Biotecnología Vegetal

Rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal: potencial para la agricultura sostenible

ABSTRACT With growing world population, there is an exponential increase in demand for food. The use of chemical fertilizers to improve crop productivity is associated with considerable health risks, environmental hazards, and costs. In this scenario, biofertilizers or microbial fertilizers appear to be an important alternative strategy. Therefore, this manuscript was proposed document the importance of biofertilizers and plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) as candidates for it production. The various underlying mechanisms promoting the growth of plants, different types and comparison with chemical fertilizers are compiled in this review and the potential for developing a sustainable agriculture.

RESUMEN Con la creciente población mundial, hay un aumento exponencial de la demanda de alimentos. El uso de fertilizantes químicos para mejorar la productividad de los cultivos está asociado con considerables riesgos para la salud, peligros ambientales y costos. En este escenario, los biofertilizantes o fertilizantes microbianos parecen ser una estrategia alternativa importante. Por lo tanto, este manuscrito fue propuesto para documentar la importancia de los biofertilizantes y las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR) como candidatos para su producción. En esta revisión se compilan los diversos mecanismos subyacentes que promueven el crecimiento de plantas, los diferentes tipos y la comparación con los fertilizantes químicos y el potencial para desarrollar una agricultura sostenible.

Potencial de Bacillus pumilus Bp4185 y Bacillus thuringiensis Bt3971 para el biocontrol de la broca del café

ABSTRACT Coffee berry borer (Hypothenemus hampei), is one of the main pests affecting coffee production worldwide. This pest feeds and reproduces inside the berry reducing its weight and quality, causing losses up to 50%. Some strains of Bacillus have plasmids that incorporate cry and cyt genes, whose products have toxic properties to insects. Bacillus thuringiensis and Bacillus pumilus have been evaluated as entomopathogenic. The objectives of this study was to determine the potential of two native Bacillus strains (B. thuringiensis Bt3971 and B. pumilus Bp4185) isolated from coffee ecosystem of Puerto Rico as biocontrol of coffee berry borer. The presence of a 12 kbp plasmid was confirmed in Bt3971 and Bp4185, and a 116 kDa protein with entomopathogenic potential from Bt3971. After 48 h of treatment, Bt3971 (A590=0.8, approximately 1010 CFU ml-1) caused 55% mortality and 82% at 72 h in a population of insects. Bp4185 strain, at 72 h caused 55% mortality (A590=1.0, approximately 1012 CFU ml-1) and 46% at 96 h (A590=0.8). Both native bacterial strains, adapted to the environmental conditions of Puerto Rico, have potential for biological control of coffee berry borer.

RESUMEN La broca del café (Hypothenemus hampei) es un de las plagas principales del cultivo y efecta su producción a nivel mundial. El insecto crece y se reproduce dentro de la fruta y reduce su peso y calidad, lo que causa pérdidas hasta del 50%. Algunas cepas del género Bacillus contienen plásmidos con genes del tipo cry y cyt que codifican por proteínas tóxicas a insectos. Bacillus thuringiensis y Bacillus pumilus se han evaluado como entomopatógenas. Este estudio tuvo como objetivo determinar el potencial de Bacillus thuringiensis Bt3971 y Bacillus pumilus Bp4185 para el biocontrol de H. hampei. La presencia de plásmidos de 12 kbp fue confirmada en ambas cepas, así como una proteína de 116 kDa potencialmente entomopatógena en Bt3971. Después de 48 h de tratamiento, Bt3971 ocasionó 55% de mortalidad (A590=0.8, aproximadamente 1010 UFC ml-1) y 82% a las 72 h en la población de insectos. Bp4185 a las 72 h produjo 55% de mortalidad (A590=1.0, aproximadamente 1012 UFC ml-1) y 46% a las 96 horas (A590=0.8). Ambas cepas nativas, adaptadas a las condiciones ambientales de Puerto Rico, tienen potencial para el control biológico de la broca del café.

