Respuesta de maíz (zea mays l) a la inoculación con rizobacterias de teocintle (zea mays sp mexicana l)
El maíz es un cereal de consumo
mundial, cultivado bajo el sistema de
producción intensivo, que causa
pérdida de fertilidad del suelo, contaminación de agua
superficial y acuíferos, por el exceso de fertilizante
nitrogenado (FN) aplicado y no absorbido por el maíz. Una
alternativa para minimizar este problema, son las rizobacterias
promotoras del crecimiento
vegetal (RPCV) del teocintle. Gramínea adaptada a un
ambiente
natural adverso, similar al que tiene el maíz cuando se
cultiva en una condición de deficiencia nutricional
nitrogenada.
Se supone que las RPCV del teocintle, transforman
algunos exudados de la raíz del maíz, en sustancias
promotoras de crecimiento vegetal (SPCV), para aumentar su
absorción radical del FN. Los objetivos de
este trabajo
fueron: i) seleccionar las mejores RPCV del teocintle
benéficas para maíz en invernadero, ii) determinar
la respuesta del maíz a la inoculación con las RPCV
del teocintle en el campo. Para ello se seleccionaron las RPCV
del teocintle en invernadero, con las variables-respuesta: peso seco y altura de la
planta.
De este experimento se escogieron las mejores RPCV del
teocintle para determinar la respuesta del maíz a la
inoculación en el campo, con el rendimiento como
única variable-respuesta. Los resultados indican que la
inoculación con una de las RPCV del teocintle,
identificada como Burkholderia sp14, incrementó el
peso seco del maíz en un 30%. Al igual que la RPCV del
teocintle Klebsiella oxitogena y en menor por ciento una
cepa de Burkholderia cepacia, usada como referencia. El
efecto de los aislados del teocintle Burkholderia sp
B9 y B5 sobre el maíz, fue similar al peso y
altura del maíz fertilizado sólo con la dosis de
urea recomendada en el campo. Se concluye parcialmente que
teocintle es una fuente potencial de RPCV para el
maíz.
Palabras clave: bacterias
promotoras de crecimiento, gramínea silvestre,
fertilizante nitrogenado.
ABSTRACT
Maize is cereal most consumed in Mexico, cropping by
intensive production system with high nitrogen fertilizer dose
which cause ground-water and surface pollution, an alternative to
solve this problem are plant promoting growth rhizobacteria
(PPGR) from teocintle wild gramine adapted to natural difficult
condition like maize face when has not the nutritional balance to
supply its demand, even though inoculation with PPGR from
domestic gramines it believe that RPCV from teocintle transform
root exudates of maize into growth promoting vegetal sustances
(SPCV) to increase maize roots absrotion of NF. The aims of this
work were i) to select the best RPCV from teoncitle to maize in
greenhouse ii) to determine the maize´s respond to
inoculation with RPCV from teocintle on field
condition.
It were selected RPCV from teocintle in grrenhouse
condition with variable-respond: dry weingt anda plant height. It
were choosen RPCV from teocintle to determine the maize respond
to inoculation in field step. Results indicate that inocularion
with a RPCV fron teocinte identify as Burkholderia sp14,
increase the dry weight at 30% as well as Klebsiella
oxitogena and in less porcent B. cepacia and
Burkholderia sp B9 and B5 to compare with maiz fertilized
only with high level of urea in field trial it is conclued that
teocintle is a source for potencial RPCV to maize.
Key word:
promoting growth bacteria, wild gramine, nitrogen
fertilizer.
La creciente demanda de
maíz en México
favorece, un sistema de producción intensivo; por lo que
aplica altas dosis de fertilizantes nitrogenados (FN), cuyo
excedente causa la degradación del suelo y la
contaminación de aguas superficiales y subterraneas
(Ferrera-Cerrato y Pérez-Moreno, 1995;
Cárdenas-Navarro et al., 2004). Una alternativa
para regular y disminuir la aplicación del FN en el
maíz, es la inoculación de las semillas de
maíz con rizobacterias promotoras de crecimiento vegetal
RPCV, en combinación con una reducción y
partición de la dosis del FN
(Sánchez-Yáñez et al.,
1998).
