la rizosfera como factor clave para un modelo de...

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)

PLANT GROWTH PROMOTING RHIZOBACTERIA - CASSÁN – 2020 φ

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


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 ↑


The Rhizosphere: Biochemistry and Organic Substances at the Soil-Plant Interface Pinton et al. 2007


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


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


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]


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


Planta versus holobionte…!


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.


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


Otros holobiontes en la naturaleza…!

Vamos a hablar sobre los habitantes de la rizósfera...


Rizobactérias-Microbioma

Neutras Benéficas Patógenas

Planta

Simbiótico Endofítico Epifítico

Las bacterias de la rizosfera son llamadas rizobacterias…!

[free living]


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


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


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


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*


Ping and Boland [2004]

Princípio da ubiquidade São produzidos por plantas, rizobactérias e fungos*


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.


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


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


La manipulación de la rizósfera es un hot spot de biotecnología desde hace más de una década..!


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]

[1]

[2]

[3]


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

[1]

[2]

[3]

Ingeniería de la rizósfera/microbiomas..! La mirada actual [2019]


La manipulación de los microbiomas rizosféricos debe comenzar en la espermósfera..!

5-10 mm


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



Ingeniería de microbiomas..! Es posible en la Fruticultura Orgánica?

Una imagen vale más que 1000 palabras… pero también puede inducir muchas ideas!



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!



¿Cómo aumentar la biodiversidad de los suelos destinados al cultivo de cítricos?

¿Qué tipo de PGPR?



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



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?



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…!




¡Muchas gracias por su atención!

la rizosfera como factor clave para un modelo de...

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