ARTÍCULO ORIGINAL

 

Selección de aislados de Bradyrhizobium sp. por su efecto en maíz en condiciones de sequía agrícola en Sancti Spíritus, Cuba

 

Selection of Bradyrhizobium sp. isolates due to their effect on maize under agricultural drought conditions in Sancti Spíritus, Cuba

 

 

C. J. Bécquer¹, U. Ávila¹, Yaldreisy Galdo¹, Maribel Quintana¹, Orquidia Álvarez², Adelaida Puentes³, F. Medinilla and Analeidis Mirabal¹

¹Instituto de Investigaciones de Pastos y Forrajes, Estación Experimental Sancti Spíritus, Apdo. 2255, ZP. 1, C.P. 60100, Sancti Spíritus, Cuba

²Universidad ¨José Martí¨, Sancti Spíritus

³Centro Meteorológico Provincial Sancti Spíritus

 

 

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RESUMEN

Se llevó a cabo un experimento de campo en Sancti Spíritus, Cuba, en condiciones de sequía agrícola, para evaluar el efecto de la inoculación en maíz con cinco aislados de Bradyrhizobium sp., procedentes de leguminosas forrajeras de un ecosistema ganadero árido de Holguín, y para seleccionar los tratamientos con mayor efecto positivo en las variables agroproductivas. Se utilizó la variedad TGH de maíz. Los aislados crecieron en medio sólido levadura-manitol y se resuspendieron en medio líquido hasta 10⁶–10⁸ UFC/mL. Se inoculó al germinar la semilla (6 días) con dosis de 8-10 mL/planta. Se realizaron labores convencionales de cultivo. Dosis de siembra: 12 kg/ha. Marco de siembra: 50 cm entre surcos. Cada parcela midió 2 m x 4 m. Se aplicaron 4 riegos. Diseño experimental de bloques al azar, con 7 tratamientos y 3 réplicas. Testigo fertilizado con NH₄NO₃(150 kgN/ha), control absoluto y 5 tratamientos inoculados. Diferencias entre medias: LSD de Fisher. Se evaluaron las variables peso seco parte aérea, incremento del peso seco parte aérea con respecto al control absoluto, longitud del tallo, rendimiento de grano, incremento del rendimiento de grano con respecto al control absoluto y peso de 1000 semillas. Se destaca que el incremento del PSPA con respecto al control absoluto en Ho9 fue de 21 %. En el incremento del rendimiento de grano con respecto al control absoluto, se obtuvo 10 y 20% en Ho13 y Ho5, respectivamente. Se concluye que los aislados Ho5 y Ho13, tuvieron un efecto positivo en el rendimiento de grano, y en menor medida, Ho1 y Ho9, en longitud de la mazorca e incremento del peso seco aéreo, respectivamente.Se recomienda realizar futuros experimentos de campo en condiciones de sequía con los aislados Ho5 y Ho13, en diferentes tipos de suelo de la provincia Sancti Spíritus.

Palabras clave: Bradyrhizobium sp., sequía agrícola, rendimiento de grano.

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ABSTRACT

A field experiment was conducted in Sancti Spíritus, Cuba, under agricultural drought conditions, in order to evaluate the effect of inoculation on maize with five Bradyrhizobium sp. isolates, from forage legumes of an arid cattle rearing ecosystem from Holguín, and to select the treatments with the best positive effect on the agro-productive variables. TGH maize variety was used. Isolates were grown in a solid yeast-mannitol medium and re-suspended in a liquid medium up to 10⁶–10⁸ cfu/mL. It was inoculated when the seed (6 days) was germinated with doses of 8-10 mL/plant. Conventional cultivation labors were carried out, with seeding rate of 12 kg/ha and a seeding frame of 50 cm between furrows. Each plot measured 2 m x 4 m and four irrigations were applied. An experimental design of random blocks was used, with 7 treatments and 3 replicates. The control was fertilized with NH₄NO₃ (150 kgNa/ha), absolute control and 5 inoculated treatments. Differences between means were determined with LSD test of Fisher. The evaluated variables were aerial dry weight, increase of aerial dry weight regarding absolute control, stem length, grain yield, increase of grain yield with respect to absolute control and weight of 1000 seeds. It should be noted that the aerial dry weight increase regarding absolute control in Ho9 was 21 %. The increase of the grain yield with respect to the absolute control was 10 and 20 % in Ho13 and Ho5, respectively. It is concluded that Ho5 and Ho13 isolates had a positive effect on grain yield, and to a lesser extent, Ho1 and Ho9, in cob length and increase of aerial dry weight, respectively. Future field experiments, under conditions of drought with the Ho5 and Ho13 isolates, are recommended in different soil types of Sancti Spíritus province.

