  
• Incremento del contenido de clorofila y el contenido de proteínas.
  
  
• Supresión de fitopatógenos.
  
  
• Aumento en la disponibilidad y asimilación de nutrientes (Mantelin y Touraine 2004; Yang et al., 2009).

Estos efectos benéficos sobre las plantas se pueden lograr mediante la interacción directa entre la BGPR y su planta huésped, o por la interacción indirecta que su actividad antagonista ejerce contra los patógenos de las plantas. La interacción directa entre BGPR-planta huésped incluye varios mecanismos tales como la producción de 1- aminociclopropano-1-carboxilato-desaminasa (ACC desaminasa) que reduce los niveles de etileno en las raíces de las plantas en desarrollo. Cuando las plantas están expuestas a condiciones de estrés, estas aumentan los niveles de etileno que puede ser dañinos para ellas porque inducen a la defoliación como resultado de un aumento en el daño celular, lo que afecta al desarrollo del cultivo. Muchas BGPR, entre las cuales se encuentran las del género Methylobacterium, son capaces de destruir el 1-aminociclopropano-1-carboxilato (ACC), mediante la producción de la enzima ACC desaminasa, lo que provoca una disminución de los niveles de etileno y facilita el crecimiento y desarrollo de las plantas. También, esa interacción directa incluye la producción de reguladores del crecimiento como auxinas, giberelinas, citoquininas y ciertos compuestos volátiles; la solubilización de fósforo mineral y otros nutrientes, así como la fijación biológica de nitrógeno.

Plantas de maíz, arroz y algodón donde se aplican bacterias metilotróficas del género "Methylobacterium"

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La fijación biológica de nitrógeno se lleva a cabo mediante la acción de la nitrogenasa, una enzima que es capaz de romper el triple enlace del nitrógeno molecular y transformarlo a amonio (NH4) que las plantas son capaces de asimilar (Silvia, 1999). Aunque existen diferencias morfológicas y fisiológicas entre los organismos fijadores de nitrógeno, el proceso de fijación y el sistema enzimático que lo lleva a cabo son similares en todos los organismos.

Las plantas pueden asimilar nitrógeno del suelo en forma de nitrito, nitrato o amoníaco. Estas formas de nitrógeno no son abundantes en la mayoría de los suelos por lo que es imprescindible recurrir a la fertilización nitrogenada de síntesis, que con frecuencia se pierde por las lluvias abundantes o por lixiviación, proceso mediante el cual se provoca la disolución de un elemento, en este caso el nitrógeno, desde el mineral o fertilizante que lo contiene.

En la rizosfera, zona del suelo que rodea la raíz de las plantas, la estructura y composición química del suelo están influenciadas por las raíces de las plantas. Las raíces de las plantas exudas sustancias como aminoácidos, ácidos orgánicos, carbohidratos, azúcares y proteínas que los microorganismos presentes en el suelo pueden utilizar en su metabolismo. La capacidad que tienen las Rizobacterias, bacterias presentes en los alrededores de las raíces de las plantas, para utilizar ácidos orgánicos como fuente de carbono se correlaciona con la competencia con otros microorganismos presentes en la rizosfera. La estructura que tienen las Rizobacterias en el suelo está determinada por la especie de la planta, así como por la cantidad y composición de exudados de las raíces.

En la filosfera, microambiente que rodea a las hojas, el género Methylobacterium es el género dominante, donde asimilan el metanol que generan las plantas como producto de la degradación de la pectina, heteropolisacáridos que tienen funciones diversas de reserva energética y estructurales en las plantas (Delmotte et al., 2009).

Las bacterias del género Methylobacterium están distribuidas en la naturaleza en diferentes hábitats como el suelo, aire, aguas naturales superficiales y residuales, hojas de plantas, semillas y rumen de vacunos (Dourado et al., 2015).

Son bacterias cocobacilares que pueden encontrarse agrupadas o formando cadenas, aerobias estrictas, Gramnegativas, vacuoladas y la mayoría son móviles con un solo flagelo. En cultivos artificiales tienen un desarrollo lento que requiere de 7 a 10 días y sus colonias son pigmentadas de color rosa debido a la síntesis de carotenoides (Van Dien et al., 2003).

Fisiológicamente hablando son bacterias metilotróficas facultativas, es decir, que utilizan compuestos con un solo carbono, como el metanol, formaldehído, metilamina, el formiato y otros compuestos metilados como fuente de carbono. Son productoras de catalasas, oxidasas, ureasas, hidrolizan el almidón, reducen los nitratos, no crecen en medios con un 10% de cloruro sódico (NaCl), no fermenta y son resistentes a la desferrioxamina, agente quelatante que promueve la remoción del exceso de hierro. También, son capaces de proteger a las plantas frente a diferentes patógenos como Fusarium oxysporum y frente a situaciones desfavorables como: el estrés hídrico, salino y presencia de metales pesados entre otros (Pérez-Montaño et al., 2014).

La característica principal de este género es la capacidad que tienen de oxidar el metanol a formaldehído por la acción de la enzima metanol deshidrogenasa (MDH). En condiciones normales, las plantas emiten metanol durante el crecimiento de las hojas que pueden tener un efecto repelente sobre herbívoros pero que ciertas bacterias, como las del género Methylobacterium, pueden usar como fuente de carbono. Además, pueden formar biofilms, capas de bacterias que crecen y se adhieren a una superficie de una estructura viva o inerte, para protegerse del entorno adverso y facilitar su supervivencia (Rosetto et al., 2011).