Efecto de una combinación indígena de AM y PGPR sobre el crecimiento y la productividad de chiles en suelos lateríticos

ABSTRACT Infertile lateritic soil is particularly deficient in phosphorus (P) and Nitrogen (N). Arbuscular Mycorrhiza (AM) has a key role to uptake bound P from the soil and provide to the plants growing under P-poor conditions and improve water and nutrient uptake. Azotobacter fixes free nitrogen and phosphate solubilizing bacteria (PSB) release bound phosphate, are the important groups of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), sometimes they may act as mycorrhiza helper and applied with AM as biofertilizer. This pot experiment was conducted to determine the primary impact of singly and combined application of native bio-inoculants, the AM, Acaulospora, and the PGPR, Azotobacter and Pseudomonas sp. (PSB) on growth and yield of chilli (Capsicum frutescens L.), growing in acid lateritic soil. Inoculated treatments were compared for growth and productivity of chilli in terms of height, leaf number, leaf area, root collar diameter, number of flowers and number of fruits, final fresh and dry yield. The productivity of chilli showed a maximum in combined treatment of Acaulospora, Azotobacter, and PSB. Also the AM spore count and root colonization found maximum in that treatment. Hence the application of indigenous AM inoculation along with native PGPR, Azotobacter and PSB may present better productivity in low fertile lateritic soil.

RESUMEN El suelo laterítico infértil es particularmente deficiente en fósforo (P) y nitrógeno (N). Las micorrizas arbusculares (AM) tiene un papel clave para absorber el P unido del suelo y proporcionar a las plantas que crecen en condiciones de P pobre y mejorar la absorción de agua y nutrientes. Azotobacter que fija el nitrógeno libre y las bacterias solubilizadoras de fosfato (PSB), son grupos importantes de rizobacterias que promueven el crecimiento de las plantas (PGPR). A veces pueden actuar de conjunto con micorrizas y aplicarse con AM como biofertilizante. Este experimento en maceta se realizó para determinar el impacto primario de la aplicación individual y combinada de bio-inoculantes nativos, AM Acaulospora y PGPR Azotobacter y Pseudomonas sp. (PSB) sobre el crecimiento y el rendimiento del chile (Capsicum frutescens L.), que crece en suelo ácido laterítico. Los tratamientos inoculados se compararon para el crecimiento y la productividad del chile en términos de altura, número de hojas, área foliar, diámetro de raíz, número de flores, número de frutos, rendimiento final fresco y seco. La productividad de los chiles mostró un máximo en el tratamiento combinado de Acaulospora, Azotobacter y PSB. También el recuento de esporas de AM y la colonización de raíces encontraron el máximo en ese tratamiento. De ahí la aplicación de la inoculación de AM indígena junto con PGPR nativo, Azotobacter y PSB pueden presentar una mejor productividad en suelos lateríticos de baja fertilidad.

Optimización del medio de cultivo y las condiciones de fermentación para la producción de un biofertilizante a base de Azotobacter chroococcum

RESUMEN En Cuba se ha desarrollado un biofertilizante a base de una cepa de Azotobacter chroococcum, fijadora de nitrógeno. Ante la necesidad de estandarizar su escalado industrial este trabajo tuvo por objetivo optimizar el medio de cultivo y las condiciones de fermentación. Se realizaron ensayos a escala de zaranda y luego en fermentador. En cada caso se realizó validación experimental. Para la optimización del medio de cultivo, se aplicó un diseño factorial 23 con puntos estrellas equidistantes y seis repeticiones en el centro del plan, para ajustar superficies respuesta. Se realizaron un total de 19 corridas experimentales, con tres repeticiones cada una y se determinó la ecuación de regresión. Como variable respuesta se determinó el crecimiento celular por densidad óptica λ=540nm (DO540). Para optimizar el crecimiento microbiano en función de la velocidad de agitación y el flujo de aire se empleó un fermentador de 7.5 litros con un diseño factorial 22, tomando como variable respuesta la DO540. Con el medio de cultivo optimizado se obtuvo un crecimiento de 2 - 4 x 109 UFC ml-1, que unido al empleo de una velocidad de agitación y flujo de aire óptimo permiten incrementar el contenido de biomasa bacteriana. Se redujo el tiempo de fermentación a 10 horas con respecto a las 20 a 22 horas que se empleaban en el esquema de producción. Se redujo el 40%, 50% y 20% respectivamente de las fuentes de carbono, nitrógeno y fósforo.

