Vol 1 No 3 2016 – 7

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ARTÍCULO   DE REVISIÓN

Importancia   de los lipopéptidos de Bacillus subtilis en el control biológico de enfermedades en cultivos de gran valor económico

Importance  of Bacillus subtilis lipopeptides in the biological control of diseases  in crops of high economic value
Available from: http://dx.doi.org/10.21931/RB/2016.01.03.7
 
Franklin Eduardo Sánchez Pila
 
RESUMEN   
Se determinaron   los avances en el control biológico de enfermedades en cultivos de importancia   económica, en donde Bacillus subtilis tiene un rol preponderante,   puesto que sus lipopéptidos demuestran su efectividad al momento de controlar   un rango muy amplio de enfermedades que atacan a los cultivos de mayor importancia   en nuestro país y en el mundo.
En los tres cultivos   analizados se dan detalles de la efectividad de Basillus subtilis para   el control de las enfermedades más devastadoras. En Magnaporthe ryzae    se determina que la severidad puede ser detenida con gran efectividad, por   lo que será necesario ampliar la experimentación hacia la protección   de la semilla del arroz. Para Rhizoctonia solani los resultados exhibidos   son muy alentadores. Esta enfermedad es de mucha importancia no solo en el cultivo   de papas, sino que en toda la variedad de solanáceas y leguminosas cultivadas   principalmente en el callejón interandino. En tanto que para Mycosphaerella   fijiensis se detallan excelentes resultados ante un patógeno extremadamente   agresivo y que su control trae grandes impactos en la población y en el   ambiente. Ante lo manifestado el Bacillus subtilis se perfila como uno   de los principales agentes biocontroladores para lograr un correcto manejo fitosanitario   de los cultivos de mayor importancia en nuestro medio.
Palabras clave:     Bacillus subtilis, Surfactinas, Iturrinas, Fengicinas, arroz, solanaceas,   banano.
ABSTRACT   
Advances in the   biological control of diseases in economically important crops, where Bacillus   subtilis has a preponderant role were determined, since their lipopeptides demonstrate   its effectiveness when controlling a wide range of diseases that attack crops   of major importance in our country and the world.
In the three crops   tested details Basillus subtilis effectiveness for control of the most devastating   diseases are given. In Magnaporthe ryzae it is determined that the severity   can be stopped very effectively, so experimentation will be necessary to extend   the protection of seed rice. For Rhizoctonia solani displayed results are very encouraging. This disease is very important not only in the cultivation of potatoes,   but in every variety of Solanaceae and legumes grown mainly in the inter-Andean   alley. While for Mycosphaerella fijiensis excellent results are detailed to   an extremely aggressive pathogen and its control brings great impacts on the   population and the environment. Given what was said Bacillus subtilis is emerging   as a major biocontrol agents for proper phytosanitary management of crops of   major importance in our environment.
Keywords:   Bacillus subtilis, surfactin, Iturrinas, Fengicinas, rice, Solanaceae, bananas.    
INTRODUCCIÓN     
El uso indiscriminado de agroquímicos para el control de enfermedades de las plantas cultivadas   ha perturbado el balance ecológico de los microorganismos del suelo, conduciendo al desarrollo de cepas de patógenos resistentes, contaminación de   aguas freáticas y obviamente riesgos a la salud de los humanos [1].
En el contexto del control biológico de enfermedades de los cultivos, las tres familias de lipopéptidos de Baccillus, Surfactina, Iturrinas y Fengicinas han sido  estudiadas por sus potenciales actividades antagónicas contra varios fitopatógenos   [1].
Las surfactinas es la familia más estudiada de los lipopéptidos [2], tiene la habilidad de inducir resistencia sistémica en plantas y la propiedad para proliferar células bacterianas, facilitando así la colonización de la rizósfera [1]. Con esta característica, este lipopéptido en condiciones in   situ, expresa acción protectora y un biocontrol eficiente en arabidopsis  frente a Pseudomonas syringae, debido a la formación de un biofilm antimicrobiano que permite la colonización de las superficies de las raíces   para la secreción de un antibiótico, la surfactina [3].
La familia de   las iturrinas representada por la iturrina A, micosubtilinas y baciliomicinas,   muestran una fuerte actividad antifungosa [2]. La iturrina A purificada suprime   el crecimiento de varios tipos de hongos incluyendo Rhizoctonia solani   en ensayos con placas [5]. Aunque las surfactinas tienen una actividad antibiótica   relativamente débil, la actividad antibiótica de la iturrina A es   muy fuerte [6].
Las fengicinas   son un lipopéptido bioactivo producido por algunas cepas de Bacillus   subtilis, que demuestra actividad antifúngica contra los filamentos   de los hongos. Como la mayoría de péptidos naturales antimicrobianos,   las fengicinas probablemente actúan haciendo la membrana plasmática   de la célula objetivo más permeable [7].
Los lipopéptidos   son conocidos por actuar de manera sinérgica, algunos estudios sugieren   surfactinas con iturrinas [8], surfactinas con fegicinas [9] y fengicinas con   iturrinas [10].
 
