Evaluación de rizobacterias promotoras del crecimiento bajo diferentes esquemas de fertilización en el cultivo de maíz variedad HIMECA-95

Evaluation of growth promoting rhizobacteria under different fertilization schemes in maize variety HIMECA-95

Titulo corto: Biofertilización del maíz

Resumen: Bacterias previamente aisladas, y caracterizadas como diazotróficas y disolventes de  fosfatos inorgánicos se evaluaron en campo como promotoras del crecimiento vegetal en la producción de maíz variando las condiciones de fertilidad del suelo. Las cepas MF1b y MF5, en forma individual y en consorcio, se inocularon en semillas de maíz (HIMECA-95), y se sembraron bajo las siguientes condiciones de fertilización química: K, NK, PK, RK, NPK, y NRK (R: roca fosfórica). Al final del ensayo se determinó el peso seco total, y los contenidos de N y de P presentes en el grano para luego calcular el porcentaje de eficiencia agronómica relativa (%EAR). Los resultados obtenidos mostraron que la inoculación con la cepa MF5 en forma individual y en consorcio, con una fertilización quimica de NK, incrementaron la EAR del peso seco del grano en 130 y 403%, el contenido de N en 463  y 116%,  y el de P en 152 y 376%, respectivamente, logrando un aumento en la producción del grano de maíz y su calidad. Asimismo, se observó una variabilidad en las respuestas de los parámetros evaluados, lo cual podría deberse a los bajos contenidos de N y P del suelo, a los cambios en la fertilidad del suelo por la adición de los fertilizantes de alta solubilidad, y a la interacción entre las comunidades microbianas autóctonas y las bacterias introducidas. Se concluye que la efectividad de los microorganismos con potencial como biofertilizante para la agricultura sea evaluada cuidadosamente bajo diversas condiciones de fertilidad de los suelos.

Palabras clave: PGPR, fertilidad del suelo,bacterias diazotróficas, consorcio bacteriano, rendimiento

Abstract: Bacteria previously isolated, characterized as diazotrophic and inorganic phosphate solubilizers were evaluated under field conditions as plant growth promoters on the maize production when soil fertility was changed. The strains MF1b and MF5, alone and in consortium, were inoculated on maize seeds (HIMECA-95), and these were sown under the following chemical fertility conditions: K, NK, PN, RK, NPK, and NRK (R: phosphate rock). Total dry weight, and N and P contents of the grain were determined at the end of the experiment; also, the % of relative agronomic efficiency (RAE) was calculated. Results showed that inoculation with the strain MF5 alone and in consortium, with the addition of NK fertilizer increased the % RAE in 130 and 403 for the dry weight, in 463 and 116 for the N content, and in 152 and 376 for the P content, respectively, allowing an increase in both production and grain quality. Moreover, it was observed variations among the evaluated parameters which could be related to the low N and P status of the soil, the soil fertility changes after the addition of the highly soluble chemical fertilizers, and the interaction between autochthonous microbial communities and the introduced bacteria. It is concluded that the affectivity of a potential microbial biofertilizer for agriculture should be carefully evaluated under different fertility conditions of soils.

Key words: PGPR, soil fertility, diazotrophic, bacteria consortium, yield.

ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN

Alexis Valery¹, Isbelia Reyes²

¹ Mg en Agronomía. Universidad Nacional Experimental del Táchira, San Cristóbal, Estado Táchira, Venezuela. avalery@unet.edu.ve
² Ph.D.; Laboratorio de Biofertilizantes, Decanato de Investigación, Universidad Nacional Experimental del Táchira, San Cristóbal, Estado Táchira, Venezuela. avalery@unet.edu.ve; isreyes@unet.edu.ve.