ABSTRACT In Cuba, a biofertilizer has been developed based on a nitrogen fixer Azotobacter chroococcum strain. This work aimed to optimize the culture medium and the fermentation conditions for industrial scale. First, tests in the shaker were carried out and then in a fermenter. In each case an experimental validation was performed. For the optimization of the culture medium, a central composite design was used to adjust response surfaces. A 23 factorial design with equidistant star points and six repetitions in the center of the plan. A total of 19 experimental runs were performed, with three repetitions determined. As a response variable, cell growth was determined by optical density λ = 540nm (OD540). To optimize microbial growth based on agitation speed and air flow, a 7.5, liter with a factorial design 22 was used, taking OD540 as the response variable. With the means of optimized cultivation a growth of 2-4 x 109 UFC ml-1 was obtained that allow to increase the content of bacterial biomass together to the use of a speed of agitation and good flow of air. The new conditions allowed to reduce the time of fermentation at 10 hours, less than 20 to 22 hours used in the production scheme. In addition, 40%, 50% and 20% respectively, of carbon, nitrogen and phosphorus sources were reduced.

Establecimiento in vitro de segmentos nodales de Handroanthus heptaphyllus de flores blancas

RESUMEN La micropropagación podría ser utilizada como alternativa viable en la producción masiva de Handroanthus heptaphyllus (Vell.) Mattos (lapacho de flores blancas). El objetivo del presente trabajo fue establecer in vitro segmentos nodales de H. heptaphyllus. Los segmentos nodales fueron tomados de plantas jóvenes mantenidas en viveros a las cuales se les aplicaron tratamientos preventivos con fungicidas. Los explantes se desinfectaron con Hipoclorito de Sodio (NaClO) que se probó al 5 o al 10% durante 5 min. Posteriormente se colocaron en medio de cultivo Murashige y Skoog. Semanalmente hasta los 35 días de cultivo se cuantificaron los explantes vivos, contaminados o con necrosis. Los resultados demostraron la presencia de contaminantes microbianos en los explantes sometidos a los dos tratamientos. La incidencia en los explantes desinfectados con NaOCl al 10% no sobrepasó el 45% mientras que con 5% alcanzó 70%. Sin embargo, con la mayor concentración se produjeron pérdidas de 35% por necrosis de los explantes y una supervivencia de 20%. El uso se segmentos nodales de plantas jóvenes de H. heptaphylus de flores blancas permite su establecimiento in vitro como primer paso para la micropropagación de esta especie.

ABSTRACT Micropropagation could be used as a viable alternative in the mass production of Handroanthus heptaphyllus (Vell.) Mattos (white lapacho). The objective of the present work was to establish in vitro of nodal segments of H. heptaphyllus. The nodal segments were taken from young plants kept in nurseries to which preventive treatments with fungicides were applied. The explants were disinfected with Sodium Hypochlorite (NaClO) which was tested at 5 or 10% for 5 min. Subsequently, it were placed in Murashige and Skoog culture medium. Live, contaminated or necrotic explants were quantified weekly until 35 days of culture. The results demonstrated the presence of microbial contaminants in the explants subjected to the two treatments. The incidence in the explants disinfected with 10% NaOCl did not exceed 45%, while with 5% it reached 70%. However, with the highest concentration there were losses of 35% due to necrosis of the explants and a survival of 20%. The use of nodal segments of young plants of white H. heptaphylus allows its in vitro establishment as a first step for the micropropagation of this species.

