Cultivos Tropicales Vol. 43, No. 1, enero-marzo 2022, ISSN: 1819-4087
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Artículo original

Aplicación de dos cepas de Trichoderma asperellum S. como estimulante de crecimiento en el cultivo del arroz

 

iDMichel Ruiz-Sánchez1*

iDAnayza Echeverría-Hernández1

iDYaumara Muñoz-Hernández2

iDAlexeis Y. Martínez-Robaina3

iDAriel Cruz-Triana1


1Unidad Científico Tecnológica de Base "Los Palacios", Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA). Carretera La Francia km 1½, Los Palacios, Pinar del Río, Cuba. CP 22 900.

2Universidad “Hermanos Saiz Montes de Oca”. Centro Universitario Municipal Los Palacios.

3Universidad “Hermanos Saiz Montes de Oca”. Facultad de Ciencias Forestales y Agropecuarias. Departamento de Ciencias agropecuarias.

 

*Autor de correspondencia: mich762016@gmail.com

Resumen

La investigación se realizó en los periodos poco lluviosos de los años 2016 y 2017 en la Unidad Científico- Tecnológica de Base “Los Palacios”, con el objetivo de evaluar el efecto de la aplicación de dos cepas de T. asperellum sobre la fisiología y rendimiento agrícola en el cultivar de arroz INCA LP-5. La inoculación se realizó previo a la siembra mediante la imbibición de las semillas en un biopreparado de T. asperellum (cepas Ta.13 y Ta.78), a una dosis de 5 x 106 conidios x g de semilla-1 y secado a la sombra durante 24 h. Se siguió un Diseño Experimental en Bloques al Azar, con cuatro repeticiones y se utilizó un control con semilla no tratada. Se evaluó a los 120 días después de la emergencia, la altura de las plantas; el porcentaje de Trichoderma spp., colonizado en el suelo; la masa seca aérea; el largo de la raíz y la masa seca raíz, además del rendimiento agrícola y sus componentes. Se obtuvo que la aplicación de las cepas de T. asperellum (Ta13 y Ta.78), provocaron una tendencia al incremento en la presencia de Trichoderma spp. en el suelo Gleysol Nodular ferruginoso petroférrico en condiciones de cultivo del arroz con riego. Se estimuló el crecimiento y desarrollos de las plantas de arroz, así como el rendimiento agrícola entre un 20 % y un 30 %, respecto al tratamiento sin Trichoderma. La cepa Ta.78 fue la que promovió los mejores resultados.

Palabras clave: 
rendimiento agrícola, agroecología, alternativa

Recibido: 29/6/2020; Aceptado: 18/3/2021

CONTENIDO

Introducción

 

El rendimiento de los cultivos suele ser el atributo en el que se centran principalmente los programas de mejoramiento y las decisiones para la selección varietal. Es el resultado final del crecimiento y de los procesos de desarrollo, que están regulados por factores genéticos, condiciones ambientales y las interacciones genotipo-ambiente a lo largo de un periodo de crecimiento de una planta (1).

El arroz (Oryza sativa L.) es el cereal de mayor consumo, después del trigo, a escala mundial, con un per cápita de 53,9 kg (2) y se espera que el consumo de arroz y trigo aumente en 1,7 y 1,0 %, respectivamente (3). En Cuba los cultivares comerciales actuales han demostrado tener un potencial de rendimiento que supera las 7 t.ha-1; sin embargo, a pesar de que en el país existen condiciones de clima y de suelo favorables para el crecimiento y desarrollo de este cereal, en los últimos cinco años el rendimiento no supera las 3,43 t ha-1 como promedio (4). Lograr altos rendimientos para satisfacer la demanda de alimentos en el caso del arroz es prioridad nacional. Desde la década de los 90 se manifiesta un retroceso en la producción cubana de arroz, obligando al país a realizar importaciones anuales superiores a los 100 millones de dólares (5).

El no cumplimiento de las normativas tecnológicas para este cultivo, así como la baja disponibilidad de insumos (fertilizantes y plaguicidas) están entre las causas que han incidido negativamente en la disminución de rendimientos en este cultivo. Ante esta problemática, una alternativa pudiera ser el uso de Trichoderma spp., pues presenta mecanismos de acción directos e indirectos como agente de control biológico y estimulador del crecimiento de las plantas. Estos microrganismos tienen la capacidad de solubilizar elementos nutritivos, que en su forma original, no son accesibles para las plantas y crear un ambiente favorable al desarrollo radical, lo que aumenta la tolerancia de la planta a estreses bióticos y abióticos (6,7), por lo que se puede considerar un bioestimulante (8).