Recibido: septiembre 15 de 2012. Aprobado: noviembre 12 de 2013

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Resumen

Bacterias previamente aisladas, y caracterizadas como diazotróficas y disolventes de fosfatos inorgánicos se evaluaron en campo como promotoras del crecimiento vegetal en la producción de maíz variando las condiciones de fertilidad del suelo. Las cepas MF1b y MF5, en forma individual y en consorcio, se inocularon en semillas de maíz (HIMECA-95), y se sembraron bajo las siguientes condiciones de fertilización química: K, NK, PK, RK, NPK, y NRK (R: roca fosfórica). Al final del ensayo se determinó el peso seco total, y los contenidos de N y de P presentes en el grano para luego calcular el porcentaje de eficiencia agronómica relativa (%EAR). Los resultados obtenidos mostraron que la inoculación con la cepa MF5 en forma individual y en consorcio, con una fertilización quimica de NK, incrementaron la EAR del peso seco del grano en 130 y 403%, el contenido de N en 463 y 116%, y el de P en 152 y 376%, respectivamente, logrando un aumento en la producción del grano de maíz y su calidad. Asimismo, se observó una variabilidad en las respuestas de los parámetros evaluados, lo cual podría deberse a los bajos contenidos de N y P del suelo, a los cambios en la fertilidad del suelo por la adición de los fertilizantes de alta solubilidad, y a la interacción entre las comunidades microbianas autóctonas y las bacterias introducidas. Se concluye que la efectividad de los microorganismos con potencial como biofertilizante para la agricultura sea evaluada cuidadosamente bajo diversas condiciones de fertilidad de los suelos.

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Summary

Bacteria previously isolated, characterized as diazotrophic and inorganic phosphate solubilizers were evaluated under field conditions as plant growth promoters on the maize production when soil fertility was changed. The strains MF1b and MF5, alone and in consortium, were inoculated on maize seeds (HIMECA-95), and these were sown under the following chemical fertility conditions: K, NK, PN, RK, NPK, and NRK (R: phosphate rock). Total dry weight, and N and P contents of the grain were determined at the end of the experiment; also, the % of relative agronomic efficiency (RAE) was calculated. Results showed that inoculation with the strain MF5 alone and in consortium, with the addition of NK fertilizer increased the % RAE in 130 and 403 for the dry weight, in 463 and 116 for the N content, and in 152 and 376 for the P content, respectively, allowing an increase in both production and grain quality. Moreover, it was observed variations among the evaluated parameters which could be related to the low N and P status of the soil, the soil fertility changes after the addition of the highly soluble chemical fertilizers, and the interaction between autochthonous microbial communities and the introduced bacteria. It is concluded that the affectivity of a potential microbial biofertilizer for agriculture should be carefully evaluated under different fertility conditions of soils.

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Introducción

En la mayoría de los suelos tropicales la limitada disponibilidad de elementos nutritivos para la producción de los cultivos ha conllevado a un exceso en la aplicación de agroquímicos, lo que a su vez ha generando un deterioro progresivo de los suelos agrícolas (Pimentel et al., 2005). En la última década se han evaluado estrategias en la fertilización de los cultivos, especialmente en lo referente a suplir los requerimientos de nitrógeno (N) y fósforo (P). Entre algunas de estas estrategias están la selección y modo de aplicación de diferentes tipos de fertilizantes químicos, incorporación de enmiendas orgánicas, rotación de cultivos, entre otras; buscando todas ellas una mayor eficiencia en la producción y conservación de los suelos (Santilla, 2006).

En la actualidad se plantean alternativas de manejo que permitan mantener o incrementar los rendimientos y reducir la contaminación por el uso excesivo de los agroquímicos, entre las que se encuentran las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (RPCV), que al ser aplicadas directamente al suelo ó inoculadas en las semillaspromueven un mejor desarrollo del crecimiento vegetal. Las RPCV actúan en la disponibilidad de macronutrientes y micronutrientes mediante la fijación biológica del N y la disolución de minerales, intervienen en la aceleración de procesos de mineralización de insumos orgánicos y la síntesis de fitohormonas que aceleran el desarrollo de las raíces (Ahemad y Kibret, 2013). Asimismo, pueden estimular indirectamente el crecimiento, actuando como agentes biocontroladores (Vessey, 2003).

