Artículo original

  

0000300003

Estudio de la asociación Gluconacetobacter diazotrophicus-viandas tropicales. Efecto sobre el rendimiento en condiciones de extensión


RESUMEN

Con el objetivo de evaluar el efecto de la aplicación de G. diazotrophicus en el rendimiento de viandas tropicales, en condiciones de extensión, se inoculó la cepa INIFAT Abn-1 del microorganismo en boniato, yuca y malanga, durante dos campañas de producción. Al finalizar el ciclo de los cultivos en las plantas de boniato inoculadas se incrementaron los indicadores de crecimiento entre 30 y 60 %, con un rendimiento de 13 t ha-1 más en las parcelas aplicadas en relación a los controles. En el caso de la yuca los indicadores del crecimiento aumentaron con la aplicación del microorganismo entre 36-48 % y el rendimiento en un 40 %, con la obtención de 17 t ha-1 más en las parcelas aplicadas; mientras que para la malanga, los indicadores del crecimiento aumentaron entre 58 y 94 % en las parcelas inoculadas y el rendimiento se incrementó un 40 y 58 % en cada campaña, respectivamente. La concentración de G. diazotrophicus en las hojas de los tres cultivos osciló entre 103 y 107 UFC por gramo de tejido fresco y fue entre dos y cuatro órdenes menor en las plantas controles que en las inoculadas. El trabajo demostró el efecto estimulador del crecimiento de G. diazotrophicus en boniato, yuca y malanga en condiciones de producción, la necesidad de inocular el microorganismo para incrementar su población autóctona en estos cultivos, así como las posibilidades de uso de la bacteria endófita en el manejo agronómico de estas especies vegetales.

Palabras clave: 

boniato; biofertilización; malanga; yuca.

 


INTRODUCCIÓN

En la biorevolución actual, se presta cada vez más atención a la biología del suelo y a la biofertilización de plantas, vinculado a diferentes esquemas de manejo de la nutrición 1,2. En este sentido, se ha avanzado mucho en el diseño de biopreparados para diversos cultivos, con énfasis en las relaciones benéficas asociativas o simbióticas 3,4. Los microrganismos endófitos también se utilizan para la obtención de bioproductos de uso agrícola, aunque la mayor parte de las investigaciones sobre la relación planta-endófitos se centran en la taxonomía polifásica e ingeniería genética, ecología y estudios de transformación genética e identificación de genes, en cuanto a la capacidad de fijación biológica del nitrógeno atmosférico 5,6.

Un ejemplo de bacteria endófita es G. diazotrophicus, quien ha demostrado su potencial como promotor del crecimiento vegetal, asociado fundamentalmente a gramíneas 7,8. Para el caso de Cuba, diferentes investigaciones realizadas con viandas tropicales, frutales y hortalizas, demuestran la estrecha interacción que establecen estos cultivos con la bacteria 9,10, aunque la mayor parte de estos estudios se realizaron en condiciones controladas o de pequeñas parcelas.

Para conocer el potencial de la especie endófita G. diazotrophicus como estimulador del crecimiento en viandas tropicales se extendió el estudio en la presente investigación con el objetivo de evaluar el efecto de la aplicación de la bacteria en el rendimiento del boniato (Ipomoea batatas, L.), la yuca (Manihot esculenta Crantz) y la malanga (Xanthosomas spp.), en producción, bajo las condiciones edafoclimáticas de Cuba.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los ensayos para determinar el efecto de la inoculación de la bacteria G. diazotrophicus, sobre indicadores del crecimiento y el rendimiento agrícola de los cultivos de yuca (Manihot esculenta Crantz), boniato (Ipomoea batatas L.) y malanga (Xanthosomas spp.) se realizaron en áreas agrícolas del Instituto de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical “Alejandro de Humboldt”, INIFAT, en Santiago de Las Vegas. Se utilizó un suelo Ferralítico Rojo Lixiviado Compactado, Gléyico y Nodular Ferruginoso 11, con pH neutro, contenido medio de materia orgánica, con predominio de calcio y contenidos medios de fósforo y potasio (Tabla 1).

Tabla 1. 

Características químicas del suelo utilizado en los ensayos

MO (%)pH (H2O)P2O5K2OCaMg
(mg100g- 1)cmolc kg - 1
3,127,247608,73,2

Métodos de análisis: pH (potenciometría); materia orgánica (Walkley y Black); P2O5 (Oniani, por extracción con H2SO4); K2O (por cálculo a partir del potasio intercambiable); Ca y Mg (espectrofotometría de absorción atómica)

Los ensayos para las tres especies vegetales se realizaron en dos campañas de producción, la primera entre los años 2009-2010 y la segunda, entre los años 2010 y 2011. En ambas se utilizaron los clones CENSA 78-354 de boniato, CMC-40 de yuca y México 1, de malanga. En todos los ensayos se empleó un diseño experimental en Bloques al Azar con un tamaño de parcela de 50 m2. Se incluyeron dos tratamientos: inoculado y control (sin inoculación), con cuatro réplicas en cada caso, en cada uno de los dos ensayos que se realizaron por especie vegetal.