Inducción de respuestas defensivas en caña de azúcar frente a Sugarcane mosaic virus con dos bioproductos

RESUMEN La caña de azúcar (Saccharum spp.), principal cultivo azucarero a nivel mundial, es afectada por múltiples agentes patógenos. Una de las enfermedades virales más importantes en este cultivo es el mosaico, causado por Sugarcane mosaic virus (SCMV). Esta investigación se realizó con el objetivo de demostrar la capacidad de dos bioproductos para inducir una respuesta de defensa contra este virus. El primero basado en la encapsulación de la enzima endopoligalacturonasa de la levadura Kluyveromyces marxianus CCEBI 2011 y otro cuyo principio activo está constituido por compuestos fenólicos producidos por caña de azúcar en biorreactores de inmersión temporal. Los cultivares SP70-1284 susceptible al SCMV y C323-68 resistente, fueron tratados con los bioproductos e inoculados con SCMV. Se evaluó la severidad de la infección, la acumulación de radicales superóxido y la expresión de 10 genes relacionados con la defensa. El cultivar resistente no presentó síntomas de infección durante el desarrollo del experimento, mientras que en el susceptible la aplicación de ambos bioproductos disminuyó la severidad de la infección entre 38.9 y 44.4% con respecto al control. Se observó la presencia de radicales superóxido en las primeras horas de interacción caña de azúcar - SCMV, mientras que a los 28 días post inoculación, se apreció una expresión diferenciada de tres genes relacionados con la defensa antiviral. Se demostró la capacidad de ambos bioproductos para inducir respuestas defensivas en caña de azúcar contra el SCMV.

ABSTRACT Sugarcane (Saccharum spp.), main sugar crop worldwide, is affected by multiple pathogens. One of the most important viral diseases in this crop is mosaic, caused by Sugarcane mosaic virus (SCMV). This research was conducted with the objective of demonstrating the ability of two bioproducts to induce defenses response against this virus. The first based on the encapsulation of the endopolygalacturonase enzyme of the yeast Kluyveromyces marxianus CCEBI 2011 and another whose active principle is constituted by phenolic compounds produced by sugarcane in temporary immersion bioreactors. SP70-1284 cultivars susceptible to SCMV and resistant C323-68 were treated with the bioproducts and inoculated with SCMV. The severity of the infection, the accumulation of superoxide radicals and the expression of 10 defense-related genes were evaluated. The resistant cultivar did not show symptoms of infection during the development of the experiment, while in the susceptible the application of both bioproducts decreased the severity of the infection between 38.9 and 44.4% with respect to the control. The presence of superoxide radicals was observed in the first hours of sugarcane-SCMV interaction, while at 28 days’ post inoculation, a differentiated expression of three genes related to antiviral defense was observed. The ability of both bioproducts to induce defensive responses in sugarcane against SCMV was demonstrated.

Primer retoño a partir de esquejes o vitroplantas libres de Xanthomonas albilineans puede utilizarse como semilla en la producción de caña de azúcar