En sentido general, Trichoderma se utiliza como control biológico contra enfermedades del suelo. El Centro Nacional de Sanidad Agropecuaria (CENSA) cuenta con cepas de Trichoderma asperellum Samuels, Lieckfeldt y Nirenberg, identificadas y caracterizadas, fisiológica y molecularmente, que han manifestado un buen control sobre agentes del suelo causantes de enfermedades en arroz, frijol y otros (9,10).

En la literatura científica es escasa la información sobre estudios que proporcionen un panorama claro de cómo Trichoderma favorece el crecimiento y el desarrollo en plantas de arroz, cultivadas bajo sistema de riego por inundación. Por lo tanto, el objetivo del presente estudio fue evaluar el efecto de la aplicación de dos cepas de T. asperellum en la fisiología y el rendimiento agrícola en el cultivar de arroz INCA LP-5.

Materiales y métodos

 

La investigación se realizó en la Unidad Científico Tecnológica de Base “Los Palacios” (UCTB “Los Palacios”), Cuba, a 22°34’32.73’’ N y 83°14’11.95’’ O, perteneciente al Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), con plantas de arroz cv. INCA LP-5, las que se inocularon previo a la siembra con T. asperellum (cepas Ta.13 y Ta.78). El experimento se realizó en condiciones de campo, siempre en la misma área en los periodos poco lluviosos de los años 2016 y 2017, en un suelo que se clasificó como Gleysol Nodular Ferruginoso petroférrico (11) y se caracterizó por un pH ligeramente ácido (6,46); contenido de materia orgánica (MO) bajo (2,86); bases intercambiables con contenidos típicos para este tipo de suelo y considerados bajos; fósforo asimilable (P) bajo (46,80 mg kg-1) (12). El comportamiento de las variables meteorológicas durante el periodo experimental se registró en la Estación Meteorológica # 317 de Paso Real de San Diego en el municipio “Los Palacios” de la provincia Pinar del Río, Cuba, la cual está a una distancia promedio de 4 km.

El área experimental (0,6 ha) se preparó iniciando con la roturación del suelo hasta una profundidad de 0,20 m por la tecnología de preparación de suelo en seco, con siembra en seco a chorrillo, a una dosis de 120 kg ha-1 de semilla (5). Previo a la siembra las semillas de arroz se lavaron con agua corriente tres veces seguidas y todas las que flotaron conjuntamente con las materias extrañas en el momento del lavado se desecharon. Seguidamente se secaron las semillas a la sombra durante 24 horas; a continuación, se aplicó el biopreparado a una dosis de 5 x 106 conidios x g de semilla-1 a base de cepas de Trichoderma (Ta.13 y Ta.78) en 1 L de agua por separado, con 5 mL de adherente 810 SL, para lograr una mayor adhesión del producto a la semilla; que se cubrieron con el biopreparado por un periodo de 24 horas.

Al mismo tiempo se preparó el tratamiento estándar sin aplicación de Trichoderma (testigo), para conformar los tratamientos experimentales. Pasada las 24 horas de la aplicación se realizó la siembra en parcelas de 9 m2, siguiendo un Diseño Experimental en Bloques al Azar, con cuatro repeticiones y se utilizó un control con semilla no tratada.

Tratamientos

 
  • Semillas sin Trichoderma (ST)

  • Semillas con Trichoderma (Ta.13)

  • Semillas con Trichoderma (Ta.78)

El riego, la aplicación de herbicidas y la fertilización se realizó según Normas Técnicas para el Cultivo del Arroz (5).

Muestreo y evaluaciones

 

En ambos años experimentales se procedió a la toma de muestras y evaluaciones, siguiendo la misma metodología. A los 120 días después de la emergencia (DDE) en la fase de maduración, se evaluó la altura de las plantas (ALT), la cual se midió en 10 plantas por réplica, para un total de 40 por tratamiento, desde la superficie del suelo hasta el extremo superior de la hoja proyectada en la misma dirección del tallo (13) y se expresó en cm.

