Microorganismos del suelo y su papel en la agricultura sustentable

La agricultura convencional o intensiva, al ritmo actual de crecimiento de la población humana, se presenta como una gran amenaza para la biodiversidad del suelo debido al uso excesivo de agroquímicos, la disminución de la materia orgánica y la contaminación del suelo, entre otros factores.

Esto ha generado una alteración y agotamiento de las diferentes especies de micro, meso y macro fauna que se encargan de mantener el equilibrio en los diversos procesos biológicos que ocurren en el suelo. Esta pérdida de equilibrio pone en riesgo la seguridad alimentaria a nivel mundial.

En este contexto, las buenas prácticas agrícolas promovidas por la agricultura sustentable han surgido como solución de mitigación a los daños causados por la agricultura intensiva.

La agricultura sustentable o sostenible es aquella que promueve la calidad del medio ambiente y la conservación de los recursos naturales, proporcionando alimentos saludables para el ser humano, es económicamente viable y mejora la calidad de los cultivos y de la sociedad en su conjunto.

Este tipo de agricultura intenta reducir el uso de insumos químicos y de energía, junto con un mejor manejo y tratamiento del suelo. Esto ha supuesto la introducción de prácticas agrícolas que permitan mantener los equilibrios ecosistémicos, así como también la introducción de herramientas biotecnológicas como el aislamiento y evaluación de microorganismos benéficos del suelo para elaborar fertilizantes y bioestimulantes naturales.

El suelo es un sistema vivo en el que se desarrollan funciones esenciales para el medio ambiente y para la agricultura, y se considera que es saludable cuando preserva una alta biodiversidad buenas características fisicoquímicas.

La parte viva del suelo (biota) se compone de una gran variedad de especies de microorganismos, como bacterias, hongos y microalgas; microanimales como artrópodos o nemátodos, además de la meso y macrofauna.

La fauna y microbiota edáfica se utilizan como bioindicadores de la calidad del suelo y para determinar el grado de recuperación o degradación del mismo.

Los microorganismos del suelo transforman los compuestos orgánicos e inorgánicos en formas más simples y accesibles como parte de su metabolismo a través de procesos bioquímicos extraordinariamente complejos.

Estas transformaciones son críticas para los ecosistemas, ya que influyen en la disponibilidad de nutrientes para el crecimiento de las plantas y otros organismos, la materia orgánica del suelo y el ciclo de nutrientes, y la filtración, degradación e inmovilización de los contaminantes en el agua y el suelo.

La diversidad del suelo está vinculada a procesos biológicos como el control de patógenos y también a la salud vegetal y al aumento de la producción agrícola, por lo que un mejor conocimiento de los microbios proporciona un poder predictivo para que comprendamos cómo responderán los sistemas del suelo a los cambios en los factores climáticos, el comportamiento de otros organismos vivos y los diversos sistemas de cultivo e insumos utilizados.

Los avances analíticos y de laboratorio de la última década nos permiten estudiar comunidades enteras de microorganismos o consorcios microbianos, y de este modo, desarrollar nuevos enfoques para abordar la salud de los cultivos vegetales y la protección del medio ambiente.

Se ha descubierto que la microbiota del suelo y los consorcios microbianos que la componen influyen en la calidad y la longevidad de los cultivos cosechados. De hecho, el aumento de la biodiversidad microbiana estabiliza el funcionamiento de los agroecosistemas y aumenta la resistencia al cambio climático.

Los consorcios de hongos y bacterias tienen múltiples aplicaciones en la agricultura sostenible, ya que permiten una mayor captación de nutrientes y, por otro lado, el biocontrol de patógenos o plagas, lo cual reduce o elimina sus efectos dañinos en las plantas y sus productos.

Asimismo, se ha detectado que diferentes comunidades de hongos del suelo afectan su formación o estabilización a través de diferentes mecanismos físicos, bioquímicos y biológicos. Esto ayudar a mejorar la sostenibilidad de toda la cadena de valor agrícola, ya que se trata de una forma prometedora de mejorar la calidad del suelo.

Así pues, la promoción de prácticas agrícolas que aumenten la biodiversidad y la composición de los microorganismos del suelo, como la agricultura orgánica o ecológica, representa una importante alternativa para obtener alimentos de buena calidad y mejoras en aspectos ambientales, económicos y sociales.

