Los cultivos están sometidos a diversas situaciones de estrés generadas por las condiciones ambientales, como radiación UV, altas y bajas temperaturas, congelación, sequía, salinidad, presencia de metales pesados e hipoxia. A estas condiciones desfavorables, en su conjunto, se las designa como estrés abiótico y generan efectos negativos en la productividad agrícola: los cultivos se enfrentan a una presión externa adversa generada por el ambiente, la cual altera su crecimiento y desarrollo. Entre estos factores, la disminución en la disponibilidad de agua -a causa de sequías y de la salinidad-es uno de los componentes más importantes.

EL EFECTO DEL DÉFICIT HÍDRICO

La salinidad ocurre por procesos naturales o es inducida por las actividades humanas (antrópicas) y resulta en la acumulación de sales disueltas en el suelo y agua. La salinidad natural es un proceso a largo plazo e involucra eventos climáticos, como ruptura de rocas y su consecuente liberación de sales como cloruros de sodio, calcio y magnesio y deposición de sales oceánicas a través del viento y la lluvia. Mientras que la salinidad inducida por el ser humano es consecuencia, principalmente, de las alteraciones hidrológicas a causa del reemplazo de la vegetación perenne por cultivos anuales, y a esquemas de irrigación que emplean agua rica en sales o que tienen un drenaje insuficiente.

Más aún, el problema de las sequías es omnipresente y perjudicial económicamente. Si bien la sequía y la salinidad son factores diferentes, los mecanismos de respuesta de los cultivos frente a ellos son muy similares, y afectan negativamente a las plantas en cada aspecto de su fisiología y metabolismo:

•Alteran los niveles de fitohormonas, lo cual modifica la morfología vegetal y reduce el crecimiento, por ejemplo, a través del aumento en la síntesis de etileno;

•Interrumpen la fotosíntesis y disminuyen los niveles de clorofila;

•Producen toxicidad metabólica y aumento de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS, del inglés Reactive Oxygen Species), que dañan las estructuras celulares;

•Generan un desbalance nutricional debido a la pérdida del control en la asimilación de nutrientes desde la raíz y su transporte al resto de la planta.

Como consecuencia, los cultivos sufren un menor crecimiento y mayor envejecimiento vegetal, clorosis (amarillamiento de hojas debido a la pérdida de clorofila), muerte de tejidos, pérdida de la funcionalidad de la planta y, por tanto, disminución en productividad.

Para enfrentar esta situación, se ha intentado desarrollar transgénicos y cultivares tolerantes al déficit hídrico a través de la hibridación de cultivos particulares. Sin embargo, existen brechas importantes en el entendimiento de los mecanismos genéticos, bioquímicos, y fisiológicos de las plantas en respuesta a este tipo de estrés, además de la falta de conocimiento de las verdaderas determinantes de la tolerancia. Sumado a lo anterior, los altos costos y tiempos necesarios para su desarrollo, dificultan la generación de este tipo de cultivos. No obstante, estudios recientes indican que los microorganismos podrían ayudar a las plantas a enfrentar el estrés abiótico.

AYUDA DESDE UN MUNDOINVISIBLE

Los microorganismos -principalmente hongos y bacterias- son capaces de colonizar tanto la superficie de las estructuras vegetales (epífitos), como su interior (endófitos), generando comunidades ecológicas que influyen en el crecimiento, desarrollo y productividad de una planta. Estos microorganismos cuentan con enormes capacidades metabólicas que permitirían mitigar el estrés abiótico, a través de una modulación local y sistémica de la planta. Esto lo logran mediante la producción de sustancias que promueven el crecimiento de pelos radiculares, los cuales facilitan la captación de nutrientes, y de otras moléculas que ayudan a su asimilación.

Las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal o PGPR (del inglés Plant Growth Promoting Rhizobacteria) son bacterias benéficas que viven asociadas a la raíz o en sus cercanías. Éstas, gracias a la activación de una tolerancia sistémica inducida que promueve cambios físicos y químicos en la planta, generan los mayores efectos de tolerancia al estrés abiótico, mejorando su productividad e, incluso, estimulando su inmunidad.