Para la aplicación de G. diazotrophicus se multiplicó la cepa INIFAT Abn-1 9, conservada en el INIFAT, en un proceso de fermentación sumergida en agitación orbital, en el medio de cultivo SG 12, a 32 °C de temperatura y 180 rpm de agitación, durante 72 horas. Bajo estas condiciones el microorganismo alcanzó una concentración entre 3,0-3,3 x 1011 UFC mL-1. La inoculación de la bacteria se realizó siempre en horas avanzadas de la tarde con ayuda de una mochila fitosanitaria, por aspersión foliar y al suelo al paso de un hombre. Se utilizó el producto final de la fermentación de la cepa, diluido en agua común, a una dosis equivalente a 2 L ha-1, según criterios establecidos previamente para la especie bacteriana 9.

Una vez finalizado el ciclo de los cultivos se evaluaron los siguientes indicadores: altura de la planta (cm), diámetro del tallo (cm) y diámetro del tubérculo (cm), para el boniato; altura de la planta (cm), número de ramas primarias, diámetro del tallo (cm) y diámetro de la raíz (cm), para la yuca y diámetro y largo del tubérculo (cm), para la malanga. Para los tres cultivos se cuantificó, además, el rendimiento en t ha-1. Para medir la altura de la planta se utilizó una vara de madera graduada en cm y para el diámetro, tanto del tallo como de las raíces y tubérculos, un pie de Rey (0,05 mm de error).

La concentración de G. diazotrophicus en las hojas de boniato, yuca y malanga, se determinó como UFC g tejido fresco-1. Para ello se utilizaron, al finalizar el ciclo del cultivo, cinco plantas por cada una de las especies vegetales en estudio. Se tomó 1 g de tejido vegetal fresco, el que se procesó por el método de diluciones seriadas 13 con la posterior siembra en placas Petri con el medio de cultivo LGI. Las placas se incubaron entre 28-30 °C de temperatura durante cinco días. Se consideraron solamente las colonias con coloración amarillo intenso-naranja.

Los datos experimentales se evaluaron estadísticamente mediante la prueba de Newman Keuls al 5 % de significación, utilizando análisis de varianza para datos paramétricos, previa comprobación de la normalidad de las variables. El procesamiento de toda la información se realizó mediante al programa Statgraphics 6.0.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La aplicación de G. diazotrophicus estimuló el crecimiento e incrementó el rendimiento del boniato en condiciones de producción, en las dos campañas de siembra. Las plantas inoculadas con la bacteria presentaron un aumento de entre 33-34 % en el largo de las plantas; entre 31-62 % para el número de hojas; entre 38-40 % en el diámetro del tallo y entre 34-45 % en el diámetro del tubérculo, con respecto a las plantas sin aplicación bacteriana. Por su parte, el rendimiento agrícola aumentó en 51 y 48 % para los años 2009 y 2010, respectivamente, equivalente a 13 t ha-1 de tubérculos adicionales (Tabla 2).

Tabla 2. 

Respuesta del cultivo del boniato clon CENSA 78-354 a la inoculación con G. diazotrophicus, cepa INIFAT Abn1. Campaña 2009 y Campaña 2010

VariantesAltura de la planta (cm) Diámetro tallo (cm) Diámetro del tubérculo (cm) Rendimiento (t ha-1)
20092010200920102009201020092010
Control21,35 b23,48 b3,59 b3,51 b5,10 b6,01 b27,81 b29,32 b
Inoculado27,59 a31,10 a4,83 a4,90 a7,46 a8,16 a41,75 a43,96 a
Esx0,340,100,210,300,110,170,720,60

Medias con letras no comunes difieren significativamente entre si por prueba de Anova y Test de Newman Keuls con p<5 %

Trabajos realizados en Brasil con la interacción G. diazotrophicus-Ipomoea batatas Lam, aunque en extensiones menores, coinciden en el efecto positivo que ocasiona la bacteria sobre esta especie vegetal 10.

Un aspecto a destacar es el aumento en el número de hojas en las plantas inoculadas con el microorganismo, con respecto a las plantas testigo, con un promedio entre 5-7 hojas más por planta en el momento de la cosecha. Este incremento se explica por la producción de sustancias fisiológicamente activas, fundamentalmente ácido indol acético y citoquininas, que puede liberar G. diazotrophicus5, sustancias que estimulan la división celular y el alargamiento de células y tejidos, efecto que se traduce en el mayor desarrollo de los órganos 14. El que una planta posea más de dos hojas activas, le confiere ventajas, desde el punto de vista de producción de sustancias de reserva y otras biomoléculas, a través de los procesos fotosintéticos, los cuales se ven favorecidos a expensas de una mayor superficie fotosintéticamente activa y de translocación de nutrientes. En otros estudios se ha informado el aumento de la superficie foliar de plantas gramíneas inoculadas con G. diazotrophicus15, lo que sugiere que la bacteria, en interacción con diferentes cultivos induce modificaciones fisiológicas que derivan en el incremento en indicadores del crecimiento y, finalmente, del rendimiento de las especies vegetales, de ahí que constituya un microorganismo promisorio para utilizar como principio activo de bioproductos de uso agrícola.

