impacto de bacillus subtilis-vermicomposta en el

Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química

2020

Año 6

Número 6

Universidad Autónoma Metropolitana

Revista tediq 6(6) 605, 2020

Impacto de Bacillus subtilis-vermicomposta en el crecimiento de la acelga (Beta vulgaris var cycla)

Alamilla Abreu Ingrid Anel, Arias Martínez Carlos Andrés, Zacaria Vital Aliana, Elías Fernández Guillermo,

Chirino Galindo Gladys*

Universidad Nacional Autónoma de México. Departamento de Biología, Facultad de Estudios Superiores Iztacala. Avenida de los Barrios No. 1, Los Reyes Iztacala, Tlalnepantla de Baz, Estado de México. C.P. 54090. México. *Autor para correspondencia: [email protected]

ecibido: 28/febrero/2020 Aceptado: 18/octubre/2020 Palabras clave: Acelga, vermicomposta, bacillus Keywords: Chard, vermicompost, bacillus

RESUMEN

La producción de hortalizas en México ha ido en aumento, deteriorando tanto su calidad, como el suelo en que son cultivadas, por lo que surge la necesidad de incorporar alternativas amigables con el ambiente, sin afectar el contenido nutrimental. En el presente trabajo se evaluó el impacto sinérgico y por separado de vermicomposta y Bacillus subtilis, sobre plantas de acelga, a través de la evaluación de la altura, índice estomático, clorofilas, carotenos, carbohidratos y proteínas; para describir estas últimas se realizó además una electroforesis en gel de poliacrilamida. Los tratamientos con Bacillus subtilis y vermicomposta individualmente propician un mejor desarrollo de la planta, a diferencia del sinérgico, ya que la competencia por los nutrientes puede afectar el desarrollo de la planta. Aun así, no se presentaron diferencias significativas, por lo que se sugiere, sobre todo, ampliar el tamaño muestral y el periodo de experimentación.

ABSTRACT

The production of vegetables in Mexico has been increasing, deteriorating both their quality and the soil in which they are grown, which is why the need arises to incorporate environmentally friendly alternatives, without affecting the nutritional content. In the present work, the synergistic and separate impact of vermicompost and Bacillus subtilis on chard plants was evaluated through the evaluation of the height, stomatal index, chlorophylls, carotenes, carbohydrates and proteins; To describe the latter, a polyacrylamide gel electrophoresis was also performed. Treatments with Bacillus subtilis and vermicompost individually favor better plant development, unlike synergistic, since competition for nutrients can affect plant development. Even so, there were no significant differences, so it is suggested, above all, to expand the sample size and the experimentation period.


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Introducción

México produce anualmente cerca de 16 mil toneladas de hortalizas, siendo las más consumidas; maíz, calabaza, pepino y acelga (SAGARPA, 2016), de esta última su producción anual es de 8 mil toneladas y por su fácil aclimatación se cultiva desde el nivel del mar hasta los 2500 metros de altitud. Su importancia cultural radica en que está presente en diversos platillos de la gastronomía mexicana (Hanan & Mondragón, 2009). La acelga aporta vitamina C, A, B12, hierro, calcio y fibra. También es un auxiliar en enfermedades renales, aumenta la quema de calorías, es digestivo, diurético, controla la glucosa en sangre y es utilizado tópicamente para inflamaciones de la piel (Rozano, 2004).

Por la alta producción de acelga se debe a su monocultivo y el uso excesivo de pesticidas y fertilizantes. Por lo anterior, surge la necesidad de buscar alternativas orgánicas libres de fertilizantes químicos como la composta el cual es un abono orgánico formado por la degradación microbiana de materiales sometidos a un proceso de descomposición. Los microorganismos que llevan a cabo dicho proceso lo realizan de manera natural (Cruz-Crespo et al., 2014). Otras técnicas utilizadas son la vermicomposta y el biocontrol por Bacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal (BPCV).

El vermicompostaje es un proceso de bio-oxidación y estabilización de residuos orgánicos por la acción combinada de lombrices y microorganismos que da lugar a un producto denominado humus de lombriz, el cual aumenta el contenido de nutrientes y facilita a las plantas su asimilación, siendo el humus el responsable directo e indirecto de la producción de fitohormonas (Vargas-Machuca, 2010).