Las RPCV se asocian a las raíces de la
gramínea, debido a la presencia de compuestos
orgánicos producto de
los exudados radicales (ER), como: carbohidratos,
ácidos
orgánicos y factores de crecimiento microbiano (Omay et
al., 1993; Chelius y Triplett, 2000) atractivos para estas
bacterias (Bashan, 1996; 1998), por la naturaleza
química de
los ER. las RPCV, los utilizan como fuente de energía y
los transforman en sustancias promotoras de crecimiento vegetal o
SPCV (Jacoud et al., 1999).
Por otra parte, las RPCV tienen capacidad potencial para
solubilizar minerales como
los fosfatos esenciales para el crecimiento vegetal, (Pandey
et al. 1998) pero que no están disponibles en
suelos con
variaciones frecuentes y extremas del pH (Dashti
et al., 1998).
En general, existe un amplio grupo de RPCV,
que se utiliza para inocular maíz: bacterias Gram
Positivas: Bacillus subtilis y Paenibacillus
polymixa (Gutiérrez-Manero et al., 2001),
bacterias Gram Negativas: Pseudomonas putida (Kurek y
Jaroszuk, 2003; Valdivia et al., 1999) y Burkholderia
cepacia (Riggs et al., 2001).
Así como Azospirillum lipoferum y su
especie A. brasilense (Bashan, 1998). Estas RPCV estimulan
el crecimiento del maíz e incrementan el peso seca hasta
en un 30% más que en el maíz sin inocular y tratado
sólo con urea (García et al., 1995). Las especies
de Azospirillum son una alternativa para reducir la
aplicación de FN sin afecto negativo en el rendimiento del
maíz. (Caballero et al., 1999), aunque tanto A.
lipoferum como, A. brasilense, son específicos
para ciertas variedades del maíz (Reis et al.,
2000). Sin embargo, las raíces del maíz pueden ser
colonizadas por rizobacterias nativas del suelo, que desplazan
con relativa facilidad a A. lipoferum y/o A.
brasilense, pero que no tienen el efecto benéfico en
el crecimiento y rendimiento del maíz (Fulcheri y Frioni,
1994; Pandey et al., 1998).
Una planta nativa de México que tiene una
estrecha relación con la genética
del maíz a la que se asocian RPCV, es el teocintle o
Zea mays sp mexicana (Calderón-Becerra et
al., 2000; Eubanks, 2001; Galinat, 2001) de tal manera que
estas rizobacterias pueden ser tan competitivas y adaptables a
los exudados de las raíces del maíz, (Elbeltagy
et al., 2000). El teocintle, enfrenta ambientes no
propicios para su crecimiento: stress
nutricional e hídrico.
Esta gramínea silvestre, es tolerante a la
actividad de microorganismos fitopatógenos, de ahí
el éxito
del teocintle para vivir sin protección humana y crecer
sanamente en esos ambientes. Es probable que el rendimiento del
maíz no disminuya al utilizar RPCV de teocintle para
inocular a sus semillas. Con base en lo anterior los objetivos de
éste trabajo fueron: i) seleccionar las mejores RPCV del
teocintle benéficas para el maíz en el invernadero,
ii) determinar la respuesta del maíz a la
inoculación con las RPCV del teocintle en el campo, a
dosis reducida de urea.
1. Origen de las rizobacterias del
teocintle.
Las RPCV utilizadas en este trabajo, son los
géneros: Burkholderia spp y Klebsiella
oxitogena estas bacterias se aislaron de la rizósfera
del teocintle (Zea mays sp mexicana L) (Manual de Bergey,
2002). Ambos aislados en la actualidad forman parte de la
colección del laboratorio de
Microbiología Ambiental
(Calderón-Becerra et al., 2000), del IIQB de la
UMSNH, Morelia, Mich.