MODO   DE ACCIÓN  
  • Colonización     de la rizósfera
Las raíces   de las plantas exudan un enorme rango de compuestos de bajo peso molecular potencialmente   valiosos dentro de la rizósfera. Algunas de las experiencias de interacciones   químicas, físicas y biológicas en plantas terrestres son aquellas   que ocurren entre las raíces y su ambiente circundante en el suelo [11].    
Bais [3] reporta   que parte del mecanismo de biocontrol de Bacillus subtilis 6051 se adhiere   a la superficie de las raíces de Arabidopsis. Después de cuatro días   en medios Murashige y Skooglas para crecimiento conjunto de Arabidopsis y Bacillus   subtilis 6051, utilizando microscopio de barrido láser, se observa   que las células de Bacillus subtilis 6051 han colonizado toda la   superficie de la raíz de Arabidopsis. En parte del mismo estudio, la Arabidopsis   cultivada en suelo estéril con Bacillus subtilis 6051 forma una   biopelícula estable y no patogénica (Fig. 1).
Fig 1. Resultados del porcentaje de mortalidad de las plantas de Arabidopsis antes los diferentes tratamientos.
  • Antagonismo      
Una vez establecido en la rizósfera, los aislados de Bacillus pueden desplegar todo su arsenal de antibióticos [1]. La Iturina A muestra una fuerte actividad antibiótica con un amplio espectro antifúngico, haciéndola un  agente ideal para el control biológico con el objetivo de reducir el uso de pesticidas en la agricultura. Este efecto se demuestra cuando en una suspensión   de esporas de P. crustosum, estas se hinchan y los lados crecen. Esto   es debido al desequilibrio osmótico causado por los antibióticos [12].  Igualmente Marrone informa que los lipopéptidos extraídos de Bacillus   subtilis UMAF6639, el cual produce iturina A, fegicina y surfactina inhiben   la germinación de las esporas. [13]
La producción de iturrina A es frecuentemente un factor muy importante con respecto a la actividad antimicótica. Ensayos de inhibición in vitro contra siete diferentes   patógenos de poscosecha en cítricos, aguacates y mangos, probaron el rango de la capacidad antagonista de iturina A de Bacillus amyloliquefaciens.   Todos los patógenos fueron afectados sin excepción, en comparación   con otros dos lipopéptidos, fengycinas y surfactinas que no tuvieron mayor   efecto en todos los patógenos [12].
La iturrina A   trastorna la membrana citoplasmática del hongo, creando canales a través   de la membrana, lo cual permite la liberación de iones vitales como el   K+ [14].
  • Inducción     a la resistencia
Las fengicinas   y las surfactinas pueden interactuar con las células de las plantas como   factor determinante para la activación de una respuesta inmunitaria a través   de la estimulación del fenómeno de inducción al sistema de resistencia   [1].
Junto con el antagonismo   directo, algunas bacterias benéficas pueden proteger las plantas indirectamente,   a través de la estimulación del mecanismo inducible, que hace al hospedero   más resistente al futuro ingreso de patógenos. Esa inducción,   de la capacidad defensiva mejorada puede ser sistémica, como se mostró   con los tratamientos de raíces con bacterias para provocar la protección   de la parte aérea y de raíces de las plantas. Este fenómeno es   conocido como «resistencia sistémica inducida» RSI [15].
Las fengicinas   muestran una fuerte actividad antifúngica y, por lo tanto, puede desempeñar   un doble rol para la reducción de las enfermedades de las plantas. Estos   compuestos pueden actuar mejorando la capacidad defensiva del hospedero, pero   también a través del antagonismo microbiano directo [15]. Las surfactinas   no son fungotóxicas, pero tienen fuertes propiedades hemolíticas,   antibacteriales, antivirales and antitumorales X. Mucha de su actividad biológica   puede estar relacionada a su efecto sobre la parte lipídica de las membranas.   De su estructura tipo detergente, estas moléculas pueden fácilmente   asociarse y anclarse firmemente dentro de las capas de lípidos, creando   algún disturbio o perforaciones en el plasma de la membrana que puede activar   un torrente de eventos moleculares derivando en respuestas defensivas. Las fengicinas   también pueden fácilmente interactuar con las capas de lípidos   e igualmente pueden alterar la estructura de las membranas y permeabilizarla   [15].
 