Key words: Bradyrhizobium sp., agricultural drought, grain yield

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INTRODUCCIÓN

Los rizobios son bacterias del suelo con potencial para formar estructuras específicas en raíces de leguminosas, llamadas nódulos. En los nódulos efectivos, las bacterias, en forma de bacteroides, fijan el nitrógeno atmosférico (N₂) en amonio. Este se asimila por la planta para su crecimiento, particularmente en suelos deficientes en nutrientes. A cambio, los bacteroides son suplementados con nutrientes (predominantemente ácidos dicarboxílicos), y protegidos en el interior de la estructura nodular (Zahran et al. 2012).

Además de su importancia en la inoculación de leguminosas, los rizobios también pueden estimular el crecimiento y la productividad de otras familias de plantas, como los cereales (Mia et al. 2012). En Cuba, existen antecedentes del efecto positivo de los rizobios en cereales del género Triticum, Sorghum y en Zea mays (Bécquer et al. 2012a).

En ocasiones, la productividad de los cultivos se afecta por diversos factores ambientales estresantes. Se sabe que el estrés hídrico que provoca la sequía limita el crecimiento y la productividad de los cultivos, especialmente en aéreas áridas y semiáridas (Yang et al. 2008). Sin embargo, las rizobacterias pueden contribuir a que las plantas puedan tolerar mejor los efectos de la sequía. Entre las rizobacterias, los rizobios ocupan un lugar importante en la inducción de tolerancia a estrés en las plantas (Stiens et al. 2006). Según Timmusk et al. (2014), las bacterias que proceden de ambientes estresantes tienen más posibilidad de contribuir al desarrollo de esta tolerancia. Varios pueden ser los mecanismos de acción de las bacterias para inducir tolerancia al estrés, entre los que se encuentra la acción de la enzima ACC-diaminasa, que impide la acción inhibitoria del etileno en la planta en situación de estrés hídrico (Shaharoona et al. 2006). Otros autores se refieren también a la actividad de las citoquininas y catalasa, que actúan como antioxidantes, o que impiden la presencia de otros compuestos que obstaculizan el desarrollo normal de la planta sometida a estrés hídrico (Yang et al. 2008).

El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de la inoculación en maíz con cinco aislados de Bradyrhizobium sp., procedentes de leguminosas forrajeras de un ecosistema ganadero árido de Holguín, además de seleccionar los tratamientos de mayor efecto positivo en las variables agroproductivas.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Se utilizaron los aislados Ho9, Ho7, Ho13, Ho1 y Ho5, procedentes de leguminosas forrajeras colectadas en un ecosistema ganadero árido de la provincia Holguín, Cuba. Estos aislados se caracterizaron según su fenotipo en trabajos anteriores y presentaron alta similitud con cepas de referencia, pertenecientes al género Bradyrhizobium sp. Las cepas que se escogieron para este trabajo se caracterizaron por presentar tolerancia a factores abióticos estresantes, como pH ácido o básico, altos gradientes de NaCl y altas temperaturas, así como producción de catalasa.

