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Papel de los microorganismos en la salud del suelo y la
productividad de los cultivos
Lur Epelde
Udako Ikastaroak 2017 Ciencia e Innovación en Producción Ecológica
Proveedor de alimento, fibra y combustible
Medio para el crecimiento de las plantas (soportefísico, aporte de agua, nutrientes, etc.) y hábitat paranumerosos animales y microorganismos
Degradación de contaminantes
Descomposición de la materia orgánica
Reciclaje de nutrientes
Regula la calidad del agua y del aire
Reservorio genético
Depositario de herencia cultural
Control de patógenos (supresividad)
Distribución del agua de lluvia
Soporte de estructuras físicas
LA CAPACIDAD DE UN SUELO PARA LLEVAR A CABO SUS FUNCIONES Y SERVICIOS ECOSISTÉMICOS DE FORMA SOSTENIBLE
¿QUÉ ES LA SALUD DEL SUELO?
La supervivencia de nuestra sociedad está ligada de forma inextricable a la salud de nuestros suelos
El suelo es una delgada línea marrón que nos aporta el 99% de nuestra comida
Este pequeño fragmento del que obtenemos alimento tiene que competir con otrasnecesidades: casas, centros comerciales, parques, vertederos, hospitales, colegios,fábricas, etc.
100%
6,25%
25%
12,5%
(50% CLIMA calor, frío, seco, altitud)
(50% SUELO escarpado,rocoso, pobre, húmedo, pocoprofundo)
(75% agua)
AMENAZAS DEL SUELOUNIÓN EUROPEA - ESTRATEGIA TEMÁTICA DEL SUELO
Erosión eólica
Erosión hídrica
Desprendimientos
Inundaciones
Compactación
Pérdida de materia orgánica
y nutrientes
Salinización
Sellado
Contaminación
Pérdida de biodiversidad
MICROORGANISMOS: LA MAYORÍA ESCONDIDA!
Sólo el 10% de tus células son humanas El resto son microorganismos: 1.000 especies en la boca, 1.000especies en el intestino, 500 especies en la piel, 2.188 especies en elombligo…
10% de nuestro peso seco
Somos una comunidad
Nuestro metagenoma
No podemos sobrevivir sin ellos: necesarios para la digestión, suministran vitaminas y nutrientes, protegen contra patógenos, etc.
¡EL SUELO ES UN
SISTEMA VIVO!
SU COMPLEJIDAD ES ABRUMADORA, PERO…..
En un puñado de suelo puede haber: - 100 billones de bacterias pertenecientes a entre 10.000 -50.000 especies- 50 km de hifas pertenecientes a cientos de hongos
MACROFAUNA
TARDÍGRADOS
NEMATODOS
MICROFAUNA Y MESOFAUNA
PROTOZOOS ROTÍFEROS
COLÉMBOLOSÁCAROS
ARQUEAS
ACTINOMICETOS
BACTERIAS
CIANOBACTERIAS
MICROORGANISMOS: PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
HONGOS
ALGAS
INDICADORES FÍSICOS YQUÍMICOS BIOINDICADORES
Infiltración
pH
Materia orgánica
CIC
Macronutrientes (N, P, K)
Conductividad eléctrica
Micronutrientes
Metales …
DE LA CALIDAD A LA SALUD DEL SUELO
BIOINDICADOR: UN ORGANISMO, O PARTE DE UN ORGANISMO, OUNA COMUNIDAD DE ORGANISMOS, UTILIZADOS PARA OBTENERINFORMACIÓN SOBRE LA CALIDAD DEL MEDIO AMBIENTE
VENTAJAS DESVENTAJASSensibilidad
Respuesta temprana
Carácter integrador
Perspectiva temporal
Relevancia ecológica
BIOINDICADORES
Dependientes de contexto segúndiversos factores
Lugar de muestreo (rizosfera,profundidad, …)
Momento de muestreo
Climatología-Meteorología
Tipo y propiedades del suelo
Historia del suelo
Estado de la vegetación
¿POR QUÉ BIOINDICADORES MICROBIANOS?
GRUPO % BIOMASA
MICROORGANISMOS 80
MICRO-, MESOFAUNA 2
MACROFAUNA 14
OTROS 4
RESPONSABLES EN UN 80-90% DE LA ACTIVIDADBIOLÓGICA (DE LA SALUD DEL SUELO)
CONTACTO ÍNTIMO CON LA MATRIZ EDÁFICA DEBIDO A SUALTA RELACIÓN SUPERFICIE-VOLUMEN
INDICADORES CAUSALES, NO CASUALES
La agricultura intensiva reduce la biodiversidad del suelo (cadenas tróficas menos diversas y compuestas de organismos de menor tamaño)
Esto podría derivar en una pérdida de funciones del suelo que proveen servicios ecosistémicos vitales
LABOREO MÍNIMO
¡CUIDA TU MICROBIOMA!
