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 (lepelde@neiker.eus)Carlos Garbisu (cgarbisu@neiker.eus)

www.soilmicrobialecology.com

AritzCarlos

JulenFernando

Iker

EnaitzAnders MaiteIker Mikel

Lur

ESKERRIK ASKO!!!