Dr. Fabricio Dario Cassán Laboratorio de Fisiología Vegetal-Interacción planta-microorganismo Universidad Nacional de Río Cuarto 2020
La Rizosfera como factor clave para un modelo de Agricultura Sustentable
El suelo es un sistema vivo y la mayor actividad se concentra en la rizósfera..!
SUELO
Es soporte natural para micro y macroorganismos
Smith et al. 1995
RIZÓSFERA Es la parte del suelo donde la proliferación de micro y macroorganismos
es inducida por la presencia directa de las raíces
Hiltner, 1904
RIZOPLANO
Es la mínima porción de suelo que separa las raíces de la rizosfera
Hiltner, 1904
FILÓSFERA
Se divide en aulósfera (tallos), filoplano (hojas), antósfera (flores)
y carpósfera (frutos)
Last (1955) y Ruinan (1956)
ESPERMÓSFERA
Es la zona específica de interacción alrededor de las semillas
y semillas germinando
Verona (1958)
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RIZÓSFERA Es la parte del suelo donde la proliferación de micro
y macroorganismos es inducida por la presencia directa de las raíces Hiltner, 1904
Podemos separar en Ectorizósfera1 y Endorizósfera2
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Características da rizosfera 1-ALTA DENSIDAD DE MICRO Y MACROORGANISMOS [bacterias, hongos, nematodos, ácaros, otros]
2-MAYOR ESTABILIDAD FÍSICA Y QUÍMICA [debido a agregación generada por los exudados]
3-FUENTE DE NUTRIENTES (C Y N PARA MICROORGANISMOS)* Un tercio de los fotoassimilados producidos por las raíces son liberados en la rizósfera através de los exsudados radiculares Kuzyakov, 2019-Hot spot in the soil
* Teoría sobre la co-evolución-seleçión rizosférica.
NH4+ → pH ↓ NO3
-2 → pH ↑
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The Rhizosphere: Biochemistry and Organic Substances at the Soil-Plant Interface Pinton et al. 2007
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Kuzyakov, 2019-Hot spot in the soil
1-PUNTOS CALIENTES Son pequeños volúmenes de suelo con tasas asociadas a procesos biológicos mayores e interacciones más intensas que aquellas observadas en las condiciones medias del suelo. 2-MOMENTOS CALIENTES Son eventos a corto plazo o secuencias de eventos a corto plazo que inducen tasas de procesos aceleradas en comparación con aquellas observadas en condiciones medias (normales).
Características da rizósfera Puntos calientes y momentos calientes en la rizosfera
Zhang et al. 2019-Hot spot in the soil
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Las plantas responden a diferentes tipo de estrés ambiental y modulan su microbioma (A) Plantas que no sufren de estrés, mantienen su producción de exudados (B) Después de una infección por un patógeno el perfil de exudados cambia (C) Las comunidades de la rizósféra que definen un suelo supresivo son mantenidas por la liberaçión de exudados radiculares (D) Plantas con deficiencias nutricionales alteran la producción de exudados para reclutar nuevos microbios y bio-disponibilizar nutrientes.
Características de la rizósfera Regulan las poblaciones de microrganismos en la rizósfera Pascale et al. 2020-Frontiers in Plant Science
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Características de la rizósfera Los microrganismos de la rizósfera modifican el desarrollo de las plantas Lu et al. 2018-Rhizosphere 5-Microbiome
Las interacciones entre los exudados radiculares, el microbioma de la rizósfera y la fisiologia de la planta tienen el potencial de afectar ambos: [1] la cantidad y tipo de bacterias de la rizósfera y [2] el fenótipo de la planta. Esto ocurre através de complejos mecanismos de retroalimentación [Efecto mariposa]
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Signaling n The Rhizosphere Venturi and Keel 2016
Los autores dividen las señales de la rizósfera en 3 categorias: (i) entre microorganismos, (ii) de plantas a microrganismos y (iii) de microorganismos a plantas. Esas moléculas se usan como señales químicas para promover el crecimento de las plantas o para reclutar otros microorganismos benéficos
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Planta versus holobionte…!
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Holobiontes son ensamblajes de diferentes espécies que formam unidades ecológicas Lynn Margulis, en 1991, em el libro Simbiosis como fuente de innovavión para la evolución, propuso que cualquier asociación física entre indivíduos de espécies diferentes en etapas significativas de su história de vida era uma verdadera simbiosis. Todos los participantes de la simbiosis son biontes y por lo tanto, el conjunto resultante se considera como um holobionte. Holo es derivado de la palabra griega antigua ὅλος (hólos) para “entero”
El ensamblaje de genomas en un holobionte es considerado como un hologenoma.