El efecto de la inoculación con rizobacterias del
teocintle en maíz, se comparó contra una cepa de
Burkholderia cepacia ATTC 25416, donada por el Dr. J.
Balandreau de la Universidad
Claude Bernard, Lyon, Francia.
B. La especie cepacia es comúnmente
reconocida como una RPCV para el maíz, en el control
biológico de fitopatógenos de raíces de
está gramínea (Balandreau et al., 2000;
Bevivino et al., 2000; Kurek y Jaroszuk, 2003).
2. Inoculación del maíz en invernadero
con las RPCV del teocintle.
Las semillas del maíz se inocularon con una
densidad de
inoculo de 30×104 UFC/ml de cada RPCV del teocintle y
se sembraron tres semillas en una maceta con arena esterilizada
(180oC/1h/3 días. Después de la germinación
se dejaron dos plantas de
maíz por maceta. La superficie de las macetas se
cubrió con aserrín estéril y se
irrigó tres veces por semana.
El maíz se mantuvo en invernadero por 40
días. El maíz se irrigo tres veces por semana con
una solución mineral Thorton, con la siguiente
composición química en g/L: K2
HPO4 0.2 g, MgSO4 7.H2O 0.2,
Nac. 0.1, FeSO4 0.01 (NH)4 SO4
10, CuSO4 1 ml 1M, ZnCl2 0.22ml,
NaMoO4 1ml: Con el 50% de la dosis del
nitrógeno recomendado para el maíz en la
región (140 kg de N como urea). El cultivo se mantuvo en
invernadero por 40 días.
3. Inoculación del maíz en
campo.
El área experimental se ubicó en las
instalaciones de la Facultad de Medicina
Veterinaria y
Zootecnia "La Posta" de la UMSNH, en el municipio de
Tarímbaro, Mich. México. El tipo de suelo fue un
vertisol- pélico con materia
orgánica 1.5% (pobre); nitrógeno orgánico
39.0 kg/ha (pobre), pH 6.5 ligeramente ácido. Este lugar
se ubica en las coordenadas: 19º 46’ latitud norte y
101º 8’ longitud oeste, a 1860 msnm, a 5 km al
noroeste de la ciudad de Morelia, Mich, México.
Las semillas del maíz previamente humedecidas con
una solución sacarosa al 10% (P/V) se trataron con un
inoculante, que se preparó con un soporte tipo turba, en
donde con cada una de las RPCV del teocintle, se mezcló a
una densidad de 3×106 UFC de cada RPCV/ ml (Luna y
Sánchez-Yáñez 1991). Estás semillas
sembraron en campo a una profundidad de 30 cm, en un terreno de
una superficie de 800 m2. Éste se
preparó con tractor de la forma acostumbrada para el
cultivo del maíz: rastra, surcado y bordeo.
Se diseñaron parcelas experimentales de 5×4 m con
una superficie total de 20 m2, y una separación
de 1 m entre parcela. Cada una con cinco surcos de los cuales,
sólo se usaron las centrales para el muestreo del
maíz. Se utilizaron 0, 140 y 280 kg/ha de N como urea,
equivalente a las dosis 0, 50 y 100 %, recomendada para el
maíz, en esa zona del Bajío, en dos aplicaciones de
urea: a la primera escarda y al llenado del grano.
Se muestra el efecto
del aislado del teocintle sobre el maíz. Las rizobacterias
del teocintle tuvieron efecto en el maíz (Figura1), a 40
días después de la siembra Burkholderia sp
14 (B14), la que causó un incremento del 40% sobre
el peso seco de la raíz del maíz; superior al peso
seco de la raíz del maíz usado como control
relativo: sin inocular y fertilizado sólo con 140 kg de
N/ha como urea (50% de la dosis recomendada). Los aislados de
Burkholderia sp: 14, B9, B5 del teocintle e incluso
B. cepacia causaron un efecto positivo sobre el
crecimiento del maíz.