Las BPCV han demostrado que las del género Bacillus tienen potencial para degradar nutrientes, lo que ha impulsado su estudio para el control biológico de patógenos y la promoción del crecimiento vegetal. Dicho crecimiento puede ocurrir de forma directa o indirecta. El primero se observa en bacterias rizosféricas que son capaces de llevar a cabo la fijación biológica de nitrógeno, la solubilización de minerales como el fósforo y son auxiliares en la producción de hormonas reguladoras del crecimiento vegetal. El segundo está relacionado con la producción de sustancias que actúan como antagonistas de patógenos o induciendo resistencia en las plantas (Tejera-Hernández et al., 2011).

Se ha investigado la relación del efecto de Bacillus y vermicomposta en el desarrollo de diversas plantas como el realizado por Velasco-Velasco et al. (2001) quienes evaluaron el efecto de vermicomposta, endomicorriza arbuscular Glomus intraradix y A.

brasilense en el rendimiento de tomate. Observaron que la adición de vermicomposta, sola o combinada con G. intraradix y A. brasilense, mostró efecto positivo. Además, observaron un efecto sinérgico en la combinación de vermicomposta + G. intraradix, que superó al tratamiento testigo. Por otra parte, Bautista (2006), utilizó agentes biológicos para el control y desarrollo de frutos y hortalizas aplicando B. Subtilis, se cual obtuvo un efecto significativo en la defensa además de un adecuado crecimiento.

En 2011, Mogollón, utilizó el vermicompostaje para remediar el efecto de la salinización del suelo en el crecimiento de hortalizas. Se encontró un impacto significativo en el aumento de la actividad enzimática de las plantas, mejor respiración, estabilización de pH y mayor tasa de mineralización y fijación de nitrógeno. González (2012) demostró que los tratamientos con B. subtilis afectaron de manera positiva ya que igualó la productividad y calidad del fruto de la fresa, en comparación con un sistema convencional de fertilización, adicionalmente, se vio mejorada la calidad nutracéutica de los frutos, probablemente a causa de la combinación positiva de los efectos nutricionales y bioestimuladores.

De la Mora y colaboradores en 2016, utilizaron dos tratamientos, estiércol como abono y dos tipos de Bacillus, B. sporasarcina y B. paenibacillus alvei, para nutrición y defensa de cultivos de hortalizas. Obteniendo una mejora en el rendimiento y crecimiento.

El uso de vermicomposta tiene un efecto positivo en el crecimiento del área foliar, tallos y altura de las plantas, mientras que las bacterias del género Bacillus ayudan a la fijación de nutrientes y defensa de las hortalizas, por lo que se espera que la combinación de Bacillus subtilis-vermicomposta tenga un efecto benéfico sinérgico en el desarrollo de Beta vulgaris var. cycla. Por lo cual el propósito de este trabajo fue determinar el efecto de la vermicomposta-Bacillus subtilis en el crecimiento de Beta vulgaris var. cycla.

Metodología

La investigación se realizó en el invernadero de la Facultad de Estudios Superiores Iztacala, Municipio de Tlalnepantla de Baz, Estado de México de febrero a junio de 2018.

Se utilizaron 20 plántulas de acelga (Beta vulgaris var. Cycla) cultivadas con solución nutritiva en piedra volcánica con agrolita, las cuales fueron proporcionadas por la Maestra Irma Castillo Padilla del Laboratorio de Investigación Científica II.

La cepa de Bacillus subtilis fue proporcionada por la doctora Graciela Molina, del Laboratorio de Cultivos


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microbianos. Se utilizó una técnica de diferenciación por medio de agar tripticaseína. Después se incubaron a 37°C por dos días y posteriormente se dejaron a temperatura ambiente por dos días hasta que alcanzaron una densidad de 1,5x109 UFC/mL.

El profesor Alfonso Reyes Olivera de la asignatura de Morfofisiología proporcionó la vermicomposta producida dentro de la Facultad de Estudios Superiores Iztacala.

Se obtuvo la tierra del Vivero Lomas ubicado en Av. Adolfo Ruíz Cortines, esq. Tultitlán Sur, la cual se sometió a un proceso de tamizado y a una posterior esterilización.

