Papel beneficioso que determinados microorganismos rizosféricos del suelo (bacterias, hongos y levaduras) ejercen sobre la adquisición de hierro, fósforo y otros elementos en plantas de arroz

Abstract

El arroz (Oryza sativa L.) forma parte de la dieta básica de más de la mitad de la población mundial, siendo uno de los cereales más cultivados en todo el mundo. Actualmente, los sistemas de producción se basan en el empleo de variedades de alto rendimiento y en el uso excesivo de fertilizantes químicos, lo que acarrea graves problemas medioambientales, relacionados con la contaminación, tanto de aguas como del suelo, y la consiguiente reducción de la biodiversidad. Urge encontrar alternativas que palien esta situación. Una de las más demandadas actualmente es el empleo de microorganismos de suelo como biofertilizantes, lo que implica un mayor conocimiento y gestión de la rizosfera. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha sido caracterizar el posible efecto inductor de los microorganismos rizosféricos del suelo Fusarium oxysporum (FO12), Pseudomonas simiae (estirpe WCS417) y Debaryomyces hansenii (CBS 767) sobre la adquisición de nutrientes. En este sentido, se ha estudiado si inducen los mecanismos de respuesta de las plantas a las deficiencias de hierro (Fe) y fósforo (P), así como la participación del etileno en dicha inducción. También se ha comprobado si dichos microorganismos afectan el crecimiento, el desarrollo y la producción de las plantas de arroz. Para la consecución del objetivo planteado, se llevaron a cabo experimentos en macetas con suelo calizo, bajo condiciones de invernadero, y en cultivo hidropónico en cámaras de crecimiento. Se emplearon diferentes técnicas de inoculación con los microorganismos utilizados y se recrearon diferentes condiciones de deficiencia nutricional. Nuestros resultados muestran que la cepa no patogénica de Fusarium oxysporum FO12 promueve la producción de fitosideróforos y el desarrollo de las plantas crecidas en cultivo hidropónico bajo deficiencia de Fe. También que la colonización de los tejidos corticales de las raíces por parte de FO12 es más profusa en condiciones de eficiencia de Fe. La levadura Debaryomyces hansenii (Dh) induce el desarrollo, crecimiento y la producción de plantas de arroz crecidas en macetas con suelo calizo. Así mismo, induce la actividad de las fosfatasas acidas y la expresión de los genes que las codifican, tanto en condiciones de suficiencia como de deficiencia de P. Tanto D. hansenii como la estirpe WCS417 de la bacteria rizosférica Pseudomonas simiae tienen un efecto positivo en la producción de fitosideróforos por las raíces de planta de arroz crecidas en condiciones de deficiencia de Fe, así como en la expresión de los genes que los codifican. Todos los microorganismos analizados en esta Tesis Doctoral tienen un efecto inductor sobre la expresión de genes relacionados con el etileno lo que sugiere que dicha hormona juega un papel importante en los procesos de regulación de los mecanismos de respuesta que las plantas de arroz desencadenan en momentos de estrés nutricional. En conclusión, los tres microorganismos han demostrado ciertas cualidades que les permitirían ser utilizados como biofertilizantes del cultivo del arroz. Ello posibilitaría una agricultura más sostenible y respetuosa con el medio ambiente, promoviendo la salud del suelo, reduciendo el impacto ambiental de la agricultura y contribuyendo a la seguridad alimentaria, al mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos.

Rice (Oryza sativa L.) is part of the basic diet of more than half of the world's population, being one of the most cultivated cereals in the world. Currently, production systems are based on the use of high-yielding varieties and the excessive use of chemical fertilizers, which leads to serious environmental problems related to the contamination of both water and soil and the consequent reduction in biodiversity. It is urgent to find alternatives that alleviate this situation. One of the most promising alternatives is the use of soil microorganisms as biofertilizers, which implies greater knowledge and management of the rhizosphere. The main objective of this PhD has been to characterize the possible inductive effect of the rhizospheric soil microorganisms Fusarium oxysporum (FO12), Pseudomonas simiae (WCS417) and Debaryomyces hansenii (CBS767) on the acquisition of nutrients. In this sense, the role of these microorganisms on both iron (Fe) and phosphorus (P) deficiency responses have been studied. Also the participation of ethylene in the regulatory processes of these responses and the role of these microorganisms on the growth, development and production of rice plants. To achieve these objectives, experiments have been carried out in pots with calcareous soil, under greenhouse conditions, and in hydroponic systhem in growth chambers. Different inoculation techniques were used with the microorganisms used and different nutritional deficiency conditions were recreated. Our results showed that the non-pathogenic strain of Fusarium oxysporum FO12 promoted the production of phytosiderophores and the development of plants grown in hydroponic culture under Fe deficiency conditions. Also, the colonization of the cortical tissues of the roots by FO12 was more profuse in Fe deficiency conditions. The yeast Debaryomyces hansenii induced the development, growth and production of rice plants grown in pots with calcareous soil and induced the activity of acid phosphatases and the expression of the genes that encode them, both under conditions of Fe deficiency and P deficiency. Both D. hansenii and the WCS417 strain of the rhizospheric bacterium Pseudomonas simiae had a positive effect on the production of phytosiderophores by the roots of rice plants grown under Fe deficiency conditions, as well as on the expression of the genes that encode them. All the microorganisms analyzed in this PhD had an inductive effect on the expression of genes related to ethylene, which confirms the key role of this hormone in the regulation of the responses that rice plants trigger under nutritional stress conditions. In conclusion, the three microorganisms have demonstrated certain qualities that would allow them to be used as biofertilizers for rice cultivation. This could lead to achieve a more sustainable and environmentally friendly agriculture, promoting soil health, reducing the environmental impact of agricultura and contributing to food security by improving crop yield and quality.