Se determinó la presencia de Trichoderma y para ello se tomaron cinco muestras de suelo (0-10 cm) por réplica, para un total de 20 por tratamiento, cercano a la zona radical de las plantas en cada repetición. Las muestras se agitaron en un beaker y se extrajeron cinco alícuotas de 100 μL de las suspensiones de suelo (dilución 10-3) por muestra. Se sembraron en placas con medio PDA, suplementado con amoxicilina (500 mg L-1), con la finalidad de evitar la contaminación del medio (14). Posteriormente, se extrajeron cuidadosamente tres plantas por réplica, para un total de 12 por tratamientos, con la ayuda de una pala, que permitió profundizar en el suelo y así extraer la mayor masa radical posible. Se separó la parte aérea de la raíz. Las raíces se lavaron con abundante agua para eliminar el suelo adherido y se secaron con papel absorbente, después se midió el largo de la raíz que se expresó en cm. Ambas secciones de la planta se mantuvieron en estufa con tiro forzado de aire a 70 ºC hasta alcanzar masa constante, la que se midió en una balanza técnica (Denver Instrument PK-601), el resultado obtenido se expresó en g planta-1.

La cosecha del experimento se realizó a los 142 DDE, en ese momento se evaluó la cantidad de panículas por metro cuadrado (P_m2), para ello, se cortó 1 m2 de arroz por réplica, para un total de 4 m2 por tratamiento y se contabilizaron todos los tallos con espiga y sin espiga (P_inf_m2) o el número de tallos infértiles por m2 (13). Además, se cosecharon 20 panículas por réplica, para un total de 80 panículas por tratamiento.

Para determinar el rendimiento agrícola (t ha-1), se siguió la metodología propuesta por el IRRI (13). Se tomó una muestra de 4 m2 por réplica, para un total de 16 m2 por tratamiento. Las muestras se secaron al sol hasta que el porcentaje de humedad estuvo al 14 %, seguidamente se aventaron las mismas para eliminar las impurezas y se pesaron en una balanza técnica electrónica de tres cifras (Balanza Electrónica Ferton) con una precisión de 0,046 g.

Análisis estadísticos

 

Después de comprobar los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianza (Test Bartlett's y Kolmogórov-Smirnov, respectivamente) en cada variable, se procesaron los datos mediante un Análisis de Varianza de Clasificación Simple y cuando existieron diferencias significativas, las medias se docimaron, según la Prueba de Rangos Múltiples de Duncan (p<0,05). Para realizar el análisis estadístico se utilizó el Programa STATGRAPHICS CENTURION versión 16.1 sobre Windows.

Resultados y discusión

 

En sentido general, las variables climáticas que incidieron durante la investigación favorecieron el crecimiento y el desarrollo del cultivo. Las temperaturas no fueron extremas en el tiempo, las mínimas, en la primera etapa de crecimiento del cultivo; o sea, en la fase vegetativa hasta los 70 DDE fueron de 18,4 ºC en el año 2016 y en el 2017 de 19,2 ºC, como promedio. Sin embargo, las temperaturas se compensaron con máximas de 27,5 ºC en el año 2016 y en el 2017 de 28,6 ºC, como promedio. Estas variaciones térmicas condicionaron que el ciclo del cultivo se comportara para este cultivar (INCA LP-5) como de ciclo medio. Al respecto, se aseguró que los rangos de temperatura máxima y mínima superiores a 18 ºC y menores de 30 ºC son favorables para un desarrollo eficiente de la planta de arroz (15). Por otra parte, investigaciones realizadas demostraron que el alargamiento del ciclo para el cultivar INCA LP-5 muestran una tendencia a estar por debajo de los 20 ºC, cuando se cultiva en el periodo poco lluvioso y las temperaturas mínimas (16).

En cuanto a las precipitaciones, en el año 2016, el máximo de lluvias ocurrió en la primera decena de junio, con valores de 254,8 mm y en el 2017 fue de tan solo 129,7 mm. Durante el periodo de investigación, la Humedad Relativa en el año 2016 fluctuó entre el 66 % y el 99 % y en el 2017, entre 66 % y 90 %, valores que no constituyeron limitante para el cultivo, debido a que los rangos de variación están dentro de los parámetros permisibles para el arroz (17).

