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Inducción de señales en Rhizobium leguminosarum bv. viciae y su actividad biológica en arveja (Pisum sativum L.)


RESUMEN

La arveja es una planta versátil, utilizada de diferentes formas y para distintos propósitos, por su elevado valor nutritivo. Su interacción simbiótica con bacterias de la familia de los rizobios garantiza importantes cantidades de nitrógeno, a partir de la fijación biológica, lo que le permite crecer en ambientes carentes de este elemento. La importancia agronómica y ambiental de esta simbiosis ha exigido el perfeccionamiento de las tecnologías de producción y aplicación de inoculantes, por lo que este trabajo se propuso evaluar el efecto de la inducción de una cepa de Rhizobium leguminosarum bv. viciae en la generación de señales en el inoculante y su actividad biológica sobre plantas de arveja. Se utilizó como inductor la daidzeína a una concentración final de 5 µM. La fracción lipídica en los inóculos fue extraída con n-butanol y analizada por cromatografía líquida de alta resolución y cromatografía gaseosa acoplada a un espectrómetro de masas. La actividad biológica se evaluó en un experimento en condiciones controladas, dos experimentos en campo y un ensayo extensivo. Los resultados mostraron que en los inóculos inducidos con el flavonoide se detectó una cantidad y diversidad superior de moléculas relacionadas con la interacción simbiótica. De manera similar, los inóculos inducidos mostraron un efecto positivo superior en la nodulación (14,8 vs 8,7) y el rendimiento de plantas de arveja, con 468 y 125 kg ha-1 de semillas por encima del tratamiento inoculado sin inducir en los experimentos en parcelas y 746 kg ha-1 en el ensayo extensivo.

Palabras clave: 

fijación biológica; nodulación; comunicación; legumbres.

 


INTRODUCCIÓN

La arveja (Pisum sativum L.) es una leguminosa de grano, caracterizada por su alto valor nutricional y su uso en la nutrición humana y animal. Sus semillas contienen entre 18 y 20 % de materia seca, de las cuales, del 10 al 12 % son carbohidratos y entre cinco y ocho % son proteínas 1. Los granos de arveja pueden usarse para consumo inmediato o enlatados para almacenamiento a largo plazo 2. Este cultivo también se puede utilizar como forraje verde, heno, ensilaje o harina y como abono verde 3.

Como leguminosa, la arveja tiene otra característica importante, relacionada con la capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico en simbiosis con bacterias de la familia de los rizobios 4, específicamente con la especie R. leguminosarum bv. viciae5. Esta simbiosis proporciona cantidades significativas de N al suelo para los cultivos sucesores y se plantea que la inoculación con estas bacterias puede producir rendimientos similares a la aplicación de 200 kg de N ha-1 (2.

La aplicación de grandes cantidades de fertilizantes inorgánicos en sistemas de producción intensiva 6,7 representa una carga contaminante para el medio ambiente y altos costos que muchos países no pueden pagar. Lograr rendimientos similares o más altos con bajos insumos y productos orgánicos, significa un desafío para la agricultura sostenible. La fijación simbiótica de N constituye una alternativa prometedora al respecto (8,9) .

Las tecnologías de inoculación de diversos microorganismos beneficiosos en las semillas constituyen una práctica agronómica económica, recomendada en la agricultura. La inoculación exitosa dependerá de varios factores, incluida la capacidad de la cepa introducida para competir con la población nativa existente y lograr una mayor infección, nodulación y contribución de N 10.

La simbiosis que se establece entre las plantas leguminosas y los rizobios responde a un intenso intercambio de señales desde el comienzo de la interacción, lo que permite la comunicación entre ambos simbiontes: el macro y el microorganismo 11. Las semillas liberan diversos compuestos, incluidos los flavonoides, que causan la expresión de genes nod en las bacterias, lo que induce la síntesis de factores Nod, moléculas esenciales en el éxito de la interacción 12. Estos compuestos también se han relacionado con la quimioatracción que ejercen las leguminosas sobre los rizobios y con la expresión de otros genes en estas bacterias que regulan la síntesis de exopolisacáridos y del sistema de secreción de tipo III, relacionados con las respuestas defensivas en el huésped y la exportación de proteínas en la nodulación, respectivamente 13.

Los ácidos grasos de alto peso molecular son componentes estructurales de los lipoquitooligosacáridos asociados con la nodulación. Los factores Nod consisten en un esqueleto de tres a cinco moléculas de N-acetil-glucosamina, que en el grupo amino del extremo no reducido se acila con un ácido graso de 16-20 átomos de C de largo (C16-C20) 14.