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Planta versus holobionte…!
Ejemplo: La relación de soja con los rizobios comienza en las semillas [espermósfera] y se extiende a la rizósfera donde finalmente impacta en la raíz por la formación de nódulos lo que evidencia al verdadero holobionte.
Los seres humanos. somos holobiontes
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Otros holobiontes en la naturaleza…!
Vamos a hablar sobre los habitantes de la rizósfera...
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Rizobactérias-Microbioma
Neutras Benéficas Patógenas
Planta
Simbiótico Endofítico Epifítico
Las bacterias de la rizosfera son llamadas rizobacterias…!
[free living]
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PSHR Cassán et al-2009
Plant Stress Homeo-regulating Bacteria
Biocontrol - Plant Growth Promoting Bacteria Bashan and Holguin-1997
Biocontrol-PGPB
PGPR Kloepper -1978
Plant Growth Promoting Rizobacteria
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BIOCONTROL Indirect Mechanisms
Systemic Induction
[RSI-TSI]
Fungicide
Bactericide
Competence
Insecticide
Nematicide
PROMOTION Direct Mechanisms NO
production
BNF [N]
Siderophores Production
[Fe, Mi]
PGR production
[i.e. Nod Factors]
VOCs production
Phytohormones production
P and K Solubilization
[P, K]
REGULATION Direct + Indirect
Mechanisms
VOCs/NO production
Compatible solutes
ACC deaminasa
EPS production
Inmovilization/ degradation
of toxic compounds
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Fitohormonas
Moléculas señal con capacidad de regular el crecimento, dessarrollo y adaptación el medio ambiente en las plantas superiores
Thimman, 1948
CARACTERÍSTICAS GENERALES PLEIOTROPISMO La misma molécula regula varios procesos fisiológicos INTERACCIÓN Ellas interactúan de manera sinérgica, antagónica o regulatoria [cross-talk] con otras hormonas. ALTA EFICIENCIA Ellas son activas en concentraciones muy bajas (pg-ng) RECEPTORES Ellas solo son activas en tejidos blanco [en presencia de receptores para transducir la señal]. SON MOLÉCULAS UBICUAS Son producidas por plantas, rizobacterias y hongos* *Teoría de co-evolución [rizobacteria-AIA]
CLASIFICAIÓN Grupos más estudiados en plantas
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Ácido jasmônico Ácido salicílico Brasinosteróides Poliaminas
Auxinas Citocininas Giberelinas
Ácido Abscisico Etileno
Óxido nítrico Estrigolactonas Karrikinas
Princípio da ubiquidade São produzidos por plantas, rizobactérias e fungos*
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Princípio da ubiquidade São produzidos por plantas, rizobactérias e fungos*
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Ping and Boland [2004]
Princípio da ubiquidade São produzidos por plantas, rizobactérias e fungos*
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AIA
Sp
aep
en
et
al.
20
08
AIA
Azospirillum brasilense es el modelo más estudiado para entender la biosíntesis bacteriana de auxinas y su efecto en las raíces de plantas inoculadas.
Existen más de 100 publicaciones sobre este modelo biológico
AUXINAS Es un grupo de compuestos naturales y sintéticos con el mismo efecto fisiológico del AIA Se consideran el grupo más importante de fitohormonas en la naturaleza. La producción bacteriana de IAA y sus efectos en las raíces de las plantas El modelo de Azospirillum sp.
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El crecimiento radical en cítricos
A lo largo de la fenología del cultivo de diferentes especies de cítricos se producen dos picos de crecimiento radical. Tales picos pueden ser modificados por la acción de algunas hormonas.
Fuente: www.redagricola.cl
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El crecimiento radical en cítricos
Las auxinas desplazan la curva de crecimiento hacia calibres más grandes. El resultado se traduce en diferencias del orden de 3 a 4 mm de diámetro, cifra coincidente con lo indicado por la literatura.
Fuente: www.redagricola.cl
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La manipulación de la rizósfera es un hot spot de biotecnología desde hace más de una década..!