El experimento se realizó en macetas de 1L conteniendo una plántula y sustrato en diferentes proporciones, estas se mantuvieron en condiciones de invernadero a una temperatura promedio de 27°C, además se implementó un sistema de riego por goteo con la finalidad de mantener húmedo el sustrato. Los tratamientos utilizados fueron: Control positivo (TCp), el cual consto de cuatro repeticiones con piedra volcánica, agrolita y solución nutritiva; Como testigo, se utilizó una plántula con tierra estéril; Para los siguientes tratamientos se realizaron 5 repeticiones; Vermicomposta (TV), con 50% de tierra estéril y 50% de vermicomposta (p/p); Bacillus subtilis-Vermicomposta (TBV), con 50% de tierra estéril,

50% de vermicomposta y 15 mL de solución con 〖1×10〗

^7 UFC/mL de Bacillus subtilis; Bacillus subtilis (TB), con

tierra estéril y 15 mL de solución 〖1×10〗^7 UFC/mL

de la bacteria.

Cada 7 días después de la siembra (dds) y durante tres semanas, se midió la altura de las plantas. A los 20 dds se evaluó el contenido de clorofila a y b (Mackinney, 1941), β-carotenos (Wettstein, 1957), índice estomático (Wilkinson, 1979), concentración de carbohidratos por el método Nelson (1944) Somogyi (1952), proteínas por el método Lowry (1951), determinación del tipo de proteínas por electroforesis en gel de poliacrilamida SDS-PAGE (Yábar, 2003).

A los datos obtenidos se les realizó un Análisis de Varianza (ANOVA) de un factor, (α= 0.05) y de existir diferencias significativas, se utilizó la prueba de la diferencia mínima significativa (LSD).

Resultados y discusión

Clorofilas y carotenos

En la concentración de clorofila a, el Tratamiento Bacillus subtilis, en adelante mencionado como TB, (0.92mg/ml ± 0.25) y el Tratamiento Vermicomposta, en adelante mencionado como TV, (0.92 mg/ml ± 0.23) presento su mayor valor, superando al testigo. Existió una diferencia

significativa entre los tratamientos (p=1.0462E-08). En relación con clorofila b los tratamientos que presentaron una mayor concentración fueron TV (0.39mg/ml ± 0.047) y TB (0.407 mg/ml ± 0.148) superando al testigo sin presentar diferencias significativas. Respecto a la concentración de carotenos, el mayor valor fue el Tratamiento Control positivo, que se mencionara como TCp en adelante, (0.124 mg/ml ± 0.077) superando al testigo, aunque no significativamente (p=2.069E-20). Figura 1.

Figura 1. Comparación de concentraciones de clorofilas y carotenos de los tratamientos con respecto al control positivo y al testigo. Se encontró diferencia significativa en clorofila a, mostrando al TV y TB como los más altos (p-valor= 1.0462E-08).

En el proceso fotosintético, uno de los componentes más importantes es la clorofila, la cual se encarga de absorber la energía luminosa, para después convertirla en carbohidratos que son de utilidad para la planta, como la sacarosa y el almidón. Pero para hacer esto, también es indispensable la asimilación de CO2, la cual se da a través del ciclo de Calvin y que también nos da como resultado la formación de un azúcar de 6 carbonos, además de moléculas de energía como el ATP, el cual nos permitirá continuar con los ciclos indispensables para la planta (Méndez, 2014) (IPNI, 1999)

La determinación de clorofila en tejidos vegetales es un método utilizado para estimar el estado nutrimental del cultivo en lo que se refiere a nitrógeno, hierro y magnesio principalmente (Sachdchina y Dimitrieva, 1995). Se aprecia que en el TBV las concentraciones de clorofilas y carotenos fueron bajos en comparación con el TB y el TV. Esto debido a que las cepas de Bacillus subtilis son capaces de producir compuestos de bajo peso molecular llamados sideróforos los cuales se activan para capturar mejor el hierro cuando se encuentra limitado, si la cantidad de sideróforos aumenta promueve así la competencia por este mineral en el suelo (Camelo et al., 2011).


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Índice estomático

Se puede observar que TB (18.99% ± 0.715) y el Tratamiento Bacillus subtilis-Vermicomposta, en adelante mencionado como TBV, (18.52% ± 1.045) fueron los tratamientos con un mayor porcentaje de estomas, además de tener diferencias significativas con respecto a los otros tratamientos (p-valor= 0.0003) en donde el menor valor se encontró en TCp (12.61% ± 0.99). Figura 2.

Figura 2. Índice estomático obtenido en los diferentes tratamientos. Se encontró diferencia significativa en TB y TBV (p-valor= 0.00032522)

El TBV y TB tuvieron un mayor porcentaje de estomas, en el caso del primero la sinergia negativa, parece ser la causa más aparente, las plantas al igual que muchos organismos son capaces de buscar alternativas para su homeostasis. Los estomas son parte de la regulación natural de la planta para lograr este objetivo, por esto mismo cuando existe una deficiencia en algún aspecto nutricional (Cañizares, 2003) los nutrientes presentes en la tierra, cuando son bajos, los estomas tienden a aumentar buscando un medio de regulación debido al estrés nutricional.