El uso de inoculantes inducidos en la síntesis de estas señales que gobiernan la comunicación, ha permitido obtener no solo una mejor nodulación y rendimiento de las plantas 15, sino también tolerancia a las condiciones de estrés en el medio ambiente 16. Por esta razón, el presente trabajo tuvo como objetivo evaluar el efecto de la inducción de una cepa de Rhizobium leguminosarum bv. viciae en la generación de señales en el inoculante y su actividad biológica en plantas de arveja.

MATERIALES Y MÉTODOS

Cultivo bacteriano. Inducción con daidzeína

Se utilizó una cepa de Rhizobium leguminosarum bv. viciae, conocida por su simbiosis con la arveja. Se produjo un preinóculo en 50 mL de medio extracto de levadura manitol 17 a pH 6,8; para inocular 600 mL del mismo medio sin y con daidzeína (Sigma), la que se añadió a una concentración final de 5 µM Los inóculos se obtuvieron después de mantener los frascos a 150 rpm durante 48 h, en un agitador orbital a 28 ± 2 ºC de temperatura. Para cada caso, el procedimiento se repitió tres veces e incluyó tres muestras de cada tratamiento (sin inducir e inducido con daidzeína).

Extracción de la fracción lipídica

Teniendo en cuenta que la mayoría de las señales reconocidas por su actividad biológica en la interacción rizobios-leguminosas son lípidos, se realizó una extracción selectiva de estas moléculas del inóculo tratado con daidzeína (Inducido) o no (Control), utilizando 180 mL de n-butanol en cada muestra. Se colocaron en un agitador orbital a 150 rpm durante 15 min y se mantuvieron en reposo durante la noche en condiciones de oscuridad a una temperatura ambiente de 25±2 °C. Luego se extrajo la fase orgánica en cada muestra, se centrifugó a 12000 g, 10 °C, durante 10 minutos. Todas las muestras se concentraron por rotoevaporación a 50-80 °C hasta que se obtuvieron 2 mL de cada una, que se utilizaron para la detección de señales producidas por la bacteria.

Detección de señales. Caracterización estructural de componentes principales en la fracción lipídica

Análisis de cromatografía líquida de alta resolución, fase inversa

Para evaluar la presencia de factores de nodulación entre los metabolitos, se analizaron 10 µL de todos los extractos lipídicos por HPLC, utilizando una columna de fase inversa Waters Symmetry C-18 (46 x 250 mm) de 5 µ de tamaño de partículas, instalada en un Sistema HPLC Waters Alliance. La velocidad de flujo fue de 1 mL min-1 y como solventes se usaron agua (A) y acetonitrilo (B), con un gradiente: 0-10 min 18 % B, 10-30 min 60 % B, 30-35 min 95 % B, 35-45 min 18 % B. Se usó un detector espectrofotométrico UV-Waters a una longitud de onda de 214 nm.

Cromatografía de gases acoplada a un espectrómetro de masas

Los derivados volátiles de ácidos grasos se prepararon por sililación, utilizando BSTFA (N, O-Bis (trimetilsilil) trifluoroacetamida) como reactivo en combinación con trimetilclorosilano (TMCS) (Kit BSTFA + TMCS, Supelco). Para el análisis por GC-MS, se utilizó un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas Shimadzu GC-MS QP-2010; sistema equipado con autoinyector AOC-20i, inyector automático AOC-20s y un sistema de inserción directa controlado por el software "Solución GC-MS". Se utilizó una columna Optima 5 MS (30 m × 0,25 mm ID, 0.25 µm de espesor de película). Las condiciones de los análisis cromatográficos fueron: temperatura del inyector 310 °C, temperatura del horno 100 °C durante seis minutos. Posteriormente se aumentó a 320 °C a una velocidad de 20 °C min-1 y se mantuvo durante 5 minutos. El volumen de inyección fue de 1 µL y el flujo en la columna de 0,75 mL min-1, utilizando helio como gas de arrastre.

Efecto sobre la nodulación de plantas de arveja, en condiciones controladas

A partir de los biopreparados obtenidos, se inocularon dos mL por cada 500 g de semillas de la variedad Facon, que se sembraron en una mezcla de suelo/vermiculita estéril (1:1), sin aplicación de otros nutrientes. Las plantas se cultivaron en una cámara de crecimiento, con un fotoperíodo de 16/8 horas de luz/oscuridad a 28 °C y con un 60 % de humedad relativa, durante 35 días. El riego se realizó por capilaridad con agua desionizada, manteniendo el régimen de agua en aproximadamente el 90 % de la capacidad del campo. Se utilizaron nueve plantas por tratamiento para evaluar el número y la masa seca de nódulos (mg) por planta.