Bacterias diazotróficas de vida libre o asimbióticas de géneros tales como Azotobacter (Balemi et al., 2007), Azospirillum (El-Howeity y Asfour, 2012), y Pseudomonas (Rosas et al., 2006), entre otras, han sido utilizadas en diferentes trabajos relacionados con la promoción del crecimiento de muchos cultivos comerciales y ornamentales, tales como tomate (Almaghrabi et al., 2013), garbanzo (Rudresh et al., 2005), canola (El-Howeity y Asfour, 2012), arroz (Meunchang et al., 2006) y maíz (Hameeda et al., 2008; Reyes et al., 2008), facilitando en gran medida la absorción de nutrientes por estos cultivos. De igual manera, muchas de estas cepas poseen la capacidad para manifestar más de un mecanismo de acción, como la fijación biológica de N, la disolución de fosfatos inorgánicos (Reyes et al., 2006) y la producción de ácido índol acético (Meunchang et al., 2006). En este trabajo,bacterias previamente aisladas y caracterizadas como diazotróficas de vida libre, y con capacidad para disolver fosfatos inorgánicos por Reyes y Valery (2007), fueron empleadas con el objetivo de determinar su potencial como RPCV en la producción del cultivo de maíz al variar las características de fertilidad de un suelo en condiciones de campo.

Materiales y métodos

Bioinoculanción de la semilla de maíz

Las cepas bacterianas usadas fueron MF1b y MF5, previamente aisladas de la rizósfera de plantas silvestres provenientes de suelos bajo explotación minera de los fosfatos minerales de Monte Fresco, localizada en las cercania a la población de San Pedro del Rio, Municipio Ayacucho, Estado Táchira, Venezuela y caracterizadas como fijadores de nitrógeno de vida libre y disolventes de fosfatos minerales (Reyes y Valery, 2007). Se utilizaron semillas de maíz del híbrido HIMECA-95, las cuales se desinfectaron con etanol (70% por 8 min) y seguidamente con hipoclorito de sodio (NaClO) (5% por 15 min), lavándose posteriormente 4 veces consecutivas con agua desionizada estéril. Con anterioridad se preparó una suspensión bacteriana de 1x10⁸ UFC/ml con las cepas bacterianas en forma individual,luego de un crecimiento de 24 horas en un medio de caldo nutritivo (10%) en condiciones de laboratorio,y para el tratamiento en consorcio se mezclaron las suspensiones ya preparadas en iguales proporciones (1:1). A cada suspensión, se le agregó una solución de alginato de sodio (2%) como adherente bacteriano en las semillas (Chitiva y Dussán, 2003). Por último, las semillas se colocaron en una fiola con la suspensión final, llevándolas a agitación constante durante 30 min, posteriormente se escurrieron y se dejaron secar por 18 h dentro de una cámara de flujo laminar.

Ensayo de campo

Se seleccionó un área de terreno en la Unidad Académica de la Universidad Nacional Experimental del Táchira, "La Tuquerena", ubicada en el Municipio Junín del Estado Táchira, Venezuela, caracterizada como un suelo franco arcilloso; pH de 4,49; 0,06 mmhos/cmde C.E.; 1,34% de materia orgánica; 3 ppm de P; 43 ppm de K; 150 ppm de Ca y 36 ppm de Mg. El área fue dividida en cuatro bloques, donde se distribuyeron todos los tratamientos del ensayo en forma aleatorizada, obteniendo un total de cuatro repeticiones por tratamiento. Cada bloque fue marcado con 72 hileras de 6 m de ancho cada una, separadas entre sí a 70 cm, cada tres hileras representaron una repetición del tratamiento evaluado; en cada hilera se sembró un total de 40 semillas, a razón de dos semilla cada 30 cm y a 5 cm de profundidad.