Carbohidratos

A través de la fotosíntesis se convierte al CO2 y a otras sustancias en carbohidratos, para esto es necesario la transferencia de energía de moléculas como ATP (IPNI, 1999). Puede apreciarse que TB es el que contiene una mayor cantidad de carbohidratos, esto puede ser debido a que se le agregó Bacillus subtilis, que, como indican Restrepo y cols. (2015), es una bacteria solubilizadora de fosfato (BSF), es decir, puede hacer que este ion sea más asimilable para la planta y así, tenga un mejor aprovechamiento. Figura3.

Figura 3. Concentración (mg/mL) de carbohidratos para cada tratamiento. Se observa que la mayor concentración está en TB (13.31704 mg/mL ± 3.936), mientras que las del testigo, TBV, TV y TCp son similares. No se encontraron diferencias significativas.

Proteínas

El TCp (13.726 mg/ml ± 1.986) y TV (13.20 mg/ml ± 4.248) presentan una mayor concentración de proteínas a diferencia del tratamiento sinérgico TBV (10.57 mg/ml ± 1.20) y TB (10.53 mg/ml ± 1.69), quienes presentan una concentración similar. Figura 4.

Figura 4. Concentración (mg/ml) de proteínas presentes en los diferentes tratamientos, estadísticamente no hay diferencias significativas.

No hubo una diferencia significativa entre los tratamientos. Sin embargo, la concentración en TCp correspondientes a solución nutritiva y TV fue mayor. Esto debido a que en el TCp no hubo un cambio en cuanto a la tierra contenida y a su forma de riego, manteniendo así inalterables los macro y micro nutrientes que la solución nutritiva le provee a la planta. Uno de estos macronutrientes es el N, el cual se obtiene a partir del NO3, el cual es utilizado para sintetizar compuestos orgánicos o almacenarlos dentro de la planta (Maldonado et al., 2013). El tratamiento con Vermicomposta presentó una mayor concentración de proteína, ya que contiene una elevada carga enzimática y bacteriana la cual incrementa la solubilidad de los elementos nutritivos, liberándose en forma paulatina, facilitando así su asimilación por las raíces; de igual


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manera, el tratamiento le confiere una actividad antibiótica que le proporciona resistencia a la planta contra plagas, mejorando así su crecimiento (Domínguez et al., 2010). Figura 5.

Figura 5. Electroforesis de proteínas en gel de poliacrilamida. El tratamiento 4 fue TB; tratamiento 3, TBV; el tratamiento 2, TV; y tratamiento 1, TCp. En el TV se lograron separar cuatro proteínas, en los tratamientos TBV y TB se lograron separar tres proteínas con diferente peso molecular y en el testigo se separaron cinco proteínas.

En el gel de poliacrilamida los tratamientos que se lograron visualizar proteínas fueron TV, TBV, TB y testigo, que en comparación con el control positivo (TCp) no se pudo observar una separación de proteínas.

Se encontraron proteínas como la Colina Monooxigenasa, identificada en el TV y el TBV y cuyo peso molecular oscila entre 50 y 51 kDa, la cual es capaz de catalizar la síntesis de glicina betaína, un osmoprotector acumulado por muchas plantas en respuesta a la salinidad y la sequía (Yancey, 1994). Esta proteína se encuentra presente en las hojas y raíces de acelga como lo demostró Russell et al., en 1998.

En el TBV fue más evidente el estrés hídrico, producto de la proliferación bacteriana presente, ya que los fluidos que se encuentran en la tierra son indispensables para los microorganismos y estos organismos en exceso pueden causar una disminución de dicho elemento para la utilización de la planta.

En el TB se identificó la proteína P5CS (Delta-1-pyrroline-5-carboxylate synthase), la cual sintetiza prolina. Al igual que la glicina betaína, la biosíntesis de prolina ayuda a muchas plantas a aumentar el potencial osmótico de sus células cuando se encuentran bajo un

estrés hídrico y/o estrés salino (Chien-an et al., 1992). Pizard y colaboradores observaron que el alto contenido de prolina en plantas bajo estrés hídrico es frecuentemente observado en varias especies.