En relación a las plantas, son capaces de colonizar rápidamente las hojas de forma epífita, es decir, que colonizan las hojas extracelularmente. También, son capaces de colonizar los brotes en germinación o en crecimiento de forma endófita, que los colonizan desde dentro de la célula. Además, algunas especies como M. nodulands y M. radiotolerans son capaces de producir nodulación en las raíces.

Los mecanismos mediante los cuales benefician a las plantas incluyen antagonismo, producción de sideróforos, fijación de nitrógeno, solubilización de fosfatos, producción de fitohormonas y activación del sistema inmune de las plantas.

3. Aplicaciones del género Methylobacterium spp.

Su aplicación a los cultivos agrícolas tiene un efecto positivo porque:

• Aumenta el porcentaje de germinación de cultivos como arroz, trigo, cebada, maíz y caña de azúcar (Abanda-NKpuwatt, 2006).
  
  
• Aumenta la producción de citoquininas, auxinas y vitamina B12 (Maghaiyan et al., 2004).
  
  
• Promueve el crecimiento vegetal al aumentar el área de la hoja y, por tanto, la amplitud del follaje, la altura de la planta o la longitud de la raíz en cultivos como pimiento rojo, tomate y arroz (Ryu et al., 2006).
  
  
• Induce la respuesta defensiva de las plantas.
  
  
• Induce una alta actividad fotosintética.

• Mejora la eficiencia del uso del nitrógeno.
  
  
• Reduce el impacto ambiental asociado a la fertilización nitrogenada.
  
  
• Mejora la fertilidad de los suelos, reduciendo la necesidad de la fertilización química haciendo que la fertilización sea más rentable y sostenible.
  
  
• Reducción de las necesidades de la planta en un 40-60%, suponiendo un ahorro de hasta un 20% para el agricultor.
  
  
• Consume el metanol generado y ralentiza el envejecimiento de las células y alarga la vida fotosintética de las plantas.

Proceso de eutrofización de lagunas por el efecto de lixiviados ricos en nitrógeno

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5. Recomendaciones

• Recomendado para cereales como maíz, soja, arroz, alfalfa y algodón.
  
  
• Aplicación foliar

6. Bibliografía

• Abanda-Nkpwatt, D. M., 2006. Molecular interaction between Methylobacterium extorquens and seedlings: growth promotion, methanol consumption, and localization of the methanol emission site. J. Exp. Bot., 57(15):4025-4032.
• Delmotte, N., Knief, C., Chaffron, S., Innerebner, G., Roschitzki, B. y Schlapbach, R., 2009.Community proteogenomics reveals insights into the physiology of phyllosphere bacteria. Proc Natl Acad Sci USA, 106:16428–16433.
• Dourado, M. N., Andreote, F. D., Dini-Andreote, F., Conti, R., Araujo, J. M. y Araujo, W. L., 2012. Analysis of 16s rRNA and mxaF genes revealing sights into methylobacterium niche-specific plant association. Genetics and Molecular Biology, 35(1): 142–148.
• Loredo-Osti, C., López-Reyes, L. y Espinosa-Victoria, D., 2004. Bacterias promotoras de crecimiento vegetal asociadas con gramíneas. Terra Latinoam., 22(2):225-239.
• Madhaiyan, M., Poonguzhali, S., Senthilkumar, M., Seshadri, S., Chung, H., Jang, J., Sundaram, S. y Sa, T., 2004. Growth promotion and induction of systemic resistance in rice cultivar Co-47 (Oryza savita L.) by Methylobacterium spp. Botanical Bulletin of Academia Sinica., 45(4):315-324.
• Mantelin S, Touraine B, 2004. Plant growth-promoting bacteria and nitrate availability: impacts on root development and nitrate uptake. J Exp Bot, 55:27–34.
• Patt, T. E., Cole, G. C. y Hanson, R. S., 1976. Methylobacterium, a new genus of facultatively methylotrophic bacteria. Int J Syst Bacteriol ,26: 226–229.
• Pérez-Montaño, F., Alias-Villegas, C., Bellogin, R. A., Del Cerro, P., Espuny, M. R., Jimenez-Guerrero, I., … Cubo, T., 2014. Plant growth promotion in cereal and leguminous agricultural important plants: From microorganism capacities to crop production. Microbiological Research, 169:325-336.
• Ryu, J., Munusamy, M., Selvaraj, P., Woojong, Y., Pandiyan, I., Kyounga, K., Rangasamy, A., Jongchul, Y., Kyehoom, K. and Tomgmin, S., 2006. Plant growth substances produced by Methylobacterium spp. and their effect on tomato (Lycopersicom esculentum L.) and red pepper (Capsicum annuum L.) growth. J. Microbiol. Biotechnol., 16(10):1622-1628.
• Sylvia, M., 1999. Principles and applications of soil microbiology. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, USA.
• Yang, J., Kloepper, J.W. y Ryu, C.M., 2009. Rhizosphere bacteria help plants tolerate abiotic stress. Trends Plant Sci, 14:1–4.

Autor: Dpto. Agronomía Infoagro