Se utilizó un diseño experimental bifactorial en bloques, siendo el primer factor la inoculación biológica con cuatro niveles correspondientes a las cepas MF1b, MF5 (en forma individual), la suspensión en consorcio de las mismas, y un tratamiento no inoculado (testigo). El segundo factor consistió en seis niveles de fertilización química correspondientes a: 1) cloruro de potasio; 2) nitrato de amonio y cloruro de potasio; 3) fosfopoder^® y cloruro de potasio; 4) roca fosfórica pulverizada y cloruro de potasio; 5) nitrato de amonio, fosfopoder y cloruro de potasio; 6) nitrato de amonio, roca fosfórica pulverizada y cloruro de potasio. Se aplicó para cada tratamiento lo recomendado según un previo análisis del suelo y los requerimientos del cultivo (Ramírez et al., 1978), para lo cual se calculó agregó en cada tres hileras: 180 g de nitrato de amonio (un tercio de esta cantidad se aplicó al momento de la siembra y el restante 30 días después de la siembra), 117 g de fosfopoder, 92 g de cloruro de potasio y 163 g de roca fosfórica micronizada. Estas tres últimas dosis de fertilizantes fueron colocadas completamente al momento de la siembra. Se utilizó la roca fosfórica micronizada proveniente de las minas de Monte Fresco, Estado Táchira, con aproximadamente 11,8% de P total.

Recolección y análisis de datos

La cosecha fue realizada a los cuatro meses después de la siembra. Se recolectaron tres mazorcas de cada tratamiento por cada uno de los bloques en forma aleatorizada en la hilera central, para un total de nueve mazorcas por tratamiento. Estas se secaron en estufa a 70 °C por 96 horas, despues se desgranaron, se determinó el peso seco total, el contenido de N y de P del grano (Temminghoff y Houba, 2004), y el porcentaje de eficiencia agronómica relativa (%EAR) para cada tratamiento, para lo cual se utilizó la fórmula de León et al. (1986), %EAR = ((A-B)/B) x 100, siendo A el tratamiento inoculado y B el tratamiento testigo o no inoculado. El resultado de la ecuación genera un porcentaje peso/peso (p/p) del comportamiento en aumento o descenso en relación al testigo o tratamiento no inoculado para las variables evaluadas, siendo una metodologia frecuentemente empleada para evaluar el efecto del uso de roca fosfórica (Matheus et al., 2007).

Los datos obtenidos en los diferentes tratamientos inicialmente fueron analizados para la verificación de la homogeneidad de la varianza mediante la prueba de Bartlett y posteriormente se trataron con el análisis de la varianza (ANOVA) y para determinar la diferencia entre las medias se aplicó la prueba de mínima diferencia significativa de Fisher (LSD) para cada uno de los nivelesde fertilización química por separado, con un nivel de significación de P< 0,05 y P< 0,001, mediante la hoja de calculo gnumeric utilizando el sistema operativo Linux.

Resultados y discusión

La mayoría de los cultivos requieren condiciones de suelo que les permitan expresar su potencial de producción, dichas condiciones son particulares para cada cultivo, variando en un rango de valores los parámetros físicos y químicos. De acuerdo a los resultados obtenidos del análisis químico del suelo utilizado, se observó que éste se caracterizó por ser fuertemente ácido (pH < 5), con un bajo contenido de materia orgánica (< 3%) y deficiente en contenidos de P, K y Mg como macroelementos nutritivos disponibles para las plantas, condiciones que normalmente restringen el rendimiento esperado de un cultivo (Meléndez et al., 2006).

Los resultados obtenidos en relación al peso seco del grano en los tratamientos no inoculados, mostraron que los rendimientos variaron en función de la disponibilidad de los elementos químicos aplicados, encontrándose los mismos entre 140 y 1298 kg/hade peso seco del grano, y obteniéndose el mayor valor con la fertilización NPK (tabla 1). De igual manera, se observó que la aplicación de P en forma de roca fosfórica (NRK) disminuyó en un 50% el valor del peso seco del grano en relación al tratamiento con NPK. El resto de los tratamientos (K, NK, PK y RK) confirmaron la pobreza y desbalance del estado nutricional de este suelo.