Al analizar el resultado del muestreo de suelo en función de la presencia de Trichoderma spp. en el suelo (Tabla 1), se encontró una tendencia superior de las colonias en los tratamientos donde se aplicaron las cepas de T. asperellum (Ta.13 y Ta.78). En ambos años de investigación, la mayor presencia se observó en el tratamiento Ta.78, incremento que representó un 10,11 % en el 2016, respecto al testigo. En el 2017 el incremento fue de un 14,67 % para el tratamiento Ta.78 y un 8,45 % para Ta.13 respecto al testigo.

Tabla 1.  Resultado del muestreo de suelo y de las evaluaciones morfológicas en plantas de arroz sin inocular (ST) e inoculadas con dos cepas de T. asperellum (Ta.13 y Ta.78), en un suelo Gleysol Nodular Ferruginoso Petroférrico.
Tratamientos PTS (%) ALT (cm) MSA (g.planta-1) L_R (cm) MSR (g planta-1)
2016 2017 2016 2017 2016 2017 2016 2017 2016 2017
ST 69,61 b 78,05 c 97,23 b 119,47 c 2,96 b 3,24 b 15,72 b 15,67 c 1,18 b 1,22 b
Ta.13 71,80 b 84,65 b 101,30 a 128,30 a 3,31 ab 3,73 ab 20,08 a 17,92 b 1,28 a 1,34 a
Ta.78 76,65 a 89,50 a 103,43 a 124,43 b 3,80 a 4,14 a 17,92 ab 21,33 a 1,33 a 1,38 a
ESx 0,788 0,518 0,865 0,780 0,193 0,176 1,091 1,012 0,023 0,015

Letras desiguales difieren significativamente según Prueba de Rangos Múltiples de Duncan para p<0,05

(PTS): presencia de Trichoderma spp. en el suelo; (ALT): altura de la planta; (MSA): masa seca aérea; (L_R): largo de la raíz; (MSR): masa seca raíz; (ST): en plantas de arroz sin inocular

La presencia de Trichoderma spp. en el suelo Gleysol sugiere la vida de estos microorganismos en estos suelos y evidenció la alta plasticidad ecológica de los mismos, pues este suelo se ha cultivado en monocultivo de arroz con dos producciones anuales cada año en la UCTB “Los Palacios” y presenta todas las características típicas para ese cultivo (18), en condiciones inundadas (5). Aun cuando estas condiciones son de anaerobiosis, especies de Trichoderma residentes (nativas) fueron capaces de colonizar el medio edáfico. Sin embargo, cabe resaltar que la inoculación mediante la imbibición de las semillas con las cepas de este hongo (Ta.13 y Ta.78) incrementó la presencia del mismo y, a su vez, promovió el crecimiento y desarrollo en la planta.

El incremento de la presencia y colonización del suelo por Trichoderma spp. en los tratamientos con T. asperellum indicaron que el manejo en condiciones de campo no limitó la multiplicación y el desarrollo del hongo, a pesar de que la lámina de agua fluctuó entre los 10 y 15 cm de profundidad. La lámina de agua permaneció en el cultivo desde que las plantas tenían cinco hojas verdaderas hasta el 50 % de maduración del grano, como se recomienda en el Instructivo Técnico del Arroz (5). Aun cuando el periodo con lámina fue superior a los 90 días no afectó la presencia y la colonización del suelo por Trichoderma spp. La supervivencia de estos hongos bajo estas condiciones, es posible porque las esporas de Trichoderma poseen una pared celular gruesa (9), que la aísla del medio ambiente y permite que sobreviva a condiciones adversas, manteniéndola en dominancia hasta que las condiciones sean propicias para la germinación. Al respeto, se aseguró que la dormancia de la espora de Trichoderma es el mecanismo principal que le permite a esta especie adaptarse a condiciones adversas (9).

Por otra parte, la aplicación de diferentes cepas de T. asperellum (Ta.13 y Ta.78), provocó diferencias en el crecimiento de la planta, respecto al testigo sin aplicación (ST), aun cuando se evidenció una tendencia en la presencia de estas cepas en el suelo. En relación al comportamiento de la altura de la planta (Tabla 2), se encontró que, en ambos años (2016 y 2017) siempre los tratamientos con T. asperellum, mostraron los valores mayores en altura respecto al testigo.