Altura

En la altura de las plantas se puede apreciar que la que obtuvo una mayor altura fue el TCp (17.38±5.37) en comparación con los otros tratamientos, además de que el testigo también supera el promedio de los tratamientos. Figura 6.

Figura 6. Porcentaje de crecimiento para cada una de los tratamientos. El control positivo fue el mejor presentó crecimiento, seguido del testigo, mientras que TB, TBV y TV presentan porcentajes

La baja absorción de nutrientes en el tratamiento sinérgico se debe potencialmente a que la cepa de Bacillus subtilis, al ser una bacteria BPCV (bacteria promotora del crecimiento vegetal) produce compuestos sideróforos, los cuales tienen una gran afinidad por iones hierro, volviéndose esencial para el metabolismo ya que cumple con funciones como la fijación de nitrógeno; éste actúa de manera directa para la estimulación del crecimiento de las plantas, aunque también activa un mecanismo indirecto estimulando la competencia por el nicho ecológico o sustratos (Aguado–Santacruz et al., 2012); es factible que la vermicomposta, al liberar sus componentes, incentivara una competencia por los nutrientes presentes en la planta, obligando a ésta a buscar alternativas para su nutrición en la fotosíntesis, lo cual se vio reflejado en los porcentajes de crecimiento.

El TBV tuvo un menor efecto en su concentración proteínica, clorofilas y carbohidratos debido a diversas causas, entre ellas la competencia bacteriana. La vermicomposta contiene una gran cantidad de microorganismos, los cuales se encargan de degradar la materia orgánica, esto permite la fácil absorción de los nutrientes por la planta; sin embargo, cuando existe una sobrepoblación microbiana, esta es capaz de provocar una competencia en lugar de generar una simbiosis. En este tratamiento se ocupó una cantidad mayor de


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vermicomposta (50%) que lo utilizado de forma estándar (de 10 a 40%) (Moreno-Reséndez et al., 2012) además se le administraron 3 dosis (1x107 UFC/mL) de Bacillus subtilis en 20 días, por lo cual hubo una sobrepoblación bacteriana, generando un estrés nutricional sobre la planta, lo cual disminuye su concentración de clorofilas, proteínas y carbohidratos; sin embargo, el índice estomático resultó ser alto en este tratamiento, debido a la búsqueda por parte de la planta de alternativas para su supervivencia y equilibrio.

El impacto positivo de TV recae en funciones específicas de la vermicomposta, en este caso sobresale en la cantidad de proteínas presentes en él, esto es posible gracias a que el humus de lombriz es capaz de almacenar una gran cantidad de nitrógeno previamente fijados por los microorganismos de esta vermicomposta, el nitrógeno es una molécula fundamental en todas las proteínas que influye en la concentración de esta biomolécula presente en la planta (Natureland, 2009).

En TB hubo una mayor concentración de carbohidratos, así como de clorofila a y b y un índice estomático más alto, al haber mayor número de estomas, la regulación tanto de la absorción de CO2, indispensable para la fotosíntesis, como la expulsión de agua será más eficiente, ayudando así, a que exista una mayor resistencia ante el posible estrés hídrico y nutricional. Si existe un estrés hídrico moderado se verá afectada la fotosíntesis como una consecuencia ante el cierre de estomas (Méndez, 2014).

Conclusiones

A pesar de no haber obtenido diferencias significativas, en la mayoría de las pruebas realizadas, se observó que la Vermicomposta y el Bacillus por separado tienen un impacto positivo en el crecimiento de las plantas. El tratamiento que presentó mejores resultados fue TB, alcanzando diferencias significativas en las pruebas de clorofila a e índice estomático. No hubo un mayor crecimiento, así como asimilación de proteínas en el tratamiento sinérgico, dada la competencia bacteriana por Bacillus y Vermicomposta por la captación de estos nutrientes. De tal forma se recomienda utilizar de manera controlada la cantidad de unidades formadoras de colonias de B. subtilis pues a pesar de que se ha reportado como un BPCV (Bacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal) en exceso ocasiona un estrés nutricional e hídrico de la planta.

Agradecimientos

Los autores quieren distinguir la colaboración de la Maestra Irma Castillo por proporcionar las plantas, de la Doctora Graciela Molina por la cepa bacteriológica, del profesor Alfonso Reyes Olivera por la vermicomposta,

del Maestro Marcial García por el apoyo en el invernadero y del Doctor Martín Palomar por el apoyo con la técnica de electroforesis.

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