Para alimentar a la población mundial:- Necesitamos una agricultura sostenible- Necesitamos preservar la salud de nuestros suelos- Necesitamos cuidar el microbioma de nuestros suelos
CULTIVOS DE COBERTERA
ROTACIÓNGLIFOSATO
Tan solo un 30% de los agricultores en EEUU y Australia analizan su suelo
Mayormente, lo realizan para determinar las necesidades de fertilizante (pH, Al, NPK)
Falta de información para conocer la salud del suelo y poder tomar decisiones que traten de mejorarla
20151985 2012
2017Red social de horticultoresDigitalización de tarjetas de salud
¿QUÉ SON LAS TARJETAS DE SALUD DE LOS ECOSISTEMAS AGRÍCOLAS?Manuales prácticos que nos explican de manera sencilla cómo podemos
diagnosticar el estado de salud de un agroecosistema. Nos permiten valorar el impacto de una práctica agraria.
¿Qué indicadores medir?¿Cómo hacerlo correctamente?¿Qué significa cada indicador?¿Qué valores se pueden
considerar “buenos”, “malos” o “regulares”?
¿Qué hacer si el diagnóstico es malo?
¡El objetivo es ver una evolución positiva año tras año!
¡No sacar una media!
Modo correcto de uso…- En época de cosecha (primavera u otoño)- 2-3 días después de una lluvia- Siempre por la misma persona
DIAGNÓSTICO BÁSICO VS AVANZADO¡Cualquiera lo puede hacer! Equipamiento y formación especializada
1. Producción de alimento: Cosecha
¿Qué? La producción de alimento
¿Cómo? Gramos de fruto por planta
¿Por qué? Indicadora de vigor
2. Conservar la biodiversidad: Diversidad de macrofauna
¿Qué? Número de tipos de macrofauna
¿Cómo? Contar unidades en un bloque cúbico de suelo¿Por qué? Biodiversidad; eslabón superior cadena trófica
2. Conservar la biodiversidad: Diversidad genética de hongos
¿Qué? Número de taxones de hongos dominantes
¿Cómo? ARISA (Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis)
¿Por qué? Los hongos cumplen funciones vitales en la mineralización de la materiaorgánica, entre otras; el grupo más abundante de la biota edáfica en biomasa
3. Cuidar el suelo: Actividad microbiana
¿Qué? Tasa de respiración de los microorganismos del suelo
¿Cómo? Incubación del suelo en tarros herméticos en presencia de NaOH
¿Por qué? Refleja la actividad oxidativa global de los microoganismos
4. Mitigar el cambio climático: Emisiones de CO2
¿Qué? Medición de las emisiones de dióxido de carbono producidasdesde el suelo
¿Cómo? Analizador portátil de gases por infrarrojos
¿Por qué? El CO2 es uno de los principales gases de efecto invernadero
3. Cuidar el suelo: Compactación
Laboreo convencional No-laboreo
3º año
¿Qué? La presión que deben superar las raíces denuestros cultivos para atravesar el suelo en busca denutrientes y agua
¿Cómo? Penetrómetro
¿Por qué? A partir de 1,5 MPa se dificulta eldesarrollo de las raíces; a partir de 3 Mpa se detienesu desarrollo
5
10
8,5
8,5
1
6,9
8,9
7
7
8
10
6,9
6,5
4
8
6,3
4,54,8
5,8
7,3
7,5
5Agricultor X
5,7
6,1
8,3
3,6
5,6
3
5
6,9
6,4
9
10
5,2
5,7
4,3
6,8
7,8 5,9
10
4,54,8
5,9
6,3
6,8
5
poca mesofauna-lombrices
baja porosidad
poca agua y raíces
Agricultor X
MALOS RESULTADOS¿Qué significan? ¿Cómo mejorarlos?
Hemos visto que los microorganismos son indicadores de la salud de un
suelo…
…pero también pueden ser utilizados como biofertilizantes que promueven
el crecimento de las plantas!