Este efecto se debe a que las rizobacterias pueden
transformar los ER del maíz en compuestos tipo auxina que
actúan como en SPCV (Bashan, 1998; Riggs et al.,
2001, Benizri et al., 2001); y se refleja, en el
número de raíces primarias, de secundarias y en
general de pelos radicales, (Jacoud et al., 1999; Bashan,
1998) el crecimiento en el patrón radical, influye
directamente en su capacidad de absorción de la urea
(Riggs et al., 2001; Dashti et al.,
1998).
Una respuesta semejante, se observó en el
maíz, cuando se le inoculó con K. oxitogena
(Bashan, 1986; 1998). El valor
numérico de la respuesta del maíz, a la
inoculación con las RPCV del teocintle, en términos
de peso seco, fue estadísticamente significativo
(P<0.05) y superior al valor de la respuesta de la
gramínea tratada exclusivamente con 140 kg/ha de N como
urea, pero sin inocular, en cambio, no
existieron diferencias con respecto del maíz fertilizado,
con la dosis máxima de 280 kg de N/ha como urea (100% de
lo recomendado para la zona), sin inocular, y que se usó
como control relativo, también señalado como CR2 en
esta Figura 1.
Resultados similares fueron reportados por Dashit et
al., (2000) y Sánchez-Yáñez et
al., (1997), donde la rizobacteria provocó un
aumentó de 25% en la absorción radical de la urea
al 50% de la dosis recomendada para este cultivo.
El maíz inoculado con RPCV del teocintle y
sembrado en campo tuvo un comportamiento
similar al resultado obtenido en laboratorio.
Figura 1. Efecto de la inoculación de las
rizobacterias promotoras del crecimiento del teocintle sobre el
peso seco de la raíz del maíz en
invernadero.
Rizobacterias del
teocintle
B-5=Burkholderia sp 5;
B-9=Burkholderia sp 9; Bc= Burkholderia cepacia
ATTC 25416; Ko= Klebsiella oxitogena; B-14
=Burkholderia sp 14; CR1= maíz y 50% dosis de urea,
CA; maíz sin urea, no inoculado, CR2= Maíz con la
dosis 100% de fertilizante como urea y sin inocular. n=20. Letras
iguales sin diferencia estadística significativa según
Tukey, (P<0.05).
Los aislados de Burkholderia sp 14, B9, Bc
y la entérica K. oxitogena del teocintle,
incrementaron individualmente hasta en un 30%, en promedio el
peso seco de la parte aérea del maíz, en
comparación con el peso seco determinado en el
maíz, usado como control relativo (CR1); sin inocular y
fertilizado con 140 Kg de N como urea (50% de la dosis
recomendada), a 40 días después de la siembra en
campo (Figura 2). Este efecto se explica por la posible
transformación de los ER del maíz en SPCV, por
estas rizobacterias del teocintle; ya que inducen a una mayor
proliferación de raíces secundarias y con ello
aumenta la absorción de urea (Riggs et al., 2001).
Este proceso
provocó que la respuesta de éste maíz, en
términos de peso seco en su parte área, fuera
similar estadísticamente (P<0.05) al peso seco de la
parte aérea del maíz sin inocular pero fertilizado
exclusivamente con 240 kg/ha de N como urea, (dosis 100%),
denominado CR2.
Figura 2. Efecto de la inoculación de las
rizobacterias promotoras del crecimiento del teocintle sobre el
peso seco de la parte aérea del maíz, en
invernadero.
Rizóbacterias del
teocintle
B-5=Burkholderia sp 5;
B-9=Burkholderia sp 9; Bc= Burkholderia cepacia
ATTC 25416; Ko= Klebsiella oxitogena; B-14
=Burkholderia sp 14; CR1= maíz y 50% dosis de urea,
CA; maíz sin urea, no inoculado, CR2= Maíz con la
dosis 100% de fertilizante como urea y sin inocular. n=20. Letras
iguales sin diferencia estadística significativa
según Tukey, (P<0.05).