Efecto sobre el rendimiento de las plantas, en condiciones de campo

Este estudio se realizó en los campos experimentales de las localidades de Ferré (34º09´S, 61º09´W, altitud 93 m, suelo típico Mollisol negro, que corresponde a un suelo Feozem 18) y Pergamino (33 ° 53'S, 60 ° 34'W, altitud 56 m, suelo Argiudol típico, franco-limoso (Feozem árgico), provincia de Buenos Aires, Argentina), durante los meses julio-octubre de 2015. Dos de los ensayos se llevaron a cabo en parcelas (en ambas localidades) y uno extensivo en Ferré.

Los datos del análisis de suelo en Pergamino fueron: pH (1:2,5)= 5,6; N-NO3 (ppm)= 4; P Bray I (ppm)= 19,2; M. Org. (%)= 2,2; N total (%)= 0,111; Carbono (%)= 1,3. Las temperaturas (°C) entre julio-octubre: 16,4-20,1-20,4-25,0 y las precipitaciones (mm): 33,0-8,0-60,0-111,0.

Para la localidad de Ferré, los datos del análisis de suelo fueron: pH (1:2,5)= 5,6; N-NO3 (ppm)=13,7; P Bray I (ppm)= 23,6; M. Org. (%)= 2,7; N total (%)= 0,134; Carbono (%)=1,6. Las temperaturas entre julio-octubre: 16,3-21,0-20,7-24,8 °C y las precipitaciones: 3,0-4,0-68,0-105,0 mm, respectivamente.

Se inocularon semillas de la variedad Facon a una dosis de cuatro mL por 1000 g de semillas, con una densidad de siembra de 25 semillas m-1 y un sistema de siembra directa (sin laboreo) en Ferré y siembra convencional (laboreo previo del suelo) en Pergamino. Como cultivo antecesor en Ferré se cultivó soya, mientras que en Pergamino fue pastizales. En todos los experimentos se empleó como fertilización: 80 kg ha-1 de Mezcla (8-38-0-8 S). En el momento de la cosecha, se determinó el rendimiento (kg ha-1).

Diseño experimental y procesamiento estadístico

El experimento de la cámara de crecimiento se repitió tres veces. Se utilizó un diseño completamente aleatorizado y se comprobó la normalidad y la homogeneidad de la varianza en los datos, los cuales se analizaron de acuerdo con Tukey p<0,05.

En los experimentos de parcela se utilizó un análisis bifactorial, teniendo en cuenta los factores inoculantes y localidades, con tres y dos niveles, respectivamente. Para discriminar las diferencias entre las medias, los resultados se compararon utilizando el Test de Rangos Múltiples de Duncan p<0,05. Se utilizó el programa Statgraphics Plus, versión 5.1.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Detección de señales. Caracterización estructural de componentes principales en la fracción lipídica

El análisis de la composición de los extractos en n-butanol, correspondiente a tres réplicas biológicas independientes para cada tratamiento, realizado por HPLC y GC-MS se presenta en las Figuras 1 y 2, respectivamente.

Se observan diferencias entre los tratamientos inducidos y no inducidos en los picos obtenidos y el área (concentración), que fue superior cuando el biopreparado se indujo con daidzeína (Figura 1 A y B), cuya área total fue de 372 567 175, con respecto al tratamiento no inducido que fue de 5 322 255.

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Los datos representan el promedio de tres réplicas

Figura 1. 

Cromatogramas obtenidos por HPLC, tiempo de retención (tr) y área de los picos separados, al analizar las muestras del inoculante no inducido (A) y el inoculante inducido con daidzeína (B)

Cuando las muestras se analizaron por cromatografía de gases acoplada a un espectrómetro de masas (Figura 2), se identificaron varios picos, correspondientes a ácidos grasos de alto peso molecular como el ácido ecosenoico y esteárico y otras moléculas sintetizadas por el microorganismo.

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Los datos representan el promedio de tres réplicas

Figura 2. 

Área de los picos correspondientes a los cromatogramas obtenidos por GC-MS en el inoculante no inducido e inducido con daidzeína y que representan ácidos grasos y otras moléculas

Los resultados muestran un aumento en el área de estos picos con el tratamiento inducido. Esto significa que la daidzeína promueve no solo la producción de factores de nodulación en las bacterias, sino también otros componentes de naturaleza lipídica, como los ácidos grasos y otros compuestos.