Se utilizó maíz (Zea mays L.), variedad TGH, procedente de la Empresa Provincial de Semillas de Sancti Spíritus. En esta provincia, este cereal tiene antecedentes de altos rendimientos al inocularse con rizobios (Bécquer et al. 2011). Además constituye, unido a las gramíneas pratenses, una de las alternativas posibles para la alimentación animal en Cuba.

Los aislados crecieron en medio sólido levadura-manitol (Vincent 1970) y se resuspendieron en medio líquido levadura-manitol hasta concentración celular de 10⁶–10⁸ UFC/mL. Para la inoculación de las plantas, se diluyó el inóculo en proporción 1:10 en solución salina 0.9 %.

La inoculación se realizó al germinar la semilla (6 d) mediante el riego de la suspensión bacteriana sobre las plantas, con una bureta graduada a razón de unos 8-10 mL/planta. La reinoculación de los tratamientos se efectuó a los 15 d de siembra, con inóculo bacteriano del mismo título, en una cantidad aproximada de 8-10 mL/planta.

Se realizaron labores convencionales de cultivo (roturación, grada, cruce, recruce, grada y surcado). La siembra del experimento se realizó en la primera decena de febrero y se cosechó en la cuarta decena de abril. La dosis de siembra fue de 12 kg/ha, a chorrillo espaciado. El marco de siembra fue de 50 cm entre surcos. Cada parcela midió 2 m x 4 m.

Se aplicaron cuatro riegos, inmediatamente después de la inoculación (6 d), después de la reinoculación (15 d), al comienzo de la floración, y en la formación incipiente de las mazorcas. Cada riego se aplicó a razón de 100 m³/ha, de forma que solo favoreciera la supervivencia de los microorganismos rizosféricos que se introdujeron. A los 90 d de siembra, se realizó la cosecha.

Se realizaron cuatro aplicaciones de Bacillus thuringiensis biovar. 26, a partir de los 15 d de siembra, cada 7 d, a razón de 6 L/ha. El biopreparado se aplicó con un aspersor, cuyo surtidor fue dirigido a todas las partes de la planta, con énfasis en la región foliar, en una dilución con agua de 1:15 hasta llegar a 16 L de volumen total, con título inicial de 10⁹ esporas/mL.

Los datos de temperatura, precipitaciones, humedad relativa y vientos, así como su análisis, se colectaron en la Estación Meteorológica Sancti Spíritus.

Las precipitaciones que ocurrieron en la zona de estudio tuvieron un comportamiento irregular. Durante   noviembre de 2013 y mayo y junio de 2014 fueron similares a los valores históricos, mientras que durante diciembre (7.0 mm), enero (64.3 mm) y marzo (45.9 mm) resultaron muy inferiores. Solamente superaron los promedios históricos en febrero y abril, pero con registros poco significativos (figura1a).

En la figura 1b se muestra la distribución temporal de los acumulados decenales de lluvias. Se observa que a partir de la tercera decena de marzo precipitó en todas las decenas siguientes. Los mayores registros se concentraron en  mayo y junio.

El clima se caracterizó por el predominio de altas temperaturas, sobre todo en marzo y abril, aunque las temperaturas mínimas se catalogaron de frías y muy frías. La humedad relativa fue alta, predominantemente en febrero y mayo (tabla 1).

El estado de la sequía agrícola se determinó mediante el índice de aridez o índice de sequía agrícola (IE) (Solano y Vázquez. 1999):

IE = ETR / ETP,

donde:

E o ETR - Evapotranspiración real estimada, dependiente del estado de humedad del suelo.

Eo o ETP- Evapotranspiración potencial estimada, dependiente de las condiciones atmosféricas.

Cuando ETR = ETP, el aprovisionamiento de agua del suelo es adecuado. Cuando ETR<ETP, hay insuficiencia de agua.

Enero, en el área de estudio, culminó con IE de crítico a insuficiente, lo que mejoró ligeramente en febrero y marzo (regular). Por lo que se considera que, en estas condiciones, el cultivo se sometió a un gran estrés hídrico (Solano y Vázquez 1999).