La acumulación de la masa seca aérea, largo de la raíz y masa seca de la raíz en ambos años de investigación, mostraron los mayores valores de estas variables (MSA, L_R y MSR) donde se aplicó T. asperellum (Ta.13 y Ta.78), aunque para la MSA el tratamiento con la cepa Ta.13 no mostró diferencia con el testigo (ST), igualmente sucedió para el caso del largo de la raíz en el segundo año de investigación.

El incremento que se apreció en las variables fisiológicas evaluadas (ALT, MSA y MSR) indicó el potencial de este microrganismo sobre el crecimiento y desarrollo de las plantas de arroz, aun cuando este mostró un comportamiento variable, dependiendo de la cepa de Trichoderma utilizada. En cuanto a la altura de las plantas (10), se demostró en plantas jóvenes de arroz tratadas con T. asperellum un incremento significativo en la altura. Resultados similares se informaron, pero con otras cepas de Trichoderma y diferentes alturas de lámina de agua (14).

Otras causas que pudieron conducir al incremento en el crecimiento en las plantas, fue una mayor absorción de los nutrientes, a partir de la simbiosis que se crea entre éste microorganismo y la planta de arroz y la estimulación que se encontró en el crecimiento radical. Al respecto, en otras investigaciones se evidenció que algunas especies de Trichoderma promueven el crecimiento y mejoran la absorción de nutrientes (19). De ahí que, la estimulación del crecimiento puede deberse a la inhibición de patógenos menores en la raíz de la planta, a la producción de vitaminas y a la conversión de nutrientes (zinc, magnesio y potasio) en el suelo, los cuales se encuentran en una forma no asimilable para las plantas (6). También se demostró que la aplicación de Trichoderma spp. en el cultivo del maíz (Zea mays L.) colonizaron sus raíces y requirieron menos fertilizante nitrogenado, que el maíz no tratado; lo cual implicó un ahorro del 35 al 40 % de fertilizante (9).

La estimulación del crecimiento evidenció, la posible interacción positiva entre la planta y Trichoderma, la cual está regulada, para asegurar los beneficios de ambos simbiontes. La planta recibe protección y mayor cantidad de nutrientes disponibles y el hongo obtiene compuestos orgánicos y un nicho para el crecimiento. Al respecto, aseguró que es posible el estímulo del crecimiento a partir del proceso de identificación de los simbiontes vía señalización microorganismo-planta y posterior a la simbiosis la producción de hormonas relacionadas con el crecimiento de la planta (7). En relación a la producción de hormonas se aseguró que especies de Trichoderma regulan vías metabólicas, como la producción de auxinas que promueven el crecimiento de las raíces (19). Otro autor informó que Trichoderma además de competir por los nutrientes y la dominancia de la rizosfera, tiene la capacidad de multiplicarse en el suelo y colonizar las raíces de las plantas y en el proceso de multiplicación se producen hormonas de crecimiento tales como; auxina, giberilina y citoquininas que estimulan la germinación de la semilla y desarrollo de las plantas (20).

Recientes investigaciones han mostrado que, en las etapas iniciales de interacción, los metabolitos como auxinas y compuestos proteicos liberados por Trichoderma son percibidos por las raíces, alterando muchos mecanismos hormonales que controlan el crecimiento de plantas y el desarrollo bajo condiciones normales o de estrés (19). Como consecuencia, cuando el sistema radicular es colonizado, la asociación se fortalece, suministrando protección a la zona radicular contra microorganismos patógenos y también desarrollando el sistema radicular, lo que pudiera mejorar la absorción de agua y nutrientes. Además, se estimula el crecimiento vegetal y se induce resistencia contra los patógenos (7,21). Es por ello que este hongo es considerado promotor del crecimiento, a partir de la producción de metabolitos secundarios en la interacción (19).

En cuanto a los componentes del rendimiento en el cultivo del arroz, se encontró que el número de panículas por m2 (P_m2), fue superior en ambos años experimentales en los tratamientos con T. asperellum (Ta.13 y Ta.78) respecto al testigo (Tabla 2). Los mayores valores de P_m2 se corresponden con el tratamiento Ta.78. Sin embargo, el número de panículas infértiles (P_inf_m2) manifestó un comportamiento inverso en ambos años experimentales, o sea el tratamiento testigo (ST) mostró el mayor número de tallos infértiles y no hubo diferencias entre los tratamientos donde se aplicó T. asperellum (Ta.13 y Ta.78).