RESUMEN Uno de los factores que limita la producción de caña de azúcar (Saccharum spp.) es el empleo de semilla de baja calidad. El trabajo tuvo como objetivo demostrar la factibilidad del uso del primer retoño procedente de plantas propagadas in vitro o esquejes como semilla con calidad fitosanitaria con respecto a la presencia de Xanthomonas albilineans, agente causal de la escaldadura foliar. Se emplearon dos cultivares (C1051-73 y C90-469) y tres tipos de material vegetal de plantación (esquejes de una yema, esquejes de tres yemas y vitroplantas). Las evaluaciones se realizaron a los 10 meses de edad en la cepa de caña planta y primer retoño. Las variables analizadas fueron diagnóstico serológico por UMELISA y tinción de los vasos del xilema para la presencia de X. albilineans, rendimiento agrícola y sus componentes. Además, fueron comparados los resultados de ambas cepas en las variables t caña ha-1, diagnóstico por UMELISA y por tinción de los vasos del xilema. Los resultados reflejaron que los cultivares y tratamientos no mostraron diferencias significativas en cuanto a los métodos de diagnóstico utilizados en las cepas evaluadas. El rendimiento agrícola (t caña ha-1) fue superior para el tratamiento con esquejes de tres yemas en caña planta y en retoño lo fue para las plantas reproducidas in vitro. El número de tallos en las dos cepas, se incrementó en la propagación con vitroplantas. En la comparación entre la cosecha de caña planta y primer retoño solo hubo diferencias significativas en el rendimiento agrícola y el porcentaje de vasos funcionales del xilema, las que estuvieron a favor del retoño. Se demostró la factibilidad del uso del primer retoño a partir de vitroplantas y esquejes, como semilla con calidad fitosanitaria con respecto a la presencia de X. albilineans.

ABSTRACT One of the factors that limits the production of sugarcane (Saccharum spp.) is the use of poor quality seed. The objective of the work was to demonstrate the feasibility of using the first ratoon from in vitro propagated plants or cuttings as seed with phytosanitary quality with respect to the presence of Xanthomonas albilineans, the causal agent of foliar scald. Two cultivars (C1051-73 and C90-469) and three types of planting plant material were used (one-bud cuttings, three-bud cuttings and vitroplants). The evaluations were carried out at 10 months of age in the plant and first shoot cane strain. The variables analyzed were serological diagnosis by UMELISA and staining of the xylem vessels for the presence of X. albilineans, agricultural yield and its components. In addition, the results of both strains were compared in the variables t cane ha-1, diagnosis by UMELISA and by staining of the xylem vessels. The results reflected that the cultivars and treatments did not show significant differences regarding the diagnostic methods used in the strains evaluated. The agricultural yield (t cane ha-1) was superior for the treatment with cuttings of three buds in cane plant and in shoot it was for plants reproduced in vitro. The number of stems in the two strains increased in the propagation with vitroplants. In the comparison between the cane plant and first shoot, there were only significant differences in agricultural yield and the percentage of functional vessels of the xylem, which were in favor of the shoot. It was demonstrated the feasibility of using the first shoot from vitroplants and cuttings, as seed with phytosanitary quality with respect to the presence of X. albilineans.

Explorando la eficacia del biocontrol de Trichoderma spp. contra Fusarium sacchari, el agente causal de la marchitez de la caña de azúcar

ABSTRACT Wilt caused by Fusarium sacchari, is one of the major diseases of sugarcane (Saccharum spp.) causing considerable economic loss. Trichoderma spp. are important biocontrol agents which have been exploited effectively for the management of several plant diseases including wilt in various crops. The present study was undertaken to evaluate the antagonistic potential of Trichoderma spp. against sugarcane wilt pathogen. A total of 103 Trichoderma isolates comprising of 43 isolates established from sugarcane rhizosphere soils as well as 60 endophytic isolates established from root, leaf and stalk tissue of sugarcane were assessed for their antagonistic activity against F. sacchari by dual culture technique. We observed considerable variability in the inhibitory activity of the 103 isolates against the pathogen with inhibition ranging from 1.4% to 27.2% (SER42). In general, the endophytic Trichoderma isolates were more effective in inhibiting F. sacchari as compared to rhizospheric isolates in dual culture studies. Twelve most promising endophytic isolates were selected and assessed further for production of soluble inhibitory metabolites against F. sacchari by poison food technique. Variability was observed among the Trichoderma isolates in inhibition of F. sacchari growth with inhibition ranging between 1.4% (SER 43) to 44.2% (SER10). Overall, based on the in vitro assays, Trichoderma isolate SER 10, isolated from root tissue of sugarcane, was found most promising showing 44.2% inhibition of F. sacchari growth in poison food and 26.3% inhibition in dual culture studies. This is the first study reporting biocontrol potential of endophytic Trichoderma spp. against F. sacchari , a causative agent of wilt in sugarcane.