En el experimento, el riego se aplicó cuatro veces, dos veces durante febrero, una en marzo, y otra en abril, a razón de 100 m³/ha en cada riego. De tal forma que solo favoreciera la supervivencia de los microorganismos rizosféricos que se introdujeron. Esta frecuencia de riego, solo constituye 13 % del número promedio de riegos, así como 22.5 % del volumen total (1775.4 m³/ha), utilizado por Montero et al. (2012) en el cultivo de maíz.

El suelo del área experimental correspondió al tipo pardo mullido carbonatado, de arcilla parda a pardo ligeramente oscuro, con reacción ligera al HCl, presenta algunas gravas en el horizonte A1, buen drenaje superficial e interno, medianamente erosionable (Hernández et al., 2015). El contenido de macronutrientes fue bajo en fósforo y potasio (tabla 2) (2.63 mg/100 g de P₂O₅; 6.0 mg/100 g de K₂O), así como el de  materia orgánica (1.51 %), con pH de 5.9.

Debido al pobre contenido en nutrientes del suelo, se realizó fertilización de fondo (N: 9, P: 13, K: 17) a los 21 d de siembra a todos los tratamientos, con dosis de 80 kgN/ha.

Se aplicó un diseño experimental de bloques al azar, con siete tratamientos y tres réplicas (tabla 3).

El testigo fertilizado consistió en aplicación de nitrógeno de 150 kg/ha (NH₄NO₃). Los datos se procesaron estadísticamente, según el análisis de varianza (ANOVA) (StatGraphics Plus, v. 5.1, 1994-2001, Statistica Graphics Corporation). Las diferencias entre medias se determinaron por la prueba LSD (Least Significant Difference) de Fisher (P < 0.05) (Fisher 1935).

Se evaluaron las variables agroproductivas: peso seco parte aérea (PSPA, g/m²), incremento del PSPA con respecto al control absoluto (IPSPA, %), longitud del tallo (LT, m), rendimiento de grano (RG, kg/ha, extrapolado), incremento del rendimiento de grano con respecto al control absoluto (IRG, %), longitud de la mazorca (LM, cm), peso seco de la mazorca (PSM, g) y peso de 1000 granos (P10000G, g).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Peso seco aéreo e incremento del peso seco aéreo. En la tabla 4 se muestra que en el PSPA los tratamientos inoculados presentaron superíndices comunes con el control absoluto (1.9 g/m²), mientras que el testigo fertilizado (2.5 g/m²) presentó superioridad estadística (P < 0.05) con respecto a Ho5, Ho1, Ho13 y Ho7, así como superíndices comunes con control absoluto y Ho9. Estos resultados pudieran responder a las condiciones de estrés hídrico en las que se desarrolló el experimento, sobre todo en las primeras fases fenológicas de la planta, de febrero a abril (50-80 mm de lluvia) (figura 1a) y 71-77.6 % de humedad) (tabla 1). Los niveles de humedad registrados debieron implicar incremento de la evapotranspiración de las plantas, lo que hace crecer la demanda de agua y por consiguiente, genera mayor estrés hídrico en los cultivos (Solano y Vázquez 1999).

No obstante, el incremento del PSPA con respecto al control absoluto en el tratamiento inoculado con Ho9 fue de 21 %, valor que aunque se  obtuvo en condiciones de estrés por sequía agrícola, superó lo alcanzado por Antoun y Prévost (2000) en un experimento con maíz, al aplicar cepas comerciales de Bradyrhizobium japonicum. Estos autores informaron incrementos en el PSPA de la planta, desde 6.7 % hasta 8.7 %. Kumari et al. (2009) sostienen que las moléculas promotoras del crecimiento, como el ácido indolacético, las giberelinas y las citoquininas producidas por los rizobios presentes, sea en la rizosfera o en los tejidos de las plantas, estimulan el mayor desarrollo radical e incrementan la capacidad de absorción de nutrientes en beneficio de la planta. No se descarta la posibilidad de que la producción de catalasa en estos aislados haya influido en los resultados, como factor de degradación de especies reactivas del oxígeno (ROS), que se forman durante el estrés hídrico (Yang et al. 2008). Aunque estadísticamente no hubo superioridad en los valores de los tratamientos inoculados, es obvio el incremento con respecto al control, lo que indica una posible influencia de los factores fisiológicos antes mencionados.