Tabla 1

Los resultados del peso seco del grano mostraron que en la mayoría de las condiciones de fertilización química las respuestas del cultivo variaron en función del factor microbiológico, al compararse con los tratamientos no inoculados. La utilización de la cepa MF5 y el consorcio mostraron que bajo la condición de fertilización química con NK se generó un efecto benéfico sobre la acumulación del peso seco del grano, con incrementos en la EAR de 130% (p/p) con la cepa MF5 y de 403,5% (p/p) con el consorcio, en relación al testigo no inoculado (tabla 1). Resultados similares han sido reportados por otros autores, por ejemplo, Valverde et al., (2006) muestran que un consorcio entre Mesorhizobium ciceri y Pseudomonas jessenii incrementaron el crecimiento de plantas de garbanzo; así mismo Kumar et al., (2001) observaron que co-inoculaciones de Pseudomonas and Rhizobium incrementaron el rendimiento de plantas de guisantes, resultados que se muestran dependientes de las condiciones de trabajo tales como las características del suelo o sustrato donde se evaluó el cultivo y las condiciones ambientales, entre otras. Asimismo, una falta de respuesta o una respuesta negativa a la inoculación posiblemente se deba a los bajos niveles de fertilidad y de contenido de materia orgánica del suelo utilizado en este ensayo, condiciones que generan una competencia por los nutrientes entre las plantas y los microorganismos introducidos (Chabot et al., 1996; Reyes et al., 2002). Todo lo anterior concuerda con lo expresado por Gyaneshwar et al., (2002), quienes señalan que la variación de la eficiencia de los microorganismos inoculados se debe a factores como las propiedades físico-químicas y las deficiencias nutricionales del suelo, al crearse sitos de estrecha competición entre la planta y los microorganismos por la absorción de los nutrientes. Por esta razón, se considera que las deficiencias nutricionales naturales del suelo utilizado en este trabajo y el efecto de la aplicación de la fertilización química indujeron rendimientos muyamplios, entre 29,5 y 1533,3 kg/ha (tabla 1), siendo igualmente valores muy inferiores al promedio de producción nacional para el maíz hibrido HIMECA-95, cuyo valor ha sido reportado entre 5570 y 6017 kg/ha (Alfaro et al., 2009; Hernández et al., 2000).

Como en el peso seco, el grado de fertilidad y la inoculación microbiana provocaron variaciones en el contenido de N del grano. En el tratamiento no inoculado y bajo condiciones de fertilización completa (NPK), el grano presentó 2,23% de N (tabla 2), valor que se encuentra por arriba del rango reportado (1,35-2,06% N) para diferentes materiales de maíz amarrillo (Alfaro et al., 2009). Adicionalmente, bajo estas mismas condiciones de fertilización la aplicación de la cepa MF1b generó un incremento aparente (significativo, P<0,05) del contenido de N, con un valor de 4,75% N, dado al efecto de la concentración de este elemento en el grano debido al bajo peso seco del grano/planta. Por el contrario, al inocularse la cepa MF5 en la fertilización con NK y al compararse con el mismo tratamiento químico del testigo no inoculado, es notable el incremento (P<0,05) de la acumulación de N en el grano, el cual es equivalente a 3,83% mostrando una EAR de 462,7% (p/p), resultado que señala el efecto benéfico de la inoculación de esta cepa en la calidad (tabla 2) y peso del grano (tabla 1). Al aplicarse el consorcio microbiano con NRK se observó un importante incremento correspondiendo a 297% (p/p) de EAR del N en el grano, valor que muestra el efecto sinérgico de las dos cepas diazotróficas si lo comparamos con los valores obtenidos con la misma fertilización y las inoculaciones en forma individual (tabla 2), resultado consistente con la respuesta del peso seco del grano (tabla 1) como ya se señaló. Situación similar fue presentada por El-Kholy et al., (2005) al observar que la inoculación en forma individual o en consorcio de Azospirillum y Rhodotula no presentaron diferencias significativas en la producción del grano pero sí incrementaron el contenido de N en el grano. Así mismo, si se comparan los resultados de este tratamiento, NRK, con los de la fertilización RK, se puede observar el efecto de la adición del N sobre la movilización de los nutrientes de la roca fosfórica, produciéndose probablemente la disolución del mineral por la interacción sinérgica del consorcio microbiano y traducido en una respuesta benéfica en el grano. Resultados similares fueron presentados por Díaz Vargas et al., (2001), quienes sugieren un posible sinergismo entre los microorganismos inoculados y las plantas evaluadas.