En la figura 3, se muestra que a nivel del campo. Las
RPCV del teocintle como Burkholderia sp 14, los aislados
B9, Bc y la entérica Ko, ejercieron un
efecto positivo sobre el incremento en el rendimiento en grano de
maíz. Este rendimiento varía entre un 10 al 40%,
según se reporta para cultivos vegetales similares,
inoculados con otras RPCV (Reis et al., 2000).
En comparación con el rendimiento del grano del
maíz, utilizado como control relativo (CR1); pero sin
inocular y fertilizado con la dosis de 50% de urea (140 Kg/ha de
N), a 180 días después de su siembra.
Este efecto benéfico de los aislados de
Burkholderia en el especial del aislado B sp 14 y
de la entérica K. oxitogena, se registró
tanto en los primeros estadios de crecimiento del maíz,
como en su etapa reproductiva, como se señala en la
literatura se
registra cuando gramíneas se inoculan con RPCV a dosis
reguladas del FN (Chelius y Triplett, 2000; Bashan, 1998;
García et al., 1995).
El valor numérico del rendimiento en grano del
maíz inoculado (Caballero-Mellado et al., 1999;
Bashan, 1996), fue similar al rendimiento del grano del
maíz tratado, sólo con la dosis 100% del FN
recomendado de 240 kg/ha de N como urea, en el maíz
considerado control relativo ó CR2.
Estos resultados experimentales en invernadero y campo
apoyan que las RPCV del teocintle, interactúan con el
maíz, en parte probablemente por la estrecha
relación genética existente entre ambas
gramíneas (Calderón-Becerra et al.,
2000).
Lo que sugiere que estas RPCV del teocintle conviertan
los ER del maíz en SPCV, para generar un efecto
benéfico similar al reportado con las RPCV típicas
de las gramíneas domesticas, como las bien conocidas
especies del género
Azospirillum (Omay et al., 1993; Fulcheri y Frioni,
1994; Pandey et al., 1998). En términos de
crecimiento y rendimiento del maíz a dosis reducida del
FN. Con la ventaja de que las RPCV del teocintle, están
adaptadas a una condición nutricional natural adversa de
la región como la ausencia de N combinado.
Situación que las plantas silvestres enfrentan sin
aparente problema, por su interacción con las rizobacterias
benéficas de plantas, como las que se describen en este
trabajo (Sánchez-Yáñez et al., 1998;
Elbeltagy et al., 2000).
La inoculación del maíz con las RPCV del
teocintle, permite reducir la dosis del FN, alargar la vida
productiva del suelo, disminuir la contaminación de agua
superficial, subterránea y bajar costo de
producción del maíz. Las RPCV del teocintle,
pueden ser una fuente potencial de rizobacterias promotoras del
crecimiento vegetal para el maíz, a dosis reducidas de
fertilizante nitrogenado.
Figura 3. Efecto de la inoculación de las
rizóbacterias promotoras de crecimiento del teocintle
sobre el peso fresco grano del maíz, en el
campo.
B-5=Burkholderia sp 5;
B-9=Burkholderia sp 9; Bc= Burkholderia cepacia
ATTC 25416; Ko= Klebsiella oxitogena; B-14
=Burkholderia sp 14; CR1= maíz y 50% dosis de urea,
CA; maíz sin urea, no inoculado, CR2= Maíz con la
dosis 100% de fertilizante como urea y sin inocular. n=20. Letras
iguales sin diferencia estadística significativa
según Tukey, (P<0.05).
AGRADECIMIENTOS
Al proyecto 2.7 de
la CIC UMSNH (2005-2006) por apoyar está investigación. Al CONACYT
(México)-CNRS (Francia) clave No. E130-132/98. A la
Universidad Claude Bernard, Lyon 1, al laboratorio de Ecología Microbiana
del suelo, Dr. Jaques Balandreau al Dr. Tran Van Van del mismo
lugar. Al MVZ. Farías de la FMVZ de la UMSNH, por las
facilidades para el experimento de campo. A Beatriz Noriega-
Gamboa por su trabajo secretarial.
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Ed. B-1, Ecología microbiana2.
Edificio B-1. Instituto de Investigaciones Químico
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México.