Longitud del tallo (LT). Esta variable no presentó diferencias significativas entre tratamientos. Diversos autores, como Döbbelaere et al. (2002) y Pecina-Quintero et al. (2005), consideran que la respuesta de la planta a la inoculación depende de factores diversos, entre los que se encuentra el genotipo de la planta. Bécquer et al. (2012a) también obtuvieron resultados similares en maíz, al utilizar diferentes fuentes de fertilización y dstintas variedades.

Longitud de la mazorca (LM). En la LM se constató superioridad estadística (P < 0.05) del testigo fertilizado (22.4 cm) con respecto a los tratamientos inoculados con Ho1, Ho13, Ho7 y Ho9. Los tratamientos inoculados con Ho1 (20.2cm), Ho13 (19.9 cm) y Ho5 (20.6 cm) fueron superiores al control absoluto. El aislado Ho5, a su vez, compartió superíndices comunes con el testigo fertilizado.

Al ser LM una variable más estrechamente relacionada con el rendimiento, en estos resultados se constató el efecto positivo de los aislados Ho1, Ho13 y Ho5. Diversos pueden ser los mecanismos mediante los que los rizobios pueden incidir positivamente en los cultivos, Ahmad et al. (2008) encontraron que 80 % de las bacterias fijadoras de dinitrógeno producen ácido indolacético. Esta sustancia de crecimiento conlleva al aumento de fenoles totales, contenido de calcio y actividad de la enzima polifenol oxidasa, que protege la planta contra patógenos y mejora su crecimiento mediante la eliminación de las especies reactivas del oxígeno, que se forman en la planta a partir de un estrés hídrico (Chowdhury 003). Según Kaplan et al. (2013), el aislamiento de bacterias promotoras del crecimiento vegetal en ecosistemas estresantes, como los ecosistemas áridos o de desiertos, puede proveer inoculantes que estimulen el desarrollo de los cultivos en ambientes derivados del cambio climático, lo que coincide con las condiciones ambientales estresantes presentes en el experimento. Nótese que a pesar del escaso nivel de precipitaciones durante las primeras etapas del crecimiento de la planta (50-80 mm) (figura 1a, 1b), hubo efecto positivo de estos aislados en esta variable.

Rendimiento de grano e incremento del rendimiento de grano. En la tabla 5 se observa, en el RG, que el testigo fertilizado (5.9 t/ha) fue estadísticamente superior (P < 0.05) a los tratamientos inoculados con los aislados Ho1 (2.5 t/ha), Ho7 (2.3 t/ha) y Ho9 (3.7 t/ha), así como al control absoluto (3.9 t/ha), mientras que compartió superíndices comunes con los tratamientos inoculados con Ho5 y Ho13. Este último tratamiento compartió superíndices comunes con el control absoluto. Los tratamientos inoculados con los aislados Ho1, Ho7 y Ho9, a su vez, resultaron estadísticamente inferiores (P < 0.05) al control absoluto.

Estos resultados indican cierta uniformidad con respecto a los obtenidos en la variable LM, en la cual  precisamente el tratamiento inoculado con Ho5 presentó superíndices comunes con el testigo fertilizado. Esto indica una clara influencia de este aislado en indicadores agroproductivos de la planta, relacionados con el rendimiento, aún en condiciones de sequía. Bécquer et al. (2012a) obtuvieron altos rendimientos en sorgo, simlares estadísticamente con el testigo fertilizado, al inocular el cultivo con una cepa de Bradyrhizobium sp. La producción de ACC (1-Aminociclopropano-1 Carboxilato)-diaminasa por las bacterias, que inhibe la producción de etileno en las plantas (Yang et al. 2008), permite que el sistema radical se desarrolle sin la inhibición propia de dicho compuesto, lo que propicia mayor absorción de nutrientes y, por consiguiente, mayor producción de granos.