UTILIZACIÓN   DE BASILLUS SUBTILIS EN CULTIVOS DE IMPORTANCIA ECONÓMICA   
  • Arroz     
El arroz (Oryza  sativa) es uno de los cultivos más importantes en la alimentación,   el cual provee el 23 % de las calorías consumidas alrededor del mundo [16].   El consumo per capita de arroz en Ecuador es de 54 kilogramos. El tizón del arroz es la enfermedad más destructiva del cultivo, causada por Magnaporthe ryzae, cada año esta enfermedad causa pérdidas entre el 10 al 30 % del arroz cultivado [17].
La habilidad del tizón del arroz de mutar en nuevas razas, es la causa del limitado éxito   en el control a través de la inducción a la resistencia [18]. En un   ensayo donde se utilizaron hojas de arroz tratadas con y sin Bacillus subtilis   en presencia del patógeno fueron incubadas de 5 a 10 días, las hojas   tratadas no mostraron síntomas visibles del tizón permaneciendo verdes y saludables. Estas mostraron que desarrollaron protección en contra de  Magnaporthe ryzae. Las hojas que no fueron tratadas con Bacillus subtilis   y que fueron infestadas con el patógeno mostraron desarrollo de la enfermedad   [19].
Las dosis utilizadas   en el ensayo demuestran que es un factor determinante para el control del patógeno los tratamientos C, D, E presentan diferencias muy significativas, con respecto   de A y B. Por lo que se deduce que la utilización de Bacillus subtillis   controla de manera eficaz, según la dosis aplicada la proliferación   de Magnaporthe ryza (Fig. 2).
  • Solanáceas     
La papa (Solanum   tuberosum L.) es el tercer cultivo para alimentación más importante   del mundo después del trigo y el arroz (http:// www.fao.org/potato-2008/en/potato/pdf.html).   La producción de papas es amenazada por muchas enfermedades, incluido el   tizón temprano causado por Rhizoctonia solani que es una de las   mayores enfermedades de la papa alrededor del mundo 19. Los síntomas son   los siguientes [20]
  • Hojas:     manchas necróticas en las hojas de color marrón claro a oscuro con     anillos concéntricos, manchas restringidas por las nervaduras.
  • Tallos:     manchas necróticas.
  • Tubérculos:     manchas circulares o irregulares de color marrón oscuro, ligeramente     hundidas.
Aunque algunos   fungicidas químicos han probado su efectividad para el control de Rhizoctonia   solani estos son útiles en producción orgánica, por lo que   el uso de agentes biológicos parece ser una buena alternativa para proteger   los cultivos. Recientemente, bacterias y agentes fúngicos han sido descritos   para el control de Rhizoctonia solani. [21]. En este contexto, Bacillus   subtilis ha sido ampliamente estudiado como potencial agente biológico   contra varias enfermedades de cultivos, debido a su habilidad de producir ciertos   antibióticos, lipoproteínas y enzimas hidrolíticas [22].
La habilidad de    Bacillus subtilis V26 para el control de Rhizoctonia solani fue   confirmada por la determinación del radio de inhibición en contra   de este hongo, además se verifico mediante la observación con microscopio   óptico. El sobrenadante de cultivo de Bacillus subtilis V26 contiene   quitosanasa y proteasa, además de compuestos antifúngicos. [19]
La habilidad de   esta cepa para producir quitosanasa y proteasa sugiere que esta puede actuar   sobre el crecimiento de Rhizoctonia solani por antibiosis. De hecho,   la actividad de las quitosanasas hidrolisa el quitosan, el cual se encuentra   entre uno de los principales constituyentes de la pared celular del hongo. El   sobrenadante del cultivo Bacillus subtilis V26 provoca vacuolización   y deformación en las hifas de Rhizoctonia solani. . [19]
Rodajas de patatas   fueron tratadas con Bacillus subtilis V26 antes y después de inocular   el hongo, con el fin de revelar si V26 desarrolla actividades curativas o protectantes.   Aunque los dos tratamientos fueron efectivos en reducir la infección fúngica,   el control más efectivo fue alcanzado cuando V26 fue aplicado 24 horas   antes de la inoculación (actividad protectante). Esto podría ser debido   al hecho que las endosporas de Bacillus subtilles necesitan tiempo para   germinar antes de que estén listos para inhibir la germinación de   Rhizoctonia solani.
Las cepas de Bacillus   mejoran significativamente el crecimiento de las plantas, inhibiendo los patógenos   del suelo cuando se usa un tratamiento de suelo. Análisis estadísticos   en la pudrición negra y llagas de las raíces causadas por Rhizoctonia   solani indicaron que hay diferencias significativas entre los tratamientos.   La cepa V26 fue capaz de controlar la pudrición negra (81 % eficacia),   así como las llagas de las raíces (63 % eficacia) más eficiente   que el fungicida comercial Prevam (Decahidrato Tetraborohidrato de sodio). Curiosamente,   la cepa V26 parece ser más efectiva en la supresión de la pudrición   negra que muchos otros hongos y bacterias antagonistas (Fig. 3).   [6]
La incidencia   de la enfermedad en raíces de todas las plantas tratadas fue significativamente   menor que las plantas que no recibieron tratamiento y que fueron usadas como   control
  • Banano     
El cultivo del   banano es el cuarto más importante después del arroz, trigo y maíz,   es cultivado en regiones tropicales de más de 100 países y juega un   rol clave en las economías de muchos países en desarrollo [23].
Entre las enfermedades   que reduce la producción de banano está la Sigatoka negra causada   por el hongo Mycosphaerella fijiensis siendo esta la más peligrosa.   El hongo ataca las hojas, disminuyendo el área fotosintética de la   planta y causa la maduración prematura de la fruta resultado en significantes   pérdidas [24]. Actualmente el control de esta enfermedad mayormente se   basa en recurrentes aplicaciones de fungicidas protectantes y sistémicos,   los cuales son aplicados vía aérea todo el año en plantaciones   que producen banano de exportación [25].
Gutierrez-Monsalve   [25], utilizando un fungicida microbiano a base de Bacillus subtilis   EA-CB0015 demuestra mediante experimentos de campo y en invernadero la efectividad   de Bacillus subtilis EA-CB0015 y sus metabolitos para el control de Mycosphaerella   fijiensis. El fungicida fue aplicado como una suspensión en agua a   una dosis de 1,5 L/ha, la cual fue capaz de reducir la severidad de la enfermedad   en el mismo rango de fungicidas como chlorothalonil y mancozeb, fungicidas protectantes   comúnmente usados en los programas de control de Sigatoka negra. Además,   el fungicida microbiano a 1,5 L/ha mostró ser efectivo cuando se aplica   en combinación con fungicidas sistémicos como parte de un programa   de control comparable a un programa con fungicidas comercialmente usados para   el control de la enfermedad.
Los resultados   mostraron que se podría introducir un conjunto de herramientas para el   control de Sigatoka negra en el cultivo de banano, ya sea como una suspensión   en agua o en combinación con fungicidas sistémicos, reduciendo la   carga de fungicidas en las regiones productoras y el riesgo del desarrollo de   resistencia del patógeno a los fungicidas (Fig. 4).
 