Fertilización química
Sir John Bennet Lawes (1814-1900)Industria fertilizantes químicos, superfosfatoRothamsted Experimental Station
Revolución verdeAgricultura intensiva
Degradación del sueloPico del fósforo
Coste energético muy alto
MICROORGANISMOS QUE ESTABLECEN SIMBIOSIS MUTUALISTAS CON LAS PLANTAS:
- Bacterias fijadoras de N2 atmosférico
- Hongos formadores de micorrizas arbusculares (MA)
- Bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPB)
Fertilización biológica
BACTERIAS PROMOTORAS DEL CRECIMIENTO VEGETAL (PGPB)Promueven el crecimiento de las plantas DIRECTAMENTE:
facilitando la adquisición de nutrientes
SOLUBILIZACIÓN DE FÓSFORO: La cantidad de P en el suelo esgeneralmente alta, pero la mayor parte es insoluble.
Las PGPBs pueden solubilizar fósforo inorgánico (a través de lasíntesis de ácidos orgánicos de bajo peso molecular como el ácidocítrico y el glucónico) o mineralizar fósforo orgánico (a partir de lasíntesis de fosfatasas que catalizan la hidrólisis de ésteresfosfóricos).
SECUESTRO DE HIERRO: Es el 4º elemento más abundante. Elión férrico Fe3+, la forma predominante en el suelo, es muypoco soluble.
Las bacterias sintetizan sideróforos (quelantes de hierro) conuna gran afinidad por el Fe3+, así como receptores demembrana capaces de unir los complejos sideróforo-hierro.
BACTERIAS PROMOTORAS DEL CRECIMIENTO VEGETAL (PGPB)Promueven el crecimiento de las plantas DIRECTAMENTE:
modificando los niveles de hormonas, para reducir los efectos adversos de los estresores ambientales
IAA: ácido indolacético; ACC: 1-aminociclopropano-1-carboxilato;SAM: S-adenosil-L-metionina
CITOQUININAS Y GIBERELINAS: Producen citoquininas (promueven la división celular) ygiberelinas (incrementan la división y la elongación celular).
ÁCIDO INDOLACÉTICO (AUXINAS): Afecta a la división ydiferenciación celular, estimula la germinación de las semillas,aumenta la tasa de desarrollo radicular, inicia la formación de raíceslaterales, afecta a la fotosíntesis, formación de pigmentos, etc.
ETILENO: Es la fitohormona responsable deprocesos de estrés en plantas, maduración de losfrutos, senescencia de hojas y flores, abscisión delfruto, etc. (una manzana podrida echa a perder el
cesto).
Las PGPB pueden producir 1-aminociclopropano-1-carboxilato (ACC) deaminasa, que reduce lacantidad de etileno.
BACTERIAS PROMOTORAS DEL CRECIMIENTO VEGETAL (PGPB)Promueven el crecimiento de las plantas INDIRECTAMENTE:
reduciendo los efectos inhibitorios de agentes patógenos (biocontrol)
ANTIBIÓTICOS: Pueden producir antibióticos y controlar así la proliferación de patógenos.
ENZIMAS LÍTICAS: Producen enzimas que pueden lisar una porción de las paredes celularesde los hongos patógenos.
SIDERÓFOROS: Pueden impedir que los fitopatógenos adquieran el suficiente hierro.
COMPETICIÓN: Las PGPB pueden colonizar las superficies de las plantas y utilizar la mayorparte de los recursos, dificultando el crecimiento de los patógenos.
RESPUESTA SISTÉMICA INDUCIDA: Las PGPB pueden desencadenar una “resistenciasistémica inducida” en plantas; las plantas están “activadas” de forma que reaccionan másrápido y mejor a ataques de patógenos mediante la inducción de mecanismos de defensa.
Metal (Zn, Pb, Cd) polluted minePGP-traits: ACC deaminase activity, phosphate
solubilization, siderophore productionTolerance: metals and salinityEcological fitness traits: utilization of carbon
substrates (Biolog EcoPlatesTM)Identification: 16S rRNA sequencing
R. acetosaN. caerulescens
F. rubra
MINA ABANDONADA: BÚSQUEDA DE ENDOFITAS PGPB
La inoculación con cepas PGPB en procesos de fitorremediación de suelos
contaminados:No aumentó el crecimiento
Sí mejoró el estado fisiológico de las plantas
HONGOS FORMADORES DE MICORRIZAS ARBUSCULARES (MA)
En la planta están el tallo… y la micorriza: si conocen a una raíz,
preséntenmela!!