Las hojas de las plantas de boniato inoculadas con G. diazotrophicus mostraron en ambas campañas un incremento en dos órdenes de la concentración de la bacteria endófita, con respecto a las plantas no inoculadas. En la primera campaña (2009), la concentración del microorganismo promedió 5,1x105 UFC gramo de tejido fresco-1, en las plantas testigo y 2,4x107 UFC gramo de tejido fresco-1, en las plantas inoculadas; mientras que en el segundo ensayo (campaña 2010), la concentración del microorganismo fue de 4,3x105 UFC gramo de tejido fresco-1, en las hojas de las plantas testigos y de 3,5x107 UFC gramo de tejido fresco-1, en las plantas inoculadas.

La presencia de G. diazotrophicus en las plantas testigo demuestra que el boniato es un hospedero natural de la bacteria, aspecto discutido previamente por otros autores 16. Sin embargo, el aumento en el valor de este indicador en las hojas de las plantas inoculadas indica que el microorganismo coloniza la especie vegetal una vez que se inocula en la misma, aspecto importante para su uso en la práctica como estimulador del crecimiento vegetal, como parte del manejo agronómico de especies vegetales como el propio boniato.

Para el cultivo de la yuca también se obtuvieron resultados positivos con la aplicación de G. diazotrophicus. En este caso, la altura de la planta se incrementó entre 22-31 %, el número de ramas primarias en un 96 %, el diámetro del tallo entre 50 y 87 % y el diámetro promedio de las raíces cosechadas por planta en un 50 % en las plantas inoculadas, en relación con las plantaciones controles sin tratar. En estas pruebas el rendimiento por cantidad de superficie evaluada aumentó en 40 % con la aplicación del microorganismo, con la obtención de 17 t ha-1 adicionales en comparación con las áreas controles (Tabla 3).

Tabla 3. 

Respuesta del cultivo de la yuca clon CMC-40 a la inoculación con G. diazotrophicus, cepa INIFAT Abn1

VariantesAltura planta (cm)No de ramas primariasDiámetro tallo (cm)Diámetro raíz (cm)Rendimiento (t ha-1)
2009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-2011
Control2,10 b2,35 b2,65 b2,70 b2,71 b2,81 b3,84 b4,06 b31,19 b42,71 b
Inoculado2,76 a2,80 a5,15 a5,35 a5,10 a6,05 a5,85 a7,15 a52,64 a59,47 a
Esx0,120,200,900,830,190,180,120,211,060,87

Medias con letras no comunes difieren significativamente entre si por prueba de Anova y Test de Newman Keuls con p<5 %

La estimulación en el número de ramas y el diámetro del tallo, producto de la aplicación de los microorganismos, favorece la translocación de nutrientes y agua para la formación de raíces en las plantas. Este efecto producido por las bacterias promotoras del crecimiento vegetal, está muy relacionado con el potencial de síntesis de sustancias activas, de las cuales, particularmente para G. diazotrophicus, existen referencias de la liberación de auxinas, giberelinas y citoquininas 5. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que a partir de nuevos estudios fisiológicos-bioquímicos se identifiquen nuevos compuestos o cepas que produzcan altas cantidades de las fitohormonas anteriormente mencionadas y que, debido a ello, induzcan un mayor efecto estimulador en los indicadores del crecimiento y el rendimiento de los cultivos. El aumento sobre la productividad de las plantas que se alcanzó en el presente estudio, fue superior al que se obtuvo para la yuca en investigaciones previas realizadas en las condiciones de Cuba, pero en pequeñas parcelas 9 y demuestra el potencial que tiene la bacteria endófita para ser utilizada como estimulador del crecimiento en esta especie vegetal, en diferentes modalidades de producción.

La concentración de G. diazotrophicus en las hojas de las plantas de yuca fue tres órdenes mayor cuando se aplicó el microorganismo. En la primera campaña (2009-2010) se obtuvo un valor de 4,2x104 UFC gramo de tejido fresco-1 en hojas provenientes de plantas controles y de 3,1x107 UFC gramo de tejido fresco-1, en hojas muestreadas a partir de plantas biofertilizadas; mientras que en el segundo ensayo (campaña 2010-2011), la concentración de la bacteria en las hojas de las plantas controles fue de 2,1x104 UFC gramo de tejido fresco-1 y en las hojas de las plantas inoculadas de 5,3x107 UFC gramo de tejido fresco-1. La presencia de 1000 veces más UFC en las plantas inoculadas, indica que la bacteria endófita coloniza la especie vegetal después de su aplicación en este cultivo, lo que conduce a la obtención de un efecto estimulador del crecimiento y del rendimiento. Se puede deducir, además, que la yuca es más sensible a la colonización de G. diazotrophicus que el boniato, teniendo en cuenta que en el primer caso se obtuvo una menor concentración de la bacteria.

La aplicación de G. diazotrophicus en plantas de malanga también provocó un efecto positivo sobre el desarrollo y el rendimiento de la especie vegetal. En este cultivo, el rendimiento agrícola se incrementó entre 40 y 58 % en cada campaña, respectivamente, con la obtención de un promedio de 13 t ha-1 adicionales después de la aplicación de la bacteria endófita. El largo y el diámetro de los tubérculos aumentó en 94 y 58 %, respectivamente, en la primera campaña; mientras que en la segunda se incrementó en más del doble y 48 %, con relación a los tubérculos provenientes de plantas controles sin tratar (Tabla 4).

Tabla 4. 

Respuesta del cultivo de la malanga clon México 1, a la inoculación con G. diazotrophicus, cepa INIFAT Abn1

VarianteDiámetro del tubérculo (cm)Largo del tubérculo (cm)Rendimiento (t ha-1)
2009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-2011
Testigo3,89 b3,66 b6,75 b6,40 b28,95 b25,06 b
Inoculado6,15 a5,47 a13,10 a12,90 a40,70 a39,84 a
Esx0,960,400,6170,311,040,82

Medias con letras no comunes difieren significativamente entre si por prueba de Anova y Test de Newman Keuls con p<5 %

Se debe destacar que en el caso del presente estudio, los valores de rendimiento obtenidos son superiores a los alcanzados en ensayos realizados con la especie vegetal y G. diazotrophicus en pequeñas parcelas 9, aspecto que demuestra las perspectivas de uso del microorganismo, como parte del manejo agronómico de la malanga.

La inoculación con G. diazotrophicus, puede contribuir de forma significativa a las ganancias de nitrógeno en las plantas, por su condición de fijador de dinitrógeno 5. Como ventaja de esta asociación planta-bacteria, se destaca el efecto continuado del microorganismo durante todo el desarrollo del cultivo, que, a diferencia de los fertilizantes químicos, permite se incremente la disponibilidad del nutriente (nitrógeno) para la planta, según sus necesidades y en dependencia de su estadio fisiológico. Sin embargo, teniendo en cuenta los pocos estudios realizados sobre la interacción de G. diazotrophicus y viandas tropicales, sería conveniente demostrar el porcentaje de nitrógeno que el microrganismo pone a disposición de la planta.

La concentración de G. diazotrophicus en hojas jóvenes de malanga se incrementaron en cuatro órdenes (10 000) en las plantas inoculadas con respecto a las plantas testigos. En la primera campaña (2009-2010), los valores alcanzados para este indicador fueron de 4,1x103 UFC por gramo de tejido fresco-1 en plantas controles y de 2,4x107 UFC por gramo de tejido fresco-1 para las plantas que se inocularon de forma artificial con la cepa INIFAT Abn1 de Gluconacetobacter diazotrophicus. En la segunda campaña (2010-2011) se obtuvo un comportamiento similar. Así, las plantas controles promediaron un valor poblacional de 5,2x103 UFC gramo de tejido fresco-1, mientras que las inoculadas mostraron una población del endófito de 3,1x107 UFC g de tejido fresco-1.

A partir del incremento de la concentración de la bacteria en las plantas inoculadas se puede deducir, al igual que en la yuca y en el boniato, que es necesario aumentar el número de células del microorganismo en el interior de las plantas a través de la inoculación, ya que las poblaciones naturales de la bacteria no permiten que se manifieste el efecto estimulador del crecimiento de G. diazotrophicus sobre estos cultivos, tal y como se aprecia en las diferencias discutidas en los indicadores del crecimiento entre las plantas testigo e inoculadas. Sin embargo, a diferencia de otras viandas, en malanga, se puede sugerir la inoculación de vitroplantas en los CRAS (Centro Reproductor de Semilla Agámica), de forma tal que la plántula, una vez liberada por esta unidad, presente una concentración de G. diazotrophicus adecuada para su posterior establecimiento y desarrollo en campo. En este sentido, se han realizado inoculaciones con diferentes especies promotoras del crecimiento, incluida G. diazotrophicus, en yuca durante la fase de aclimatación con resultados positivos 17, pero es un tema de investigación que se deberá abordar en otros trabajos investigativos.

El estudio demostró el efecto beneficioso en el crecimiento y el rendimiento del boniato, la yuca y la malanga que se alcanza mediante la aplicación del endófito G. diazotrophicus.

CONCLUSIONES

La aplicación de la cepa INIFAT Abn-1 de Gluconacetobacter diazotrophicus permite mejorar el crecimiento, el desarrollo y el rendimiento de los cultivos de boniato, yuca y malanga, en condiciones de producción.

RECOMENDACIONES

  • Implementar el uso de G. diazotrophicus dentro de las prácticas agronómicas para el manejo agrícola de los cultivos de boniato, yuca y malanga.

  • Demostrar el posible potencial como nitrofijador de Gluconacetobacter diazotrophicus, en interacción con boniato, yuca y malanga, mediante técnicas isotópicas.

 

BIBLIOGRAFÍA

1. Moreno Reséndez A, Carda Mendoza V, Reyes Carrillo JL, Vásquez Arroyo J, Cano Ríos P. Rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal: una alternativa de biofertilización para la agricultura sustentable. Revista Colombiana de Biotecnología. 2018;20(1):68-83.

2. Gouda S, Kerry RG, Das G, Paramithiotis S, Shin H-S, Patra JK. Revitalization of plant growth promoting rhizobacteria for sustainable development in agriculture. Microbiological research. 2018;206:131-140.

3. Odoh CK. Plant growth promoting rhizobacteria (PGPR): A bioprotectant bioinoculant for sustainable agrobiology. A review. Int J Adv Res Biol Sci. 2017;4(5):123-142.

4. Lambert T, Santiesteban R, Ceiro WG, Fernández ME, López G de las M, Corrales WC. Effect of bioproducts in the production of Phaseolus vulgaris L. and Arachis hipogea L. Revista de Ciencias Agrícolas. 2019;36(1):59-66.

5. Eskin N, Vessey K, Tian L. Research progress and perspectives of nitrogen fixing bacterium, Gluconacetobacter diazotrophicus, in monocot plants. International journal of agronomy. 2014;2014:13.

6. Dent D, Cocking E. Establishing symbiotic nitrogen fixation in cereals and other non-legume crops: The Greener Nitrogen Revolution. Agriculture & Food Security. 2017;6(1):1-9.

7. Da Silva SF, Olivares FL, Canellas LP. The biostimulant manufactured using diazotrophic endophytic bacteria and humates is effective to increase sugarcane yield. Chemical and Biological Technologies in Agriculture. 2017;4(1):1-6.

8. Lovaisa NC, Guevara EE, Delaporte Quintana PAG, Elías J, Arroyo J, Salazar SM. Efecto de la inoculación con bacterias promotoras del crecimiento vegetal en plantas de maíz (Zea mays L.). Revista de Agronomía Noroeste Argentina. 2018;38(1):33-8.

9. Álvarez BD, Rocafull YR, García MO. Estudio de la asociación Gluconacetobacter diazotrophicus-viandas tropicales establecidas sobre suelo Ferralítico Rojo. II. Determinación del método de inoculación más eficinete para la incorporación de G. diazotrophicus en los cultivos de boniato, yuca y malanga. Cultivos Tropicales. 2011;32(4):20-26.

10. Ríos Rocafull Y, Dibut Álvarez B, Rojas Badía M, Ortega García M, Arozarena Daza N, Rodríguez Sánchez J. Interacción de la bacteria Gluconacetobacter diazotrophicus y hortalizas de raíz. Cultivos tropicales. 2016;37:28-32.

11. Jiménez AH, Jiménez JMP, Infante DB. Clasificación de los suelos de Cuba. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas: Mayabeque, Cuba; 2015. 92 p.

12. Döbereiner J, Reis VM, Paula MA, Olivares F de. Endophytic diazotrophs in sugar cane, cereals and tuber plants. In: New horizons in nitrogen fixation. Springer; 1993. p. 671-676.

13. Madigan M, Bender K, Buckley D, Sattley W, Stahl D. Brock Biology of Microorganisms [Internet]. Fifteenth Edition. Global Edition. 2019 [cited 27/04/2021]. 1058 p. Available from: https://www.amazon.com/-/es/Michael-Madigan/dp/0134261925

14. Olanrewaju OS, Glick BR, Babalola OO. Mechanisms of action of plant growth promoting bacteria. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2017;33(11):1-16.

15. Marquez-Benavidez L, Morales PG, Balderas-León I, Villegas Moreno J, Sánchez-Yáñez JM. Inoculation of Hordeum vulgare var. Armida (barley) with Burkholderia cepacia. and Gluconacetobacer diazotrophicus. Investigación Agraria. 2016;18(2):87-94.

16. Dent D. Non-nodular endophytic bacterial symbiosis and the nitrogen fixation of Gluconacetobacter diazotrophicus. Symbiosis. 2018;4:53-81.

17. Lopes EAP, Brayner FA, Alves LC, Antunes JEL, Oliveira JP. Acclimatization of Manihot esculenta Crantz Seedlings Inoculated in vitro with Plant Growth-Promoting Bacteria. Adv Plants Agric Res. 2017;7(5):377-386.

 

 

 

 


Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia Creative Commons

 

Original article

 

Study of the association Gluconacetobacter diazotrophicus-tropical tubers and roots. Effect on performance under extension conditions


ABSTRACT

In order to evaluate the effect of G. diazotrophicus application on the yield of tropical tubers and roots, under extension conditions, the INIFAT Abn-1 strain of the microorganism was inoculated in sweet potato, cassava and taro, during two production campaigns. At the end of the crop cycle in the inoculated sweet potato plants, the growth indicators increased between 30 and 60 %, with a yield of 13 t ha-1 more in the plots applied in relation to controls. In the case of cassava, the growth indicators increased with the application of microorganism between 36-48 % and the yield by 40 %, with the obtaining of 17 t ha-1 more in applied plots; while for taro, the growth indicators increased between 58 and 94 % in the inoculated plots and the yield increased by 40 and 58 % in each campaign, respectively. The concentration of G. diazotrophicus in leaves of the three cultures ranged between 103 and 107 CFU per gram of fresh tissue and it was between two and four orders lower in the control plants than in the inoculated ones. The work demonstrated the growth stimulating effect of G. diazotrophicus in sweet potato, cassava and taro under production conditions, the need to inoculate the microorganism to increase its autochthonous population in these crops, as well as the possibilities of using the endophytic bacteria in the agronomic management of these plant species.

Key words: 

sweet potato; biofertilization; taro; cassava.


INTRODUCTION

In the current biorevolution, more and more attention is paid to soil biology and plant biofertilization, linked to different nutrition management schemes 1,2. In this sense, much progress has been made in the design of biopreparations for various crops, with an emphasis on beneficial associative or symbiotic relationships (3,4). Endophytic microorganisms are also used to obtain bioproducts for agricultural use, although most of the research on the plant-endophyte ratio focuses on polyphasic taxonomy and genetic engineering, ecology and studies of genetic transformation and gene identification, in regarding the biological fixation capacity of atmospheric nitrogen 5,6).

An example of endophytic bacteria is G. diazotrophicus, which has demonstrated its potential as a promoter of plant growth, mainly associated with grasses 7,8. In the case of Cuba, different investigations carried out with tropical tubers and roots, fruit trees and vegetables, demonstrate the close interaction that these crops establish with the bacteria 9,10, although most of these studies were carried out under controlled conditions or in small plots .

In order to know the potential of the endophytic species G. diazotrophicus as a growth stimulator, the study was extended in the present investigation with the aim of evaluating the bacteria application effect on of sweet potato (Ipomoea batatas, L.) yield, cassava (Manihot esculenta Crantz) and taro (Xanthosomas spp.), in production, under the edaphoclimatic conditions of Cuba.

MATERIALES AND METHODS

The trials to determine the inoculation effect of G. diazotrophicus bacterium, on indicators of the growth and agricultural yield of crops of cassava (Manihot esculenta Crantz), sweet potato (Ipomoea batatas L.) and taro (Xanthosomas spp.) were carried out in agricultural areas of "Alejandro de Humboldt" Institute for Fundamental Research in Tropical Agriculture, INIFAT, in Santiago de Las Vegas. A Compacted leached red ferrallitic, Gleyic and Ferruginous Nodular soil 11 was used, with neutral pH, medium content of organic matter, with a predominance of calcium and medium contents of phosphorus and potassium (Table 1).

Table 1. 

Chemical characteristics of the soil used in trials

OM (%)pH (H2O)P2O5K2OCaMg
(mg100g- 1)cmolc kg - 1
3.127.247608.73.2

Analysis methods: pH (potentiometry); organic matter (Walkley and Black); P2O5 (Oniani, by extraction with H2SO4); K2O (by calculation from exchangeable potassium); Ca and Mg (atomic absorption spectrophotometry)

The trials for the three plant species were carried out in two production campaigns, the first during 2009-2010 and the second, between 2010 and 2011. In both, the clones CENSA 78-354 of sweet potato, CMC-40 were used cassava and Mexico 1, taro. An experimental design in Random Blocks with a plot size of 50 m2 was used in all trials. Two treatments were included: inoculated and control (without inoculation), with four replications in each case, in each of the two trials that were carried out by plant species.

For the application of G. diazotrophicus, the INIFAT Abn-1 9 strain, conserved in the INIFAT, was multiplied in a submerged fermentation process under orbital shaking, in the SG 12 culture medium, at 32 °C temperature and 180 rpm of stirring, for 72 hours. Under these conditions, the microorganism reached a concentration between 3.0-3.3 x 1011 CFU mL-1. Bacteria inoculation was always carried out in the late afternoon with the help of a phytosanitary backpack, by foliar spraying and on the ground a step of a man. The final product of strain fermentation was used, diluted in common water, at a dose equivalent to 2 L ha-1, according to previously established criteria for the bacterial species 9.

Once the crop cycle was finished, the following indicators were evaluated: plant height (cm), stem diameter (cm) and tuber diameter (cm), for the sweet potato. Plant height (cm), number of primary branches, stem diameter (cm) and root diameter (cm), for cassava and tuber diameter and length (cm), for taro. For the three crops, the yield in t ha-1 was also quantified. To measure plant height, a wooden rod graduated in cm was used and a vernier's foot (0.05 mm error) was used for the diameter, both of the stem and of roots and tubers.

The concentration of G. diazotrophicus in leaves of sweet potato, cassava and taro, was determined as CFU g fresh tissue-1. For this, at the end of the crop cycle, five plants were used for each of the plant species under study. 1 g of fresh plant tissue was taken, which was processed by the serial dilution method 13 with subsequent sowing in Petri dishes with the LGI culture medium. The plates were incubated at 28-30 °C for five days. Only colonies with intense yellow-orange coloration were considered.

The experimental data were statistically evaluated using the Newman Keuls test at 5 % significance, using analysis of variance for parametric data, after checking the normality of the variables. The processing of all the information was carried out using the Statgraphics 6.0 program.

RESULTS AND DISCUSSION

The application of G. diazotrophicus stimulated the growth and increased the yield of the sweet potato under production conditions, in the two sowing campaigns. Plants inoculated with bacteria showed an increase of between 33-34 % in plant length; between 31-62 % for the number of leaves; between 38-40 % in stem diameter and between 34-45 % in the tuber diameter, with respect to plants without bacterial application. For its part, agricultural yield increased by 51 and 48 % for the years 2009 and 2010, respectively, equivalent to 13 t ha-1 of additional tubers (Table 2).

Table 2. 

Response of the culture of the sweet potato clone CENSA 78-354 to inoculation with G. diazotrophicus, INIFAT Abn1 strain. Campaign 2009 and Campaign 2010

VariantsPlant height (cm)Stem diameter (cm) Tuber diameter (cm)Yield (t ha-1)
20092010200920102009201020092010
Control21.35 b23.48 b3.59 b3.51 b5.10 b6.01 b27.81 b29.32 b
Inoculated27.59 a31.10 a4.83 a4.90 a7.46 a8.16 a41.75 a43.96 a
Se x0.340.100.210.300.110.170.720.60

Means with unusual letters differ significantly from each other by Anova test and Newman Keuls test with p <5 %

Studies carried out in Brazil with the G. diazotrophicus-Ipomoea batatas Lam interaction, although in smaller extensions, coincide in the positive effect caused by bacteria on this plant species 10.

One aspect to be highlighted is the increase in number of leaves in plants inoculated with the microorganism, with respect to control plants, with an average of 5-7 more leaves per plant at harvest time. This increase is explained by the production of physiologically active substances, mainly indole acetic acid and cytokinins, which can release G. diazotrophicus5, substances that stimulate cell division and the elongation of cells and tissues, an effect that translates into greater organ development 14. The fact that a plant has more than two active leaves gives it advantages, from the point of view of reserve substance production and other biomolecules, through photosynthetic processes, which are favored at the expense of a larger photosynthetically active surface and nutrient translocation. In other studies, an increase in the leaf surface of grass plants inoculated with G. diazotrophicus15 has been reported, which suggests that the bacterium, in interaction with different crops, induces physiological modifications that lead to an increase in growth indicators and, finally, the performance of plant species. It constitutes a promising microorganism to be used as an active ingredient in bioproducts for agricultural use.

Leaves of the sweet potato plants inoculated with G. diazotrophicus showed in both campaigns an increase in two orders of endophytic bacteria concentration, with respect to non-inoculated plants. In the first campaign (2009), the concentration of the microorganism averaged 5.1x105 CFU gram of fresh tissue-1, in the control plants and 2.4x107 CFU gram of fresh tissue-1, in the inoculated plants. In the second trial (2010 campaign), the concentration of the microorganism was 4.3x105 CFU gram of fresh tissue-1, in the leaves of control plants and 3.5x107 CFU gram of fresh tissue-1, in inoculated plants.

The presence of G. diazotrophicus in control plants shows that sweet potato is a natural host for bacteria, an aspect previously discussed by other authors 16. However, the increase in the value of this indicator in leaves of the inoculated plants indicates that the microorganism colonizes plant species once it is inoculated into it, an important aspect for its use in practice as a plant growth stimulator, such as part of the agronomic management of plant species such as the sweet potato itself.

For cassava cultivation, positive results were also obtained with G. diazotrophicus application. In this case, the height of the plant increased between 22-31 %, the number of primary branches by 96 %, the diameter of the stem between 50 and 87 % and the average diameter of roots harvested per plant by 50 % in inoculated plants, in relation to the untreated control plantations. In these trials, the yield per amount of surface evaluated increased by 40 % with microorganism application, obtaining an additional 17 t ha-1 compared to control areas (Table 3).

Table 3. 

Response of the cassava clone CMC-40 culture to inoculation with G. diazotrophicus, INIFAT Abn1 strain

Variants Plant height (cm)No. of primary branchesStem diameter (cm)Root diameter (cm)Yield (t ha-1)
2009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-2011
Control2.10 b2.35 b2.65 b2.70 b2.71 b2.81 b3.84 b4.06 b31.19 b42.71 b
Inoculated2.76 a2.80 a5.15 a5.35 a5.10 a6.05 a5.85 a7.15 a52.64 a59.47 a
Se x0.120.200.900.830.190.180.120.211.060.87

Means with unusual letters differ significantly from each other by Anova test and Newman Keuls test with p <5 %

The stimulation in the number of branches and the stem diameter, of microorganism application product, enhances the translocation of nutrients and water for the formation of roots in plants. This effect produced by plant growth promoting bacteria is closely related to the potential for synthesis of active substances, of which, particularly for G. diazotrophicus, there are references to the release of auxins, gibberellins and cytokinins 5. However, the possibility that, from new physiological-biochemical studies, new compounds or strains that produce high amounts of the aforementioned phytohormones and that, due to this, induce a greater stimulatory effect on growth indicators, are not ruled out and crop yield. The increase in plant productivity that was achieved in the present study was higher than that obtained for cassava in previous investigations carried out in the conditions of Cuba, but in small plots 9 and demonstrates the potential of the endophyte bacterium to be used as a growth stimulator in this plant species, in different production modalities.

G. diazotrophicus concentration in leaves of cassava plants was three orders higher when the microorganism was applied. In the first campaign (2009-2010) a value of 4.2x104 CFU gram of fresh tissue-1 was obtained in leaves from control plants and 3.1x107 CFU gram of fresh tissue-1, in leaves sampled from plants biofertilized. In the second trial (2010-2011 campaign), the concentration of the bacteria in leaves of control plants was 2.1x104 CFU gram of fresh tissue-1 and 5.3x107 CFU in leaves of inoculated plants gram of fresh tissue-1. The presence of 1000 times more CFU in inoculated plants indicates that the endophytic bacteria colonize plant species after its application in this culture, which leads to obtaining a growth and yield stimulating effect. It can also be deduced that cassava is more sensitive to G. diazotrophicus colonization than sweet potato, taking into account that in the first case a lower concentration of bacteria was obtained.

G. diazotrophicus application in taro plants also had a positive effect on the development and performance of plant species. In this crop, the agricultural yield increased between 40 and 58 % in each campaign, respectively, obtaining an average of 13 additional t ha-1 after endophytic bacteria application. The length and diameter of tubers increased by 94 and 58 %, respectively, in the first season; while in the second it increased by more than double and 48 %, in relation to tubers from untreated control plants (Table 4).

Table 4. 

Response of taro clone México 1 culture, to inoculation with G. diazotrophicus, INIFAT Abn1 strain

VariantDiameter of tuber (cm)Tuber length (cm)Yield (t ha-1)
2009-20102010-20112009-20102010-20112009-20102010-2011
Control3.89 b3.66 b6.75 b6.40 b28.95 b25.06 b
Inoculated6.15 a5.47 a13.10 a12.90 a40.70 a39.84 a
Se x0.960.400.6170.311.040.82

Means with unusual letters differ significantly from each other by Anova test and Newman Keuls test with p <5 %

It should be noted that in the case of this study, the yield values obtained are higher than those achieved in trials carried out with the plant species and G. diazotrophicus in small plots 9, an aspect that demonstrates prospects for microorganism use, such as part of the agronomic management of taro.

Inoculation with G. diazotrophicus can contribute significantly to nitrogen gains in plants, due to its condition as a dinitrogen fixer 5. As an advantage of this plant-bacteria association, the continued effect of the microorganism during the entire development of the crop stands out, which, unlike chemical fertilizers, allows the availability of the nutrient (nitrogen) to be increased for the plant, according to its needs and depending on its physiological stage. However, due to the few studies carried out on G. diazotrophicus interaction and tropical root vegetables, it would be convenient to demonstrate the percentage of nitrogen that the microorganism makes available to the plant.

G. diazotrophicus concentration in young taro leaves increased by four orders (10 000) in inoculated plants with respect to control plants. In the first campaign (2009-2010), the values reached for this indicator were 4.1x103 CFU per gram of fresh tissue-1 in control plants and 2.4x107 CFU per gram of fresh tissue-1 for plants that were artificially inoculated with the INIFAT Abn1 strain of Gluconacetobacter diazotrophicus. In the second campaign (2010-2011) a similar behavior was obtained. Thus, control plants averaged a population value of 5.2x103 CFU gram of fresh tissue-1, while those inoculated showed an endophyte population of 3.1x107 CFU g of fresh tissue-1.

From the increase in bacteria concentration in inoculated plants, it can be deduced, as in the case of cassava and sweet potatoes, that it is necessary to increase the number of cells of the microorganism inside plants through inoculation. Natural populations of bacteria do not allow the growth stimulating G. diazotrophicus effect to be manifested on these cultures, as can be seen in differences discussed in growth indicators between the control and inoculated plants. However, unlike other tubers, in taro, the inoculation of vitroplants in Agamic Seed Reproduction Center (CRAS, according its acronyms in Spanish) can be suggested, in such a way that the seedling, once released by this unit, presents a G. diazotrophicus concentration suitable for its subsequent establishment and development in the field. In this sense, inoculations with different growth-promoting species, including G. diazotrophicus, have been carried out in cassava during the acclimatization phase with positive results 17, but it is a research topic that should be addressed in other research works.

The study demonstrated the beneficial effect on growth and yield of sweet potato, cassava and taro that is achieved by applying the endophyte G. diazotrophicus.

CONCLUSION

The application of INIFAT Abn-1 strain of Gluconacetobacter diazotrophicus allows improving the growth, development and yield of sweet potato, cassava and taro crops, under production conditions.

RECOMMENDATIONS

  • To implement the use of G. diazotrophicus within agronomic practices for the agricultural management of sweet potato, cassava and taro crops.

  • To demonstrate the possible potential as a nitrofixer of Gluconacetobacter diazotrophicus, in interaction with sweet potato, cassava and taro, using isotopic techniques.