Los microbios del suelo, como las bacterias y los hongos, son proveedores clave de los servicios que brindan los ecosistemas terrestres tales como la fertilidad del suelo o la retención de carbono y agua, que disminuye la emisión de gases de efecto invernadero.

Además, impulsan procesos multifuncionales que abarcan las interacciones entre diferentes comunidades microbianas y los demás componentes de la biota del suelo (como las plantas y los animales invertebrados).

Dentro de esta compleja red interconectada, los microorganismos son responsables de mantener los flujos de energía que sustentan todo el ecosistema, y cualquier cambio en los mismos influye en toda la cadena alimentaria.

El cambio climático, con consecuencias tan evidentes como las sequías, el aumento de la temperatura y el incremento del CO2, genera cambios ambientales que afectan a la comunidad microbiana y, por tanto, a todo el ecosistema. En la agricultura, esto genera un gran desafío, ya que hay un gran impacto en la productividad y resiliencia de los sistemas agrícolas.

Por este motivo, el uso agrícola de consorcios microbianos que contienen bacterias, y hongos está en su fase exponencial, basándose en una serie de evidencias probadas en el cultivo de trigo, las verduras mediterráneas, la lechuga, las hortalizas, la albahaca, el tomate y el maíz.

Los grupos de microorganismos más relevantes en el suelo son los hongos micorrícicos arbusculares y las bacterias promotoras del crecimiento vegetal. En conjunto, estos microorganismos aumentan la fijación y la absorción de nitrógeno (N), solubilizan el fósforo (P), convierten el amonio (NH4+) en nitrato soluble (NO3-) y fácilmente asimilable, protegen de los patógenos e incluso remedian los suelos contaminados.

Entre los microorganismos presentes en el suelo, los hongos micorrícicos arbusculares (HMA) son fundamentales para la ecología del suelo y la agricultura. Forman una asociación simbiótica compuesta por el 93% de las familias de plantas terrestres, incluyendo múltiples cultivos agrícolas, siendo las más frecuentes en la naturaleza.

Los HMA pueden ser una excelente alternativa como biofertilizante en la agricultura, como lo demuestran múltiples estudios de laboratorio y de campo. Su simbiosis con las plantas consiste en recibir carbohidratos y lípidos de la planta y tener estructuras específicas que permiten el intercambio de nutrientes con las plantas a nivel de la corteza de la raíz.

Estos hongos tienen varias funciones y beneficios para las plantas, que se relacionan principalmente con el aumento de la absorción de nutrientes, promoviendo la absorción de fósforo, hierro y zinc por los cultivos a través de las vías directas de las raíces de las plantas. Asimismo, tienen la capacidad de reforzar la resistencia al estrés biótico (diversos tipos de estrés ambiental o del entorno) que puede afectar negativamente a su crecimiento.

De este modo, los hongos micorrícicos arbusculares influyen positivamente en el crecimiento de los cultivos, el rendimiento y el éxito reproductivo, reduciendo así la necesidad de usar fertilizantes en los sistemas agrícolas.

En suelos muy degradados, un inóculo externo de HMA podría ser beneficioso, teniendo en cuenta algunas consideraciones como el tipo de especie y las características del sistema agrícola, mientras que en otros casos se podrían promover comunidades de especies nativas.

Las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal, o PGPR, son un grupo diverso de bacterias que colonizan la rizósfera de las plantas (parte del suelo que se encuentra alrededor de las raíces vivas) mostrando un impacto positivo en el medio ambiente.

Las interacciones entre la planta y estas rizobacterias son sinérgicas y producen beneficios relevantes tanto para los cultivos como para el microbioma de la planta. Por un lado, la planta promueve el establecimiento de estas bacterias a través de la producción de sustancias orgánicas liberadas por las raíces que incluyen carbohidratos, aminoácidos, ácidos orgánicos, enzimas, hormonas, entre otros (denominadas exudados radiculares).

Una vez introducidas, las PGPR muestran un beneficio para el crecimiento de la planta (en términos de rendimiento por hectárea de tierra), rasgos de calidad de la cosecha y salud de la planta a través de diversos mecanismos.