CONCLUSIONES   
Es necesario implementar   en el país planes de investigación que permitan profundizar aún   más en campo del biocontrol de enfermedades, con la perspectiva de encontrar   soluciones viables y conjuntos a los modelos que cada día se van implementando   y que se direccionan en métodos que no pongan en riesgo al productor o   al medio ambiente.
Los lipopéptidos   de Bacillus subtilis se enmarcan en agentes biológicos de gran potencialidad,   en donde es necesario detallar sus roles, principalmente en las sinergias que   podrían desarrollar, no solo entre ellos, sino con otros microorganismos   de la rizósfera. Al disponer de buena cantidad de evidencia con respecto   de las surfactinas, es necesario entender y ampliar los conocimientos con respecto   de las iturrinas y las fengycinas.
Una de los grandes   retos para los investigadores gira en torno a desarrollar alternativas prácticas   para la obtención a gran escala de los lipopéptidos, así como   la mejor formulación para las aplicaciones en los cultivos, si bien la   evidencia muestra gran efectividad a nivel de laboratorio, es necesario encontrar   la mejor forma para que puedan ser aplicadas a campo abierto. En esta revisión,   existe suficiente evidencia de la efectividad de los lipopeptidos como controladores   de las enfermedades más devastadoras en los cultivos de mayor importancia,   pero es necesario determinar formulaciones que faciliten su obtención y   aplicación.
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Recibido: 3 de   junio de 2016.
Aprobado: 10 de julio de 2016.
Franklin Eduardo Sánchez Pila
Universidad de Investigación de Tecnología Experimental Yachay. Ecuador.

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