Tabla 2.  Componentes del rendimiento agrícola en plantas de arroz sin inocular (ST) e inoculadas con dos cepas de T. asperellum (Ta.13 y Ta.78). Evaluadas en las campañas poco lluviosas de 2016 y 2017.
Tratamientos P_m2 P_inf_ m2 G_LL G_V
2016 2017 2016 2017 2016 2017 2016 2017
ST 240,50 c 245,25 c 22,25 a 29,00 a 95,67 b 96,40 b 34,00 a 26,93 a
Ta.13 252,50 b 257,50 b 16,75 b 21,50 b 105,33 a 114,47 a 30,67 b 19,20 b
Ta.78 264,25 a 267,32 a 13,75 b 18,25 b 101,53 a 118,73 a 21,93 c 19,93 b
ESx 3,006 1,338 2,383 1,559 1,326 2,956 0,697 0,841

Letras desiguales difieren significativamente según Prueba de Rangos Múltiples de Duncan para p<0,05

(P_m2): panículas por m2; (P_inf_m2): panículas infértiles por m2; (L_P): largo de la panícula; (G_LL): granos llenos por panícula y (G_V): granos vanos por panícula; (ST): en plantas de arroz sin inocular

En cuanto a los granos llenos por panícula (G_LL) los mayores valores se encontraron en los tratamientos donde se aplicaron ambas cepas de Trichoderma (Ta.13 y Ta.78) sin diferencias entre ellos. Concerniente a los granos vanos por panícula (G_V) mostraron un comportamiento inverso a los G_LL, aunque en el primer año experimental los menores valores de G_V se correspondieron con el tratamiento donde se aplicó la cepa Ta.78.

En relación con los componentes del rendimiento agrícola, las variables que tributaron al incremento del mismo en los tratamientos inoculados con T. asperellum fueron P_m2 y GLl; y de forma inversa P_inf_m2 y G_V, los cuales están determinados por el comportamiento de las variables del crecimiento altura de las plantas, masa seca área de la planta, largo de la raíz y masa seca de la raíz, que mostraron incrementos por efecto de la aplicación de Trichoderma. Específicamente el incremento del número de panículas por planta en los tratamientos Ta.13 y Ta.78, puede estar relacionado con el desarrollo del sistema radical, expresado en este caso como MSR, tal como han señalado otros investigadores en el cultivo del arroz (22,23), quienes aseguraron una alta correlación entre el crecimiento radicular y los componentes del rendimiento agrícola.

Con relación al rendimiento agrícola en ambos años (2016 y 2017), se encontró que siempre los tratamientos donde se trató la semilla con Trichoderma fueron superiores al tratamiento testigo (Figura 1) y los mayores valores se correspondieron con el tratamiento Ta.78 en ambos años experimentales. En el año 2016 el incremento del rendimiento agrícola, respecto al testigo, en el tratamiento Ta.13 fue de 20,45 %, en el Ta.78 fue de 28,99 % y en el 2017 fue de 22,70 % para el tratamiento Ta.13 y de 29,80 % para Ta.78.

Barras con letras desiguales difieren significativamente según Prueba de Rangos Múltiples de Duncan para p<0,05
Figura 1.  Rendimiento agrícola de plantas de arroz sin inocular (ST) e inoculadas con dos cepas de T. asperellum (Ta.13 y Ta.78), cultivadas en condiciones de campo en un suelo Gleysol Nodular Ferruginoso Petroférrico.