Los estudios avalan el apoyo desde el mundo invisible. El laboratorio del doctor Venkatesan Sundaresan, de la Universidad de California, Davis (UC Davis), ha estudiado los mecanismos asociados al reclutamiento de microorganismos en plantas de arroz. La finalidad es entender cómo estas comunidades microbianas impactan el desempeño y rendimiento de los cultivos. También analizan las variaciones de estas poblaciones en respuesta a situaciones de estrés abiótico y cómo estos cambios beneficiarían a las plantas de arroz.

El grupo de investigadores del doctor Devin Coleman-Derr, de UC Berkeley, ha empleado técnicas dependiente e independiente de cultivo para caracterizar las comunidades PGPR en Sorghum bicolor, una especie de gramínea con potencial de materia prima y de biocombustible. Intenta identificar la maquinaria PGPR que ayudaría  a mejorar los rendimientos de los cultivos y que serviría como blanco potencial para favorecer la respuesta de la planta a estrés abiótico.

A la fecha, se han descrito varios mecanismos en PGPR que, en conjunto, estimularían la  tolerancia a estrés abiótico en plantas (Figura 2), incluyendo:

• Producción de fitohormonas, tales como auxinas (IAA), citoquininas, giberelinas y ácido abscísico que, por ejemplo, favorecen el crecimiento de las raíces y la tolerancia al estrés salino.
• Generación de 1-aminociclo propano-1-carboxilato (ACC) desaminasa, una enzima importante que reduce los niveles de etileno en la raíz.
• Estimulación de la producción de compuestos que contienen nitrógeno (aminoácidos, amidas, iminoácidos, proteínas, aminas cuaternarias y poliaminas), los cuales actúan como agentes protectores de las estructuras celulares, son fuente de carbono y nitrógeno, aumentan la actividad de enzimas, y ayudan a mantener las condiciones de equilibrio intracelular.
• Activación de mecanismos antioxidantes más efectivos para combatir la producción de ROS en la planta.
• Favorecimiento de la captación de nutrientes. Por ejemplo, a través de la solubilización de fosfatos inorgánicos del suelo mediante la liberación de ácidos orgánicos.
• Liberación de compuestos orgánicos volátiles, los cuales generan un efecto positivo en la biomasa vegetal y activan la tolerancia sistémica inducida.
• Generación de EPS (exopolisacáridos), los cuales mantienen el suelo humectado y aumentan la tolerancia a situaciones de déficit de agua.

ATACAMA: FUENTE DE MICROORGANISMOS

El desierto de Atacama es considerado el desierto más árido del planeta y se extiende desde la Región de Arica y Parinacota hasta el norte de la Región de Coquimbo. Particularmente, la XV Región es de gran interés, ya que cuenta con una actividad agrícola concentrada en los valles costeros y cuya producción está orientada a los mercados de la zona central. Dentro de sus productos agrícolas destacan el tomate y el maíz de consumo fresco y cultivos de papa, olivos, pimentón, entre otros. En esta zona existen áreas cultivables con altas concentraciones salinbóricas, alta radiación solar y un proceso de salinización creciente. En síntesis, estos cultivos están sometidos a una fuerte presión generada por distintas fuentes de estrés abiótico.

Estos cultivos nos hace pensar, ¿cuentan con microorganismos asociados que los ayuden a enfrentar situaciones de estrés? En este contexto, la Universidad de Tarapacá en conjunto a UC Davis Chile están estudiando las comunidades microbianas asociadas a cultivos de alfalfa, maíz, orégano y papa. Estas comunidades están naturalmente adaptadas a crecer en condiciones de estrés abiótico y otorgarían a los cultivos esa misma capacidad; además, generarían buenos rendimientos de producción.

Lograr la identificación de comunidades PGPR de esta región no sólo brinda la posibilidad de estudiar los mecanismos que ayudan a que estos cultivos sean productivos. Además, ofrecen la oportunidad de desarrollar nuevos bioproductos de uso agrícola, que funcionen óptimamente en zonas donde las condiciones ambientales limitan la producción de los cultivos. Esto es importante, ya que los bioinsumos actuales presentan una actividad limitada, debido al estrés al cual están sometidos en la región. Por lo tanto, es necesario generar soluciones que incorporen microorganismos nativos o endémicos de ambientes áridos, de modo que los bioproductos sean eficientes y efectivos a estas condiciones.

Escrito por: Patricio Muñoz, Investigador Posdoctoral UC Davis Chile – UTA