En trabajos anteriores, otros autores también encontraron un aumento de estos ácidos grasos de alto peso molecular en los factores Nod producidos por cepas simbiontes de frijol y garbanzo, en presencia de inductores de los genes nod15,19. La función biológica de los factores de nodulación está bien documentada. Sin embargo, se desconoce una posible función del resto de los compuestos detectados en el proceso de nodulación. De hecho, se ha descrito que los ácidos grasos de alto peso molecular exhiben actividad antimicrobiana y juegan un papel en el crecimiento de Rhizobium y la adaptación al estrés 20. Estas estructuras de ácidos grasos también son componentes de las membranas celulares de las plantas y se ha demostrado su acumulación en las raíces de plantas de soya colonizadas por Bradyrhizobium japonicum21. Algunos ácidos grasos de alto peso molecular son precursores de la síntesis del ácido jasmónico, que resulta esencial en las respuestas de la planta al estrés biótico y abiótico 22.

Mediante los métodos utilizados para caracterizar los compuestos lipídicos y detectar la presencia de factores Nod en las muestras de inoculantes, estas estructuras se identificaron en mayor medida en el inoculante inducido con daidzeína.

Efecto sobre la nodulación en condiciones controladas

Las plantas no inoculadas no formaron nódulos, pero con respecto al efecto de los tratamientos inducidos y no inducidos sobre la nodulación, se observó un efecto superior del tratamiento inoculado con el inoculante inducido sobre el número de nódulos formados en las raíces principales y totales y también en su masa (Tabla 1).

Tabla 1. 

Número de nódulos y masa seca de nódulos (mg) en plantas control no inoculadas (Control) y plantas inoculadas con el biopreparado inducido o no inducido, 35 días después de la siembra

TratamientoNúmero nódulos Raíz Principal pl-1Masa seca nódulos Raíz Principal pl-1Número nódulos Total pl-1Masa seca nódulos Total pl-1
Inducido3,56 a7,67 a14,89 a19,56 a
No Inducido0,36 b0,73 b8,79 b13,21 b
Control0,0 b0,0 b0,0 c0,0 c
SEx0,350,891,241,02

Los datos representan el promedio de tres repeticiones

Letras similares indican que no hay diferencias entre los tratamientos, según Tukey p<0,05; n=9

Estos resultados indican que la presencia de una mayor cantidad y diversidad de señales en el inoculante inducido (Figuras 1 y 2), estimuló la formación de nódulos en las plantas. Se ha planteado que la percepción de señales, tales como los factores Nod, activan las vías biosintéticas requeridas para la nodulación 23 y que un mayor número de estas estructuras significa una mayor fijación biológica, así como una mayor masa nodular podría indicar más tejido nodular, más bacteroides y más fijación; por lo tanto, mayor suministro de N a la planta 24.

Efecto de los inoculantes sobre el rendimiento de la arveja, en condiciones de campo

El análisis en parcelas mostró interacción entre los factores: inoculantes (control, no inducido e inducido) y localidades (Ferré y Pergamino). Se obtuvieron rendimientos superiores en los tratamientos biofertilizados (Figura 3), lo que demuestra el papel de estas bacterias en la nutrición nitrogenada del cultivo. Resultados similares fueron obtenidos por otros autores 25.

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Medias con letras similares indican diferencias no significativas Duncan p<0.05. ES X= 54,67

Figura 3. 

Efecto de los tratamientos no-inoculado, inducido y no inducido sobre el rendimiento de arveja en dos localidades

Los rendimientos fueron superiores en Ferré, con alrededor de 1000 t ha-1 más, con respecto a Pergamino. Teniendo en cuenta que se utilizó en ambos experimentos la misma variedad, tratamientos y atenciones culturales y que las características del suelo y el clima no fueron significativamente diferentes, la diferencia en el rendimiento obtenida para ambas localidades, podría estar relacionada con el cultivo anterior y con el tipo de siembra utilizada. Es conocido el efecto positivo de las leguminosas en la rotación de cultivos 26,27, por las poblaciones de rizobios residuales con atributos positivos en la promoción del crecimiento vegetal y su capacidad de fijar nitrógeno atmosférico 28, por facilitar la circulación de los nutrientes en el suelo y la retención de agua 29 y por reducir la escorrentía de nutrientes y las emisiones de gases de efecto invernadero 30.

Con respecto a las ventajas de la siembra directa sobre los métodos convencionales de preparación del suelo se refieren incrementos en el número de plántulas establecidas 31, ahorro de agua 32 e incrementos en los rendimientos y calidad de los cultivos 33.

Cuando se compararon los tratamientos inoculados, se observó un rendimiento superior de la leguminosa en ambos lugares cuando se usó el inoculante inducido, con 468 y 125 kg ha-1 de semillas, por encima del tratamiento inoculado sin inducir, para Ferré y Pergamino, respectivamente. Sin embargo, diferencias significativas entre estos tratamientos inoculados solo se observaron en Ferré.

En el ensayo extensivo, se encontraron resultados similares a los experimentos en parcelas, con mayor rendimiento en el tratamiento inoculado con la bacteria inducida (2637 kg ha-1), seguido del tratamiento no inducido, pero inoculado (1891 kg ha-1). El control mostró el valor de rendimiento más bajo (1501 kg ha-1) (Figura 4).