El incremento del rendimiento agrícola no se define al final de ciclo (1), se define desde el momento en que se preparan las condiciones de suelo, se le da tratamiento a la semilla, se realiza el manejo del agua de riego, se hace el control de las arvenses, la fertilización y el control fitosanitario. Lograr hacer con eficiencia todas estas actividades agrotécnicas al cultivo garantiza un mayor crecimiento y desarrollo de la planta de arroz. Los resultados alcanzados en esta investigación indicaron un manejo agronómico que permitió obtener un rendimiento superior a la media nacional (4) para el tratamiento testigo, el cual fue significativamente menor que los tratamientos donde se aplicó biopreparado de Trichoderma (cepas Ta.13 y Ta.78) a la semilla como alternativa agroecológica. El tratamiento a la semilla con Trichoderma, permitió incrementos en las variables fisiológicas en la altura de las plantas, masa seca área de la planta, largo de la raíz y masa seca de la raíz. A la vez, se contribuyó al aumento de los componentes del rendimiento (P_m2 y GLL_P), disminuyó el número de P_inf_m2 y el número de G_V por panículas. Todas estas variables están relacionadas directamente con el rendimiento agrícola alcanzado. En otras investigaciones en arroz se evidenció que la aplicación de diferentes cepas de Trichoderma en condiciones de campo, adicionalmente mostraron efecto estimulante, que se tradujo en un mayor crecimiento en la planta, lo que repercutió en el rendimiento agrícola del cultivo (7,14). Otros autores demostraron resultados similares en cuanto al potencial que tiene la aplicación de Trichoderma en promover el rendimiento en cultivos tales como, ajo “Allium sativum L.” (19), tomate “Solanum lycopersicum L.” (23) y en el caso específico del arroz “Oryza sativa L.” (14,24), pero en otras condiciones de suelo, de clima y métodos de aplicación con diferentes cepas de Trichoderma.

Conclusiones

 
  • La aplicación de las cepas de T. asperellum (Ta13 y Ta.78), muestran una tendencia al incremento en la presencia de Trichoderma spp. en el suelo Gleysol Nodular ferruginoso petroférrico en condiciones de cultivo del arroz con riego.

  • La aplicación de bioproductos a base de cepas de T. asperellum (Ta.13 y Ta.78), mediante la imbibición de la semilla por un periodo de 24 horas incrementan el crecimiento y el desarrollo de la planta de arroz, además del rendimiento agrícola entre un 20 y un 30 %.

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Cultivos Tropicales Vol. 43, No. 1, enero-marzo 2022, ISSN: 1819-4087
 
Original article

Application of two strains of Trichoderma asperellum S. as a growth stimulant in rice cultivation

 

iDMichel Ruiz-Sánchez1*

iDAnayza Echeverría-Hernández1

iDYaumara Muñoz-Hernández2

iDAlexeis Y. Martínez-Robaina3

iDAriel Cruz-Triana1


1Unidad Científico Tecnológica de Base "Los Palacios", Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA). Carretera La Francia km 1½, Los Palacios, Pinar del Río, Cuba. CP 22 900.

2Universidad “Hermanos Saiz Montes de Oca”. Centro Universitario Municipal Los Palacios.

3Universidad “Hermanos Saiz Montes de Oca”. Facultad de Ciencias Forestales y Agropecuarias. Departamento de Ciencias agropecuarias.

 

*Author for correspondence: mich762016@gmail.com

Abstract

The research was conducted in the low rainfall periods of 2016 and 2017 at the Scientific- Technological Base Unit "Los Palacios", with the aim of evaluating the effect of two T. asperellum strains application on the physiology and agricultural yield in the rice cultivar INCA LP-5. Inoculation was performed prior to sowing by imbibing the seeds in a biopreparation of T. asperellum (strains Ta.13 and Ta.78), at a dose of 5 x 106 conidia x g seed-1 and drying in the shade for 24 h. A Randomized Block Experimental Design was followed, with four replicates and a control with untreated seed was used. At 120 days after emergence, plant height, the percentage of Trichoderma spp. colonized in the soil, aerial dry mass, root length and root dry mass, as well as agricultural yield and its components were evaluated. It was obtained that the application of T. asperellum (Ta.13 and Ta.78) strains, provoked a tendency to the increase in the Trichoderma spp. presence in the Gleysol Nodular ferruginous ferruginous petroferric soil in rice cultivation conditions with irrigation. The growth and rice plant developments were stimulated, as well as the agricultural yield between 20 and 30 %, with respect to the treatment without Trichoderma. Strain Ta.78 was the one that promoted best results.

Key words: 
agricultural yield, agro-ecology, alternative

Introduction

 

Crop yield is usually the attribute that is the main focus of breeding programs and varietal selection decisions. It is the end result of growth and development processes, which are regulated by genetic factors, environmental conditions, and genotype-environment interactions over a plant's growth period (1).