… es como pensar en un tubo digestivo sin
flora microbiana ;)
Simbiosis mutualística que establecen la mayoría de plantas en sus raíces
con un hongo del suelo
FUNCIONES DE LA MICORRIZACIÓN
• Incrementa la toma de nutrientes como el nitrógeno, fósforo, potasio, calcio…
• Aumenta la tasa fotosintética.• Protegen a la planta frente al estrés
abiótico: disminuye el estrés hídrico, salino…
• Aumenta la penetrabilidad de las raíces.• Colabora en la estabilidad y mejora de la
estructura del suelo.• Favorece la diversidad de las comunidades
de plantas y la sucesión vegetal.• Efectos hormonales en plantas: incremento
y distribución de la biomasa.• Interacciones con microorganismos de la
rizosfera.• Agentes de control biológico contra
patógenos.
MICORRIZAS EN LA AGRICULTURA
• Uso eficiente del P del suelo y de los fertilizantes fosforados.
• Optimizar la productividad de los suelos y cultivos con niveles bajos de insumos.
• Aumentar la rentabilidad en condiciones adversas.
• Ayudar a restablecer cultivos en suelos erosionados o degradados.
• El filo Glomeromycota el único que disminuye de forma
significativa en los huertos.
Micorrizas en huertos de agricultura ecológica
• Riqueza de micorrizas arbuscularesmenor en las huertas, mayoritariamente del orden Glomerales.
• Secuenciación masiva de librerías de amplicones de la región ITS fúngica.
• Las prácticas de laboreo y fertilización, a pesar de ser bajo manejo de agricultura ecológica,
perjudiciales para el correcto desarrollo de las micorrizas.
Cultivo de micorrizasC
ULT
IVO
S TR
AM
PA D
E SO
RG
O Y
ALF
ALF
AC
ULT
IVO
S M
ON
OX
ÉNIC
OS
IN V
ITR
O
• Las lechugas con inóculo de micorrizas mostraron una producción más elevada en una segunda cosecha.
• Diferencias no relevantes en parámetros nutricionales.
0 50 100 150
Micorrizado
Nomicorrizado
Peso fresco (gr)
• Varios OTUs de Rhizophagus sp. yGlomeraceae sp. correlacionadospositivamente con la productividad y elcontenido en N y P.
• Muy abundantes en las raíces ycomponentes habituales de losconsorcios de micorrizas comerciales.
• ¿Base de un producto biofertilizantebasado en micorrizas locales?Conveniente realizar estudios en máscondiciones experimentales.
Diagrama de Venn que indica los OTU compartidos por los distintos
tratamientos en maceta (Mi control: suelo Monasterioguren Control;
MiM: suelo Monasterioguren con inóculo de Monasterioguren fuera;
MiL: suelo Monasterioguren con inóculo de Larrabetzu fuera) y los
suelos de origen (MH: Monasterioguren huerta; LF: Larrabetzu
fuera; MF: Monasterioguren fuera).
• La estructura de la comunidadde micorrizas no se vealterada por la inoculación.
Muchas bacterias y hongos se comercializan como biofertilizantes…
… y de forma casera también se pueden crear bancos de inóculos de micorrizas nativas…
… pero la bioaumentación ha cosechado una gran cantidad de fracasos!!
Esto no ha sorprendido a los ecólogos
¡SuperPGPB!
Habitat de inoculación…
Mirando al futuro en biofertilización…
La producción y aplicación de inóculo de hongos micorrízicos y PGPBs no debería ser el único foco de atención.
Se debería optimizar la abundancia y diversidad de micorrizas locales con el objetivo de conseguir la sostenibilidad de los agroecosistemas. Es necesario trabajar en:
(i) la monitorización de la abundancia y diversidad de micorrizas,
(ii) la gestión de prácticas agrícolas con impacto sobre las micorrizas,
(iii) la generación de bases de datos que relacionen información específica de cada lugar con el funcionamiento de las micorrizas.
… alternativas/complementos a la bioaumentación: BIOESTIMULACIÓN Y FERTILIZACIÓN ORGÁNICA
BIOESTIMULANTE: sustancias que estimulan
procesos biológicos y (i) mejoran la disponibilidad
de nutrientes y optimizan su absorción; (ii)
incrementan la tolerancia a estreses abióticos
¡Solución innovadora de última
generación!
Enmiendas Líquidas Fermentadas (BIOLES)
PREGUNTA: ¿Son los bioles una alternativa válida al fertilizante convencional NPK?