RESUMEN La marchitez causada por Fusarium sacchari, es una de las principales enfermedades de la caña de azúcar (Saccharum spp.) que causa considerables pérdidas económicas. Trichoderma spp. es un importante agente de biocontrol que se ha explotado eficazmente para el manejo de varias enfermedades de las plantas, incluida la marchitez en varios cultivos. El presente estudio se realizó para evaluar el potencial antagonista de Trichoderma spp. contra el patógeno de la marchitez de la caña de azúcar. Un total de 103 aislamientos de Trichoderma que comprenden 43 aislamientos establecidos a partir de suelos de la rizosfera de la caña de azúcar, así como 60 aislamientos endofíticos establecidos a partir del tejido de las raíces, hojas y tallos de la caña de azúcar, fueron evaluados por su actividad antagonista contra F. sacchari mediante la técnica de cultivo dual. Se observó una considerable variabilidad en la actividad inhibidora de los 103 aislamientos contra el organismo patógeno con una inhibición que osciló entre 1.4% y el 27.2% (SER42). En general, los aislados endofíticos de Trichoderma fueron más efectivos en la inhibición de F. sacchari en comparación con los aislados rizosféricos en estudios de cultivo dual y se seleccionaron 12 aislados endofíticos prometedores que se evaluaron más a fondo para la producción de metabolitos inhibidores solubles contra F. sacchari mediante la técnica de medios de cultivo envenenados. Se observó variabilidad entre los aislados de Trichoderma en la inhibición del crecimiento de F. sacchari con valores que oscilaban entre el 1.4% (SER 43) y el 44.2% (SER10). En general, según los ensayos in vitro, Trichoderma SER 10, aislado del tejido de la raíz de la caña de azúcar, resultó ser el más prometedor que mostró una inhibición del 44.2% del crecimiento de F. sacchari en el método de medio de cultivo envenenado y un 26.3% de inhibición en los estudios de cultivo dual. Este es el primer estudio informa sobre el potencial de control biológico de Trichoderma spp. contra F. sacchari , agente causal de la marchitez en la caña de azúcar.

Protocolo para la micropropagación de Kalanchoe blossfeldiana Poelln. a partir de segmentos nodales

RESUMEN Kalanchoe blossfeldiana Poelln. es una planta con gran valor ornamental por su hábito de crecimiento y floración. Puede ser usada como planta para macetas y jardín, tanto en exteriores como interiores. Se considera la especie más vendida después de las orquídeas en Europa y América donde alcanza altas cifras de plantas comercializadas y de recaudaciones monetarias. Por su importancia son necesarios métodos que permitan obtener grandes cantidades de individuos a fin de satisfacer las demandas existentes en el mercado. Lo anterior pudiera ser posible a través del empleo de la biotecnología vegetal. A pesar de que se encuentran trabajos enfocados en la propagación de esta especie a nivel de laboratorio, no ha sido descrito aun una metodología para su micropropagación. En el presente trabajo se desarrolló un protocolo para la propagación in vitro de K. blossfeldiana a partir de segmentos nodales.

ABSTRACT Kalanchoe blossfeldiana Poelln. is a plant with great ornamental value due to its growth habit and flowering. It can be used as a pot plant and garden, both outdoors and indoors. It is considered the best-selling species after orchids in Europe and America, reaching high numbers of commercialized plants and monetary incomes. Due to their importance, methods for obtaining large numbers of individuals, in order to satisfy the existing demands on the market are necessary. This could be possible through the use of plant biotechnology. Although there are studies focused on the propagation of this species at the laboratory level, a methodology for its micropropagation has not been described yet. In the present work, a protocol for in vitro propagation of K. blossfeldiana from nodal segments was developed.