Rice (Oryza sativa L.) is the most consumed cereal, after wheat, worldwide, with a per capita of 53.9 kg (2) and rice and wheat consumption is expected to increase by 1.7 % and 1.0 %, respectively (3). In Cuba, current commercial cultivars have shown a yield potential that exceeds 7 t ha-1; however, despite the existence in the country of favorable climate and soil conditions for the growth and development of this cereal, in the last five years the yield has not exceeded 3.43 t ha-1 on average (4). Achieving high yields to meet food demand in the case of rice is a national priority. Since the 1990s, there has been a decline in Cuban rice production, forcing the country to import more than US$100 million annually (5).

Non-compliance with the technological regulations for this crop, as well as the low availability of inputs (fertilizers and pesticides) are among the causes that have had a negative impact on the decrease in yields of this crop. Faced with this problem, an alternative could be the use of Trichoderma spp. as it presents direct and indirect mechanisms of action as a biological control agent and stimulator of plant growth. These microorganisms have the capacity to solubilize nutritive elements, that in their original form, are not accessible to plants and create a favorable environment to the radical development, which increases the plant tolerance to biotic and abiotic stresses (6,7), so it can be considered a biostimulant (8).

In a general sense, Trichoderma is used as a biological control against soil diseases. National Center for Animal and Plant Health (CENSA) has strains of Trichoderma asperellum Samuels, Lieckfeldt and Nirenberg, identified and characterized, physiologically and molecularly, that have manifested a good control on agents of the soil causing diseases in rice, beans and others (9,10).

In the scientific literature there is a lack of information on studies that provide a clear picture of how Trichoderma enhances growth and development in rice plants, cultivated under flood irrigation system. Therefore, the aim of the present study was to evaluate the effect of two T. asperellum strains application on physiology and agricultural yield in the rice cultivar INCA LP-5.

Materials and methods

 

The research was carried out at the Basic Scientific and Technological Unit "Los Palacios" (UCTB "Los Palacios"), Cuba, at 22°34'32.73'' N and 83°14'11.95.95'' W, belonging to the Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), with rice plants cv. INCA LP-5, which were inoculated before sowing with T. asperellum (strains Ta.13 and Ta.78). The experiment was conducted under field conditions, always in the same area in the low rainfall periods of 2016 and 2017, in a soil that was classified as petroferric Ferruginous Nodular Gleysol (11) and it was characterized by a slightly acid pH (6.46); low organic matter (OM) content (2.86); exchangeable cations with typical contents for this type of soil and considered low; low assimilable phosphorus (P) (46.80 mg kg-1) (12). The behavior of the meteorological variables during the experimental period was registered in the Meteorological Station # 317 of Paso Real de San Diego in the municipality "Los Palacios" from Pinar del Río province, Cuba, which is at an average distance of 4 km.

The experimental area (0.6 ha) was prepared starting with the soil rototilling up to 0.20 m depth by dry soil preparation technology, with dry sowing at a dose of 120 kg ha-1 of seed (5). Prior to sowing, rice seeds were washed with running water three times in succession and all those that floated together with foreign matter at the time of washing were discarded. Seeds were then dried in the shade for 24 hours; then the biopreparation was applied at a dose of 5 x 106 conidia x g seed-1 based on Trichoderma strains (Ta.13 and Ta.78) in 1 L of water separately, with 5 mL of 810 SL adherent, to achieve greater adhesion of the product to the seed; which were covered with the biopreparation for a period of 24 hours.

At the same time the standard treatment was prepared without application of Trichoderma (control), to conform experimental treatments. After 24 hours of the application, the sowing was carried out in plots of 9 m2, following a Randomized Block Experimental Design, with four replications and a control with untreated seed was used.

Treatments

 
  • Seeds without Trichoderma (WT)

  • Seeds with Trichoderma (Ta.13)

  • Seeds with Trichoderma (Ta.78)

Irrigation, herbicide application and fertilization were carried out according to the Technical Standards for Rice Cultivation (5).

Sampling and evaluations

 

In both experimental years, sampling and evaluation were carried out following the same methodology. At 120 days after emergence (DAE) in the maturation phase, plant height (PH) was evaluated, which was measured in 10 plants per replicate, for a total of 40 per treatment, from the soil surface to the upper end of the leaf projected in the same direction of the stem (13) and expressed in cm.

The presence of Trichoderma was determined by taking five soil samples (0-10 cm) per replicate, for a total of 20 per treatment, close to the root zone of plants in each replicate. The samples were shaken in a beaker