Los tratamientos inoculados con Ho13 y Ho5 incrementaron en 10 y 20 % respectivamente, su rendimiento de grano con respecto al control absoluto. Cardoso et al. (2007) refirieron incrementos de 11 % en el rendimiento del grano de maíz, al inocular con rizobios. Según Mia y Samsuddin (2010), la inoculación con rizobios produjo incremento de 16 % en el rendimiento de grano en las diferentes variedades de arroz, por lo que los resultados obtenidos en este experimento están en ese rango, a pesar de someterse el cultivo a un estrés hídrico.

Peso seco de la mazorca. Con respecto a esta variable (tabla 5), el testigo fertilizado (211.9 g) fue estadísticamente superior (P < 0.05) al control absoluto (161.9 g), y al resto de los tratamientos. Los tratamientos inoculados con Ho5 (146.1 g) y Ho9 (147,0 g) compartieron superíndices comunes con el control absoluto, mientras que los tratamientos Ho9, Ho7, Ho1 y Ho5 resultaron estadísticamente inferiores (P < 0.05). Sin embargo, el tratamiento inoculado con Ho13 (189.2 g), aunque mostró valores estadísticamente inferiores al control fertilizado, fue superior (P < 0.05) al control absoluto y al resto de los tratamientos. Estos resultados corroboran los que Bécquer et al. (2011) obtuvieron en esta variable, al inocular maíz en un experimento de campo, con cepas de Bradyrhizobium sp., aisladas en ecosistemas ganaderos estresantes de Sancti Spíritus, Cuba. También Hussain et al. (2014), al aplicar cepas de Mesorhizobium ciceri y Rhizobium phaseoli en maíz, en condiciones simuladas de sequía, obtuvieron incremento en peso húmedo de la mazorca, así como en la parte aérea y radical de las plantas.

Peso de 1000 granos. En la tabla 5 se constató, en el P1000G, que el testigo fertilizado (311.0 g) fue estadísticamente superior al resto de los tratamientos, y que los tratamientos inoculados igualaron estadísticamente al control absoluto (216.3 g). En esta variable no se observó efecto positivo de los aislados, aunque Mehboob (2010) al aplicar cepas de Mesorhizobium ciceri en maíz en condiciones de invernadero, obtuvo valores estadísticamente superiores al control no inoculado en dicha variable. Es posible que estos resultados puedan variar al realizarse los experimentos en condiciones de campo, donde intervienen factores estresantes, principalmente por la sequía agrícola. En febrero y abril transcurrieron las etapas fenológicas más importantes para el cultivo experimental (desde germinación hasta llenado de los granos), que coincidió con la menor ocurrencia de lluvias. Es de notar que el nivel de lluvias en el período de crecimiento de la planta estuvo muy por debajo del promedio recomendado para su desarrollo normal, de 550 mm (Bonilla 2008).

Se concluye que los resultados en la inoculación de Bradyrhizobium sp. en maíz, aunque no fueron uniformes en las variables estudiadas, mostraron que los aislados Ho5 y Ho13, tuvieron efecto positivo en el rendimiento de grano, y en menor medida, Ho1 y Ho9, en longitud de la mazorca e incremento del peso seco aéreo, respectivamente. Se recomienda realizar futuros experimentos de campo en condiciones de sequía con los aislados Ho5 y Ho13, en diferentes tipos de suelo de la provincia Sancti Spíritus.

 

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Recibido: 5/3/2015

Aceptado: 5/1/2017

 

 

C. J. Bécquer. Instituto de Investigaciones de Pastos y Forrajes, Estación Experimental Sancti Spíritus, Apdo. 2255, ZP. 1, C.P. 60100, Sancti Spíritus, Cuba. Email: [e-mail]