Derivadas de hojarasca de bosque y otros componentes (e.g. estiércol, melaza, suero lácteo, material vegetal fermentado, etc.)Fabricados en “casa”Más económicosRango mayor de nutrientes
Pregunta: ¿Dosis óptima de aplicación? Dosis 1 vs Dosis 2Pregunta: ¿Forma óptima de aplicación? Fondo vs FraccionadaPregunta: ¿Son reproducibles? Biol 1 vs Biol 2
Ensayo San Vicente de Arana
• Lechuga (Lactuca sativa) Batavia• Parcelas de 15 m2
• 6 líneas/parcela (50 cm)• Plantación manual• Fertilización manual• Cosecha a los 52 díasFinales de julio (2016)
• Maíz (Zea mays) Anjou 456• Ciclo corto• Parcelas de 15 m2
• 4 líneas/parcela (75 cm)• Siembra manual• Fertilización manual• Cosecha a las 25 semanas
Finales de noviembre (2016 y 2017)
Actividad: respiración basal, actividades enzimaticas(arilsulfatasa, fosfatasa alcalina, β-glucosidasa, ureasa), nitrógenopotencialmente mineralizable, AWCD, emisiones
Abundancia: respiración inducida por sustrato, carbono de labiomasa microbiana, bacterias y hongos totales (qPCR)
Diversidad: perfiles metabólicos con Biolog EcoPlates®,metabarcoding de 16S rRNA y 18S rRNA
Parámetros microbianos:
Parámetros fisicoquímicos: pH, MO, N total, carbonatos, caliza, nitrato, amonio y minerales
Producción de maíz• 2015: no diferencias
• 2016:NPK mayor producciónBioles poco reproduciblesDosis óptima > recomendadaAplicación fondo > fraccionada
2015 2016
T1 Biol 1, Dosis Optima, Aplicación Fondo a ab
T2 Biol 1, Dosis Optima, Aplicación Fraccionada a ab
T3 Biol 1, Dosis Recomendada, Aplicación Fondo a ac
T4 Biol 1, Dosis Recomendada, Aplicación Fraccionada a c
T5 Biol 2, Dosis Optima, Aplicación Fondo a bd
T6 Biol 2, Dosis Optima, Aplicación Fraccionada a bd
T7 Biol 2, Dosis Recomendada, Aplicación Fondo a ab
T8 Biol 2, Dosis Recomendada, Aplicación Fraccionada a ac
T9 NPK a d
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Pes
o m
azo
rca
(g)
/ 1
0 p
lan
tas
2015
2016
Propiedades biológicas del suelo(maíz, 2016)
• Dosis óptima: gran aumento del nitrógeno potencialmente mineralizable
• Dosis óptima: incremento general de propiedades biológicas
0
20
40
60
80
100
120
140
160rbasal
sulf
fosf
gluc
urea
npmcbm
nus
awcd
qpcrb
qpcrf
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500 Biol 1, Dosis Optima,Aplicación Fondo
Biol 1, Dosis Optima,Aplicación Fraccionada
Biol 1, Dosis Recomendada,Aplicación Fondo
Biol 1, Dosis Recomendada,Aplicación Fraccionada
Biol 2, Dosis Optima,Aplicación Fondo
Biol 2, Dosis Optima,Aplicación Fraccionada
Biol 2, Dosis Recomendada,Aplicación Fondo
Biol 2, Dosis Recomendada,Aplicación Fraccionada
NPK
Biodiversidad microbiana
• Diversidad microbiana mayor en suelo
• La composición de suelos con y sin bioles similar
-0.5 2.5
-0.6
1.0
186201
185182
186180
180
205
175
193
178186
153
144153
148 141152
183
212
186
203185
168
167 183
175185
190
185
190
196195
Bioles: mirando al futuro…
Interesante complemento a la fertilización que estimula las propiedades biológicas del suelo
¿Factible su producción casera a dosis “óptima”?
Necesidad de estudios a largo plazo…
Y… UN ÚLTIMO ASPECTO A COMENTAR…
Riesgos asociados al uso de enmiendas orgánicas
Genes de resistencia a antibióticos en enmiendas orgánicas
• Más ARG (genes de resistencia a antibióticos) en estiércol de gallinaza
• Todas las enmiendas provocan un aumento de las ARG, incluso tras compostarlas
A) ORIGEN: Equino, aviar
B) TIPO: Estiercol, compost, bokashi
¡La microbiota del suelo es más diversa
que cualquier enmienda orgánica!
Origin= H: Horse; C: Chicken. Type= M: Manure; C: Compost; B: Bokashi
¡¡CUIDA TU MICROBIOMA!!
Lur Epelde ([email protected])Carlos Garbisu ([email protected])
www.soilmicrobialecology.com
AritzCarlos
JulenFernando
Iker
EnaitzAnders MaiteIker Mikel
Lur
ESKERRIK ASKO!!!