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Ingeniería de la rizósfera/microbiomas..! La mirada de una década atrás [2009]
La estrategia biotecnológica se basó en: 1. Uso de bacterias benéficas [1, 2, 3] 2. exudados para seleccionar mo beneficos [planta] 3. antibióticos para eliminar patógenos [planta]
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La estratégia biotecnológica se basa en: 1. Uso de PGPR [consórcios] 2. Manejo del cultivo para reclutar actividad PGPR 3. Uso de enmiendas para reclutar actividad PGPR 4. PGPR + Enmiendas + Manejo
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Ingeniería de la rizósfera/microbiomas..! La mirada actual [2019]
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La manipulación de los microbiomas rizosféricos debe comenzar en la espermósfera..!
5-10 mm
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Ingeniería de microbiomas..! Un concepto para Agricultura Extensiva
Las bactérias PGPR/PGPR adicionadas en las semillas (o plântulas pequeñas) aumentan el número de bactérias benéficas de la Esperrmósfera, lo que posteriormente aumentará el número de bactérias benéficas em la Rizosfera. Estas bactérias van a promover el crecimiento de la planta e impedir la proliferaçión de patógenos. Estrategia de inundación 1. Multiplicación seletiva 2. Suelo supressivo 3. Promoción del crecimento
PGPR 1, 2, 3
Neutras
Patógenas
Neutras
Patógenas
↓ PGPR 1, 2, 3
PGPR/ PGPR
↓ Neutras
↓ Patógenas
PGPR 1, 2, 3
PGPR/PGPR Efecto sinérgico/complementario PGPR + PGPR + PGPR
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Ingeniería de microbiomas..! Es posible en la Fruticultura Orgánica?
Una imagen vale más que 1000 palabras… pero también puede inducir muchas ideas!
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Ingeniería de microbiomas..! Es posible en la Fruticultura Orgánica?
Las bactérias PGPR/PGPR adicionadas en las plântulas prévio a su implantación em condiciones agronómicas aumenta el número de bactérias benéficas en la Rizosfera. Estas bactérias van a promover el crecimiento de la planta e impedir la proliferaçión de patógenos. Estrategia de inundación 1. Multiplicación seletiva 2. Suelo supressivo 3. Promoción del crecimento
Neutras
Patógenas
PGPR 1, 2, 3
Neutras
Patógenas
↓ PGPR 1, 2, 3
PGPR/ PGPR
↓ Neutras
↓ Patógenas
PGPR 1, 2, 3
PGPR/PGPR Efecto complementario PGPR + PGPR + PGPR
PGPR/PGPR X
PGPR PGPR+PGPR+PGPR ↑PGPR
B-PGPR/PSHR
↓patógenos ↑Bio-disposición
[nutrientes]
↓patógenos
[ISR]
Ingeniería de microbiomas..! Un concepto para Fruticultura Orgánica
Una imagen vale más que 1000 palabras… pero también puede inducir muchas ideas!
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Ingeniería de microbiomas..! Es posible en la Fruticultura Orgánica?
¿Cómo aumentar la biodiversidad de los suelos destinados al cultivo de cítricos?
¿Qué tipo de PGPR?
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Ingeniería de microbiomas..! Un concepto para Fruticultura Orgánica
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Ingeniería de microbiomas..! Un concepto para Fruticultura Orgánica
Diseño experimental 1. Se obtuvieron muestras de 8 zonas geográficas
[representativas de otras mayores] de diferentes lugares del globo
2. Se analizó la diversidad microbiana de cada lugar en relación al suelo no rizosférico y se identificaron los principales actores involucrados
Se estableció la identidad de los actores
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Ingeniería de microbiomas..! Un concepto para Fruticultura Orgánica
Diseño experimental 1. Se analizó el “core genome” de todos los sitios evaluados en relación al suelo
no rizosférico .
2. Se identificaron los actores comunes de la rizósfera y el suelo no-rizoférico [132] y aquellos solo identificados en la rizósfera [6]
3. Es posible saber que bacterias están presentes pero…¿Es posible saber qué función cumplen?
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Ingeniería de microbiomas..! Un concepto para Fruticultura Orgánica
Authors: ”A better understanding of the plant microbiome should enable the utilization of such microbes to improve citrus health and productivity” Éstas herramientas permiten a las empresas avanzar en la ingeniería rizosférica del cultivo…!
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Ingeniería de microbiomas..! Un concepto para Fruticultura Orgánica
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¡Muchas gracias por su atención!