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Medias con letras similares indican diferencias no significativas, según Duncan p <0.05. ES X = 22,16

Figura 4. 

Efecto de los tratamientos no inoculado (control), inducido y no inducido, sobre el rendimiento de arveja, bajo condiciones extensivas de campo en Ferré

El efecto positivo encontrado en las variables de nodulación (Tabla 1) se tradujo en mayores rendimientos del cultivo en diferentes condiciones. Resultados similares se obtuvieron por otros autores para la interacción Bradyrhizobium elkani-soya, Rhizobium leguminosarum-frijol y Mesorhizobium ciceri-garbanzo, cuando los inóculos también fueron inducidos. El análisis de los perfiles cromatográficos obtenidos en esas investigaciones, mostró también diferencias positivas en el número de picos y su área; resultados que se correspondieron con el número de nódulos y más tarde con el rendimiento de estos cultivos 15,19,34.

La importancia de los factores Nod en la interacción con las leguminosas no solo está relacionada con la nodulación y la eficiencia en la fijación biológica de N en condiciones normales y de estrés abiótico. La similitud de su estructura con los quitooligosacáridos derivados de la pared celular de hongos y activadores de defensa 35, así como evidencias directas de su papel en la reducción de enfermedades 36 y otras evidencias indirectas en la activación de enzimas de defensa 37, representan una participación de estas moléculas en ciertas respuestas de inmunidad a la invasión por patógenos 38.

CONCLUSIONES

  • La inducción de los genes de nodulación en Rhizobium leguminosarum bv. viciae, como parte de la mejora en los inoculantes y su diálogo con las plantas, provoca la síntesis y excreción de diferentes compuestos por la bacteria, lo que repercute en una mayor nodulación y rendimiento en el cultivo de arveja.

  • El desarrollo de inoculantes y formulaciones más complejas como los aquí tratados, permiten mejorar la simbiosis y garantizar niveles más altos de fijación de N.

 

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Original article

 

Induction of signals in Rhizobium leguminosarum bv. viciae and its biological activity in pea (Pisum sativum L.)


ABSTRACT

Pea is a versatile plant, used in different ways and for different purposes, due to its high nutritional value. Its symbiotic interaction with bacteria of the rhizobia family guarantees significant amounts of nitrogen, from biological fixation, which allows it to grow in environments lacking this element. The agronomic and environmental importance of this symbiosis has required technology improvement for the production and inoculant application, so this work set out to evaluate the induction effect of a Rhizobium leguminosarum bv. viciae strain in the generation of signals in the inoculant and its biological activity on pea plants. Daidzein was used as an inducer at a final concentration of 5 µM. The lipidic fraction in the inocula was extracted with n-butanol and analyzed by high performance liquid chromatography and gas chromatography coupled to a mass spectrometer. Biological activity was evaluated in one experiment under controlled conditions, two field experiments, and one extensive trial. The results showed that in the inoculant induced with the flavonoid, a higher quantity and diversity of molecules related to the symbiotic interaction was detected. Similarly, the induced inocula showed a higher positive effect on nodulation (14.8 vs 8.7) and the yield of pea plants, with 468 and 125 kg ha-1 of seeds above the inoculated treatment without inducing in the experiments in plots and 746 kg ha-1 in the extensive trial.

Key words: 

biological fixation; nodulation; communication; legumes.


INTRODUCTION

Pea (Pisum sativum L.) is a grain legume, characterized by its high nutritional value and its use in human and animal nutrition. Its seeds contain between 18 and 20 % of dry matter, of which 10 to 12 % are carbohydrates and between 5 and 8 % are proteins 1. Pea beans can be used for immediate consumption or canned for long-term storage 2. This crop can also be used as green fodder, hay, silage or flour and as green manure 3.

As a legume, the pea has another important characteristic, related to the ability to fix atmospheric nitrogen in symbiosis with bacteria of the rhizobia family 4, specifically with the species R. leguminosarum bv. viciae5. This symbiosis provides significant amounts of N to the soil for successor crops and it is suggested that inoculation with these bacteria can produce similar yields to the application of 200 kg of N ha-1 (2.

The application of large amounts of inorganic fertilizers in intensive production systems 6,7) represents a polluting burden for the environment and high costs that many countries cannot afford. Achieving similar or higher yields with low inputs and organic products represents a challenge for sustainable agriculture. Symbiotic fixation of N is a promising alternative in this regard 8,9.

The inoculation technologies of various beneficial microorganisms in seeds constitute an economical agronomic practice, recommended in agriculture. Successful inoculation will depend on several factors, including the ability of the introduced strain to compete with the existing native population and achieve greater infection, nodulation, and N contribution 10.

