Poblaciones bacterianas endófitas y del rizoplano de plantas del desierto degradadoras de roca y su efecto sobre el crecimiento del cardón

Abstract

Procesos biológicos, físicos y químicos contribuyen a la degradación de roca y formación de suelo, que a su vez se vuelve sustrato ó nutriente para el crecimiento de la planta. En los ambientes extremos, organismos pequeños y microorganismos, incluyendo líquenes, hongos, cianobacterias, bacterias, y microalgas, residen sobre la superficie de rocas y partículas de minerales, contribuyendo a la fragmentación de la roca. La degradación de rocas por microorganismos existe en todas las zonas climáticas, siendo un proceso muy lento, tanto en desiertos calientes como fríos. Se conoce poco sobre los mecanismos involucrados en este proceso, salvo que algunos microorganismos producen ácidos que han sido detectados en las rocas degradadas. La degradación mineral por la interacción de microorganismos benéficos y plantas acelera la remoción mineral, haciendo disponible los elementos inorgánicos para la nutrición de la planta. Como resultado de esta asociación planta-bacteria, algunas plantas del desierto, principalmente cactáceas, crecen sin suelo, estableciéndose sobre roca, en lugares poco accesibles, tales como precipicios, logrando sobrevivir en estas condiciones extremas. Esto pasa en una balanza de tiempo geológica más rápida, que por degradación de roca por procesos físicos (viento y lluvia). En este estudio mostramos la participación de bacterias endófitas del interior de las semillas de cardón cactus (Pachycereus pringlei) y de bacterias de rizoplano de cactáceas en la degradación de roca volcánica y sedimentaria en un desierto de temperaturas extremas, subtropical, de escasa precipitación pluvial. Estas bacterias endófitas son necesarias para las plantas pioneras establecidas sobre roca ígnea, ya que crean partículas finas de estas rocas, que pueden ser favorables para el consumo y utilización por la misma planta y por otras plantas. Estas especies de cactus, junto con otras plantas del desierto, son responsables de la degradación de roca volcánica en la zona de La Purísima-San Isidro y en la roca sedimentaria de Sierra de La Paz, ambos en Baja California Sur, México. Este estudio, a través de microscopía de luz, fluorescente, y electrónica de barrido, junto con métodos químicos, moleculares y microbiológicos reveló capas densas de bacterias y hongos en el rizoplano de tres especies de cactus (Pachycereus pringlei, Stenocereus thurberi, Opuntia cholla), un árbol de higo silvestre (Ficus palmeri) creciendo en rocas sin suelo. También reveló la presencia de población abundante de bacterias endófitas dentro de semillas de plantas silvestres del cardón cactus, así como en plántulas que crecieron de estas semillas, y en plantas pequeñas del cardón cactus. La presencia de bacterias en espacios intercelulares tanto en raíz como en semilla y en la región de transición entre la raíz y tallo de plántulas de cardón indica que son endófitas de esta planta. Los grupos bacterianos que colonizan el rizoplano de estas plantas pertenecieron en su mayoría a los géneros Pseudomonas y Bacilos. Ocho de estas especies bacterianas fueron identificados por el método molecular 16s rRNA. Hongos y actinomicetos no identificados fueron observados. Las endófitas aisladas del cardón cactus fueron varias especies del género Bacillus, Klebsiella spp., Pseudomonas putida y Staphylococcus spp. De las 26 cepas endófitas aisladas, solo 13 fueron identificadas por el método 16s rRNA.

Algunas de las bacterias endófitas y colonizadoras de rizoplano fijaron nitrógeno en experimentos in vitro, siendo las bacterias endófitas de semillas de cardón Klebsiella oxitoca spp, la especie que posee mayor capacidad de reducción de acetileno a etileno. Las bacterias endófitas y colonizadoras de rizoplano produjeron ácidos orgánicos volátiles y no-volátiles en medio que contenía roca pulverizada. Estos ácidos redujeron el pH del medio, disolviendo significativamente fosfatos insolubles, roca ígnea, mármol y piedra caliza. Las bacterias removieron cantidades significativas de minerales, tales como P, K, Mg, Mn, Fe, Cu, y Zinc de las rocas y redujeron el tamaño de partículas de roca a más pequeñas, creando así suelo. La mayoría fueron termo-tolerantes, halo-tolerantes a NaCl y posiblemente tolerantes a la desecación. La capacidad de las bacterias para sobrevivir en medio basal con roca volcánica por remoción de minerales, indica la participación directa en el aporte de nutrientes para las cactáceas que crecen sobre roca volcánica. Plantas del cardón cactus crecidas a partir de semillas desinfectadas e inoculadas con bacterias aisladas de rizoplano, y con endófitas aisladas de semilla de cardón fueron capaces de crecer durante un año en roca volcánica pulverizada, piedra pómez y basalto sin nitrógeno y fósforo, sin mostrar ningún tipo de estrés. Cactus no inoculados crecieron menos vigorosos en roca volcánica y algunos murieron. La cantidad de minerales removidos de la roca pulverizada, medidos después del cultivo de plantas inoculadas, fue significativa. Las plantas contienen posiblemente las mismas especies de endófitas en sus tejidos derivados de semillas. Esta asociación planta-bacteria de ambientes extremos podría servir como un factor en la aceleración de formación de suelo en desiertos. Debido a que estas bacterias son esenciales para el crecimiento de la planta, ya que sin ellas la planta crece menos vigorosa, ellas podrían ser consideradas como bacterias promotoras del crecimiento para cactáceas. La solubilización de fosfatos inorgánicos y rocas por actividad microbiana asociada a las raíces de cardón, higo y cholla, así como por bacterias endófitas de cardón ha sido demostrada en este trabajo. En conclusión, este estudio demostró que las bacterias colonizadoras de rizoplano de cactáceas y endófitas del cardón cactus son posiblemente uno de los factores involucrados en el proceso de degradación de roca volcánica en zonas de poca precipitación pluvial y temperaturas extremas como lo es el desierto subtropical. Esta asociación planta-bacteria acelera la formación de suelo significativamente en un ambiente, donde la degradación de roca por procesos químicos y físicos debidos a las condiciones climáticas tarda miles de años. Este es el primer reporte de bacterias endófitas en raíz, tallo y semilla de cardón.