Tabla 2

La concentración de P medida en el grano en el tratamiento sin inoculación y con fertilización completa (NPK) presentó un valor de 0,67%P (tabla 3) la cual se encontró por arriba del rango de 0,29 a 0,50% del reportado para diferentes materiales de maíz amarillo (Alfaro et al., 2009). De igual forma se puede observar que el tratamiento no inoculado con NPK, incrementó la asimilación de P en el grano respecto a los tratamientos inoculados con MF1b y en consorcio bajo esta misma fertilización, y que la inoculación de cepa MF5 incrementó la EAR de 36, 48,9 y 152% (p/p), tanto con NPK, con K, como con NK, respectivamente, mostrando una mejor asimilación de este elemento por parte de la planta. De manera similar, la inoculación en consorcio con la fertilización NK presentó un incremento en la EAR de 375,5% (p/p). En muchos casos ha sido reportado que en tratamientos comerciales la inoculación de microorganismos mejora grandemente la asimilación de los nutrientes, ejemplo de esto se observa en el cultivo de soya donde diferentes inoculantes incrementaron el rendimiento del cultivo (peso seco) y la asimilación de N y P en el grano (Sandeep et al., 2008), probablemente debido a la interacción del inoculante con la rizosfera donde se incrementan los sitios de absorción.

Tabla 3

Por otra parte, un incremento en el peso seco del grano, con una disminucion de su contenido de N y P, como se observa en el tratamiento del consorcio con la condición de fertilización NPK, pudiera ser la respuesta de otros mecanismos de acción de las cepas inoculadas, como por ejemplo la producción de sustancias biológicas activas,entre las que destacan las hormonas de crecimiento auxinas y giberelinas (Vessey, 2003; El-Kholy et al., 2005; Egamberdieva 2008).

De manera que, la variabilidad en las respuestas de los parámetros evaluados con estas bacterias, estaría sujeta a condiciones tales como: (i) bajos contenidos de N y P del suelo que propicien competencias por nutrientes entre la planta y los microorganismos inoculados, y en consecuencia generen un enmascaramiento de la acción de estas cepas; (ii) las fuentes de fertilización química aplicadas de alta solubilidad que estimulen o inhiban el metabolismo de las cepas inoculadas; y (iii) la presencia de las comunidades microbianas autóctonas de la rizosfera quienes establecen interrelaciones como sinergismo, antagonismo y competencia por los exudados radicales de la planta y por los nutrientes en el suelo.

Conclusiones

La cepa utilizadaen esta investigaciónMF5 y el consorcio de MF1b-MF5, mostraron potencial para incrementar la producción del grano y la calidad nutricional delcultivo del maízúnicamente con el uso de una fertilización de NK. De igual forma, se encontró un cierto poder discriminativo de estas cepas ante las condiciones de fertilidad del suelo utilizado; en consecuencia, el uso de microorganismos con potencial como biofertilizante para la agricultura debe evaluarse cuidadosamente en diversas condiciones de fertilidad de los suelos.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Decanato de Investigación de la UNET por el financiamiento suministrado a través del proyecto No. 02-001-2001. De igual forma, al técnico de laboratorio Douglas Torrelles por su incondicional colaboración en campo.

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