Bioeffectors and bacterial elicitors as biotechnological tools in the agrifood industrya contribution to plant health and food safety

Resumen

La presente tesis doctoral se centra en el estudio del microbioma de la rizosfera y en las relaciones planta-microrganismos beneficiosos y su influencia sobre la fisiología de las plantas y sobre el metabolismo secundario defensivo y el sistema inmunitario vegetal en general. Este estudio parte de la consideración de la rizosfera como una fuente especialmente rica en microorganismos beneficiosos, que tienen un papel fundamental en mejorar la capacidad de adaptación de las plantas a ambientes cambiantes y que están adaptados al sistema planta-microorganismo gracias a la presión selectiva que han ejercido las plantas sobre el microbioma durante el largo proceso de coevolución. Además, el trabajo surge ante la actual necesidad de desarrollar nuevas prácticas agrícolas de base biotecnológica, efectivas y a la vez sostenibles que minimicen las pérdidas económicas y materiales debidas a las infecciones patogénicas que atacan a los cultivos y también causadas por condiciones de estrés abiótico. De esta manera se persigue aumentar el rendimiento de los cultivos, tanto en cantidad como en calidad de alimentos, para poder proveer a una población en continuo crecimiento y a la vez cumplir con el concepto de seguridad alimentaria propuesto por la FAO. Por todo lo anterior, el presente trabajo se centra en el uso de rizobacterias beneficiosas (PGPR) y de moléculas derivadas del metabolismo de las mismas (elicitores metabólicos) como inoculantes de plantas capaces de inducir el metabolismo secundario defensivo, dando lugar a plantas con un sistema inmunitario más fuerte y, por tanto, plantas mejor preparadas para combatir el estrés biótico y abiótico. Así, el objetivo último del trabajo es desarrollar inoculantes de plantas de origen biológico, con una capacidad bioestimulante efectiva y por ello, capaces de sustituir a los fitosanitarios químicos. La gran novedad que aporta este trabajo es el uso de moléculas elicitoras derivadas del metabolismo de determinadas rizobacterias. Es por esto, que la especie de rizobacteria beneficiosa seleccionada para estudiar su efecto y el de sus elicitores metabólicos sobre el metabolismo secundario de las plantas fue la cepa Pseudomonas fluorescens N 21.4, una cepa cuya capacidad de elicitación y de inducción de resistencia sistémica en distintas especies vegetales ya ha sido ampliamente demostrada por el grupo de investigación. Se comenzó probando la cepa viva como control positivo y distintas fracciones elicitoras de la misma en plántulas de Arabidopsis thaliana en condiciones controladas de laboratorio, estudiando su capacidad de inducción de resistencia sistémica, el nivel de estrés oxidativo de las plantas tratadas y las rutas de transducción de señal implicadas en la respuesta. Después se probó la cepa viva y sus elicitores metabólicos en condiciones reales de campo en cultivos comerciales de zarzamora (Rubus cv. Loch Ness), estudiándose el fitness general de las plantas a través de marcadores específicos, así como la acumulación de compuestos de interés en las hojas y en los frutos y los genes específicos implicados en la maduración de los frutos. Los resultados mostraron que en las plantas inoculadas con los tratamientos existía una relación causal entre la inducción de resistencia sistémica y una reducción del estrés oxidativo en A. thaliana y un mejor fitness general, menor estrés oxidativo y mayor acumulación de compuestos fenólicos beneficiosos en las hojas y frutos de zarzamora. Al demostrarse la capacidad de los elicitores metabólicos de la cepa P. fluorescens N 21.4 de inducir el metabolismo secundario defensivo, se procedió a la identificación química de las moléculas responsables de dicha capacidad, encontrándose siete compuestos muy prometedores dado su potencial capacidad antibiótica y antifúngica. Este estudio termina con la búsqueda de nuevas cepas PGPR (bioefectores) y de sus elicitores metabólicos y con el estudio de las vías de transducción de señal involucradas en la respuesta de las plantas elicitadas con las mismas. De un grupo inicial de ciento setenta y cinco rizobacterias, se seleccionaron dos por sus prometedoras capacidades para utilizarse como inoculantes de plantas en experimentos futuros.