Por un lado, los mecanismos directos promueven el crecimiento de las plantas mediante la liberación de sustancias que estimulan la producción de biomasa, el desarrollo de las raíces y el alargamiento del tallo.

Las actinobacterias (o actinomicetos) son el mayor grupo de bacterias procariotas, dentro de los cuales hay especies cultivables y no cultivables. Las bacterias que están presentes en ambientes terrestres tienen un amplio interés económico y científico, centrado principalmente en el estudio de su aplicación en la salud humana, en la farmacología y la agricultura.

Algunas actinobacterias promueven el crecimiento de las plantas en condiciones de estrés abiótico y biótico, debido a la síntesis de reguladores del crecimiento vegetal (fitohormonas) y ácidos orgánicos. Las actinobacterias pueden fijar el nitrógeno atmosférico, solubilizar minerales como el fósforo y algunas especies pueden producir antibióticos in situ contribuyendo a mantener la salud de las plantas.

Las actinobacterias pueden colonizar las raíces de las plantas o adherirse a las células epidérmicas o subcorticales de las raíces. Estas bacterias desempeñan un importante papel en la descomposición de la materia orgánica vegetal, jugando un papel vital en procesos como el ciclo del carbono.

Estas bacterias tienen la capacidad de persistir en el suelo con una alta densidad celular y una elevada tasa de viabilidad. De esta forma, actúan suprimiendo el crecimiento de fitopatógenos y promoviendo el crecimiento de importantes plantas de cultivo, como el maíz, el tomate y el plátano, o con la capacidad de fijar el nitrógeno en plantas no leguminosas.

En cuanto a las bacterias fijadoras de nitrógeno, otro tipo de actinobacterias, estas se utilizan como alternativa a los fertilizantes químicos nitrogenados. Se han generado productos comerciales basados en actinobacterias que protegen a las plantas contra enfermedades foliares y transmitidas por el suelo. Estos organismos pueden utilizarse como insecticidas, herbicidas, antifúngicos y agentes de biocontrol, así como promotores del crecimiento de las plantas.

En definitiva, la aplicación biotecnológica de microorganismos en la agricultura, ya sea mediante la selección e inoculación de cepas microbianas específicas o simplemente promoviendo la actividad de los microbios naturales, demuestra un gran potencial para la agricultura sustentable.

El uso de los consorcios microbianos mediante la aplicación de biofertilizantes o bioestimulantes para cultivos es muy útil en suelos agrícolas de clima mediterráneo que tienen un porcentaje inferior al 3,5% de materia orgánica, donde los microorganismos ya no pueden realizar sus funciones.

Teniendo en cuenta que en estos casos la microbiota del suelo debe ser restaurada, la aplicación de consorcios microbianos es el enfoque preferido. Estos inoculantes naturales tendrán un menor impacto ecológico en el ecosistema y, por tanto, en el medio ambiente y la salud.

Otro ejemplo de su utilidad se podría trasladar al caso de América Latina y África, donde es imprescindible que los agricultores, las grandes empresas agrícolas y los responsables políticos se centren en la salud del suelo y la biodiversidad, complementando el actual paradigma de la productividad con objetivos de sostenibilidad y conservación.

Los avances biotecnológicos han permitido demostrar que existen mecanismos de comunicación bacteriana a través de moléculas señal (como una hormona o un metabolito secundario), conocidos como quorum sensing (QS), y de los procesos inhiben dicha comunicación, conocidos como quorum quenching (QQ). Ambos influyen en el crecimiento de los vegetales, específicamente induciendo la resistencia a microorganismos patógenos de plantas y a factores abióticos de estrés, tema de gran relevancia que trataremos próximamente en este blog.

Fuentes:

Actividad promotora del crecimiento de las plantas y biocontrol mediado por el quórum de fitopatógenos bacterianos por la cepa P6 de Pseudomonas segetis (2020). Revista Nature (Plant growth-promoting activity and quorum quenching-mediated biocontrol of bacterial phytopathogens by Pseudomonas segetis strain P6) [CC BY 4.0].

Impacto de las moléculas de detección de quórum en el crecimiento de las plantas y el sistema inmunitario (2020). Revista Frontiers. Microbiol (Impact of Quorum Sensing Molecules on Plant Growth and Immune System) [CC BY 4.0].