The symbiosis established between legume plants and rhizobia responds to an intense exchange of signals from the beginning of the interaction, which allows communication between both symbionts: the macro and the microorganism 11. Seeds release various compounds, including flavonoids, which cause the expression of nod genes in bacteria, which induces the synthesis of Nod factors, essential molecules in the interaction success 12. These compounds have also been related to the chemo-attraction exerted by legumes on rhizobia and with the expression of other genes in these bacteria that regulate the synthesis of exopolysaccharides and the type III secretion system, related to the defensive responses in the host and protein export in nodulation, respectively 13.

High molecular weight fatty acids are structural components of lipoquitooligosaccharides associated with nodulation. Nod factors consist of a backbone of three to five molecules of N-acetyl-glucosamine, which at the amino group of the non-reduced end is acylated with a fatty acid 16-20 C atoms long (C16-C20) 14.

The use of inoculants induced in the synthesis of these signals that govern communication, has made it possible to obtain not only better nodulation and plant performance 15, but also tolerance to stress conditions in the environment 16. For this reason, the present work aimed to evaluate the induction effect of a Rhizobium leguminosarum bv. viciae strain in the generation of signals in the inoculant and its biological activity in pea plants.

MATERIALS AND METHODS

Bacterial culture. Induction with daidzein

A strain of Rhizobium leguminosarum bv viciae was used, known for its symbiosis with the pea. A preinoculum was produced in 50 mL of mannitol yeast extract medium 17 at pH 6.8; to inoculate 600 mL of the same medium without and with daidzein (Sigma), which was added to a final concentration of 5 µM. The inocula were obtained after keeping the flasks at 150 rpm for 48 h, in an orbital shaker at 28 ± 2 ºC of temperature. For each case, the procedure was repeated three times and included three samples from each treatment (uninduced and daidzein-induced).

Extraction of the lipidic fraction

Taking into account that most of signals recognized by their biological activity in the rhizobia-legume interaction are lipids, a selective extraction of these molecules was carried out from the inoculum treated with daidzein (Induced) or not (Control), using 180 mL of n-butanol in each sample. They were placed on an orbital shaker at 150 rpm for 15 min and kept overnight under dark conditions at a room temperature of 25 ± 2 °C. Then the organic phase in each sample was extracted, centrifuged at 12000 g, 10 °C, for 10 minutes. All samples were concentrated by rotary evaporation at 50-80 °C until 2 mL of each were obtained, which were used for the detection of signals produced by the bacteria.

Signal detection. Structural characterization of main components in the lipidic fraction

High performance liquid chromatography analysis, reversed phase

To evaluate the presence of nodulation factors among the metabolites, 10 µL of all lipidic extracts were analyzed by HPLC, using a Waters Symmetry C-18 reversed phase column (46 x 250 mm) of 5 µ particle size, installed on a Waters Alliance HPLC System. The flow rate was 1 mL min-1 and water (A) and acetonitrile (B) were used as solvents, with a gradient: 0-10 min 18 % B, 10-30 min 60 % B, 30-35 min 95 % B, 35-45 min 18 % B. A UV-Waters spectrophotometric detector was used at a wavelength of 214 nm.

Gas chromatography coupled to a mass spectrometer

The volatile fatty acid derivatives were prepared by silylation, using BSTFA (N, O-Bis trimethylsilyl trifluoroacetamide) as a reagent in combination with trimethylchlorosilane (TMCS) (BSTFA+TMCS Kit, Supelco). For the analysis by GC-MS, a gas chromatograph coupled to a Shimadzu GC-MS QP-2010 mass spectrometer was used; system equipped with AOC-20i autoinjector, AOC-20s automatic injector and a direct insertion system controlled by the "GC-MS Solution" software. An Optima 5 MS column (30 µm × 0.25 mm ID, 0.25 µm film thickness) was used. The conditions of the chromatographic analysis were: injector temperature 310 °C, oven temperature 100 °C for six minutes. Subsequently, it was increased to 320 °C at a rate of 20 °C min-1 and held for 5 minutes. The injection volume was 1 µL and the column flow was 0.75 mL min-1, using helium as a stripping gas.

Effect on the pea plant nodulation, under controlled conditions

From the biopreparations obtained, 2 mL were inoculated for every 500 g of Facon variety seeds, which were sown in a sterile soil/vermiculite mixture (1:1), without the application of other nutrients. The plants were grown in a growth chamber, with a photoperiod of 16/8 hours of light/dark, at 28 °C and with 60 % relative humidity, for 35 days. Irrigation was carried out by capillarity with deionized water, maintaining the water regime at approximately 90 % of the field capacity. Nine plants were used per treatment to evaluate the number and dry mass of nodules (mg) per plant.

Effect on plant performance, under field conditions

This study was carried out in experimental fields of the localities Ferré (34º09´S, 61º09´W, altitude 93 m, typical black Mollisol soil, which corresponds to a Feozem soil 18) and Pergamino (33° 53'S, 60 ° 34'W, altitude 56 m, typical Argiudol soil, loamy-silty (Argic Feozem), Buenos Aires province, in Argentina, during the months of July-October 2015. Two of the trials were carried out in plots (in both localities) and an extensive one in Ferré.

The data from the soil analysis in Pergamino were: pH (1: 2.5) = 5.6; N-NO3 (ppm) = 4; P Bray I (ppm) = 19.2; Org. M. (%) = 2.2; Total N (%) = 0.111; Carbon (%) = 1.3. Temperatures (°C) between July-October: 16.4-20.1-20.4-25.0 and rainfall (mm): 33.0-8.0-60.0-111.0.

For Ferré, the data from the soil analysis were: pH (1: 2.5) = 5.6; N-NO3 (ppm) = 13.7; P Bray I (ppm) = 23.6; Org. M. (%) = 2.7; Total N (%) = 0.134; Carbon (%) = 1.6. Temperatures between July-October: 16.3-21.0-20.7-24.8 °C and rainfall: 3.0-4.0-68.0-105.0 mm, respectively.

Seeds of Facon variety were inoculated at a dose of 4 mL per 1000 g of seeds, with a sowing density of 25 seeds m-1 and a direct sowing system (without tillage) in Ferré and conventional sowing (previous tillage of the soil ) in Pergamino. As a predecessor crop, in Ferré soybeans were cultivated, while in Pergamino it was pastures. In all the experiments, the following was used as fertilization: 80 kg ha-1 of Mixture (8-38-0-8 S). At the time of harvest, the yield (kg ha-1) was determined.

Experimental design and statistical processing

The growth chamber experiment was repeated three times. A completely randomized design was used and the normality and homogeneity of the variance was checked in the data, which were analyzed according to Tukey p <0.05.

In the plot experiments a bifactorial analysis was used, taking into account the inoculant factors and localities, with three and two levels, respectively. To discriminate the differences between the means, results were compared using Duncan's Multiple Range Test p <0.05. The Statgraphics Plus program, version 5.1, was used.

RESULTS AND DISCUSSION

Signal detection. Structural characterization of main components in the lipid fraction

The extract composition analysis in n-butanol, corresponding to three independent biological replicates for each treatment, carried out by HPLC and GC-MS is presented in Figures 1 and 2, respectively.

Differences are observed between the induced and non-induced treatments in the peaks obtained and the area (concentration), which was higher when the biopreparation was induced with daidzein (Figure 1 A and B), whose total area was 372 567 175, with respect to non-induced treatment, which was 5 322 255.

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Data represents the average of three replications

Figure 1. 

Chromatograms obtained by HPLC, retention time (rt) and area of the separated peaks, when analyzing the samples of the non-induced inoculant (A) and the inoculant induced with daidzein (B)

When the samples were analyzed by gas chromatography coupled to a mass spectrometer (Figure 2), several peaks were identified, corresponding to high molecular weight fatty acids such as ecosenoic and stearic acid and other molecules synthesized by the microorganism.

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Data represents the average of three replications

Figure 2. 

Area of peaks corresponding to the chromatograms obtained by GC-MS in the inoculant not induced and induced with daidzein and representing fatty acids and other molecules

The results show an increase in the area of these peaks with the induced treatment. This means that daidzein promotes not only the production of nodulation factors in bacteria, but also other components of a lipid nature, such as fatty acids and other compounds.

In previous works, other authors also found an increase in these high molecular weight fatty acids in the Nod factors produced by symbiotic strains of beans and chickpeas, in the presence of nod gene inducers 15,19. The biological role of nodulation factors is well documented. However, a possible function of the rest of the compounds detected in the nodulation process is unknown. In fact, high molecular weight fatty acids have been reported to exhibit antimicrobial activity and play a role in Rhizobium growth and stress adaptation 20. These fatty acid structures are also components of plant cell membranes and have been shown to accumulate in roots of soybean plants colonized by Bradyrhizobium japonicum21. Some high molecular weight fatty acids are precursors of the synthesis of jasmonic acid, which is essential in the plant's responses to biotic and abiotic stress 22.

Through the methods used to characterize lipid compounds and detect the presence of Nod factors in inoculant samples, these structures were identified to a greater extent in the daidzein-induced inoculant.

Effect on nodulation under controlled conditions

The non-inoculated plants did not form nodules, but regarding the effect of the induced and non-induced treatments on nodulation, a superior effect of the treatment inoculated with the induced inoculant was observed on the number of nodules formed in the main and total roots and also in its mass (Table 1).

Table 1. 

Number of nodules and nodule dry mass (mg) in non-inoculated control plants (Control) and plants inoculated with the induced or non-induced biopreparation, 35 days after sowing

TreatmentNodules number Principal Root pl-1Nodules dry mass Principal Root pl-1Number of nodules Total pl-1Total nodule dry mass Total pl-1
Induced3.56 a7.67 a14.89 a19.56 a
Not Induced0.36 b0.73 b8.79 b13.21 b
Control0.0 b0.0 b0.0 c0.0 c
SE x0.350.891.241.02

The data represents the average of three repetitions

Similar letters indicate that there are no differences between the treatments, according to Tukey p <0.05; n = 9

These results indicate that the presence of a greater quantity and diversity of signals in the induced inoculant (Figures 1 and 2), stimulated the formation of nodules in the plants. It has been suggested that the perception of signals, such as Nod factors, activate the biosynthetic pathways required for nodulation 23 and that a greater number of these structures means greater biological fixation, as well as a greater nodular mass could indicate more nodular tissue, more bacteroides and more fixation; therefore, greater supply of N to the plant 24.

Effect of inoculants on pea yield, under field conditions

The analysis in plots showed interaction between the factors: inoculants (control, not induced and induced) and localities (Ferré and Pergamino). Higher yields were obtained in the biofertilized treatments (Figure 3), which demonstrates the role of these bacteria in the nitrogen nutrition of the culture. Similar results were obtained by other authors 25.

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Means with similar letters indicate non-significant differences Duncan p <0.05. ES X = 54.67

Figure 3. 

Effect of non-inoculated, induced and non-induced treatments on pea yield in two locations

Yields were higher in Ferré, with around 1000 t ha-1 more, compared to Pergamino. Taking into account that the same variety, treatments and cultural attentions were used in both experiments and that the characteristics of the soil and the climate were not significantly different, the difference in yield obtained for both locations could be related to the previous crop and to the type of seeding used. The positive effect of legumes on crop rotation is known 26,27, due to residual rhizobia populations with positive attributes in promoting plant growth and their ability to fix atmospheric nitrogen 28, by facilitating the circulation of soil nutrients and water retention 29 and by reducing nutrient runoff and greenhouse gas emissions 30.

Regarding advantages of direct sowing over conventional soil preparation methods, there are increases in the number of established seedlings 31, water savings 32 and increases in crop yields and quality 33.

When inoculated treatments were compared, a superior yield of the legume was observed in both places when the induced inoculant was used, with 468 and 125 kg ha-1 of seeds, above the inoculated treatment without inducing, for Ferré and Pergamino, respectively. However, significant differences between these inoculated treatments were only observed in Ferré.

In the extensive trial, similar results were found to the experiments in plots, with higher yields in the treatment inoculated with the induced bacteria (2637 kg ha-1), followed by the non-induced treatment, but inoculated (1891 kg ha-1). The control showed the lowest yield value (1501 kg ha-1) (Figure 4).

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Means with similar letters indicate non-significant differences, according to Duncan p <0.05. ES X = 22.16

Figure 4. 

Effect of non-inoculated (control), induced and non-induced treatments on pea yield, under extensive field conditions in Ferré

The positive effect found in the nodulation variables (Table 1) translated into higher crop yields under different conditions. Similar results were obtained by other authors for the Bradyrhizobium elkani-soybean, Rhizobium leguminosarum-bean and Mesorhizobium ciceri-chickpea interaction, when the inocula were also induced. The analysis of the chromatographic profiles obtained in these investigations also showed positive differences in the number of peaks and their area; results that corresponded with the number of nodules and later with the yield of these cultures 15,19,34.

The importance of Nod factors in the interaction with legumes is not only related to nodulation and the efficiency in the biological fixation of N under normal conditions and abiotic stress. The similarity of its structure with the chitooligosaccharides derived from the cell wall of fungi and defense activators 35, as well as direct evidence of its role in reducing diseases 36) and other indirect evidence in the activation of defense enzymes 37), represent a participation of these molecules in certain immune responses to invasion by pathogens 38.

CONCLUSIONS

  • The induction of nodulation genes in Rhizobium leguminosarum bv. viciae, as part of the improvement in the inoculants and their dialogue with the plants, causes the synthesis and excretion of different compounds by the bacteria, which has an impact on greater nodulation and yield in the pea crop.

  • The development of inoculants and more complex formulations such as those discussed here, allow to improve the symbiosis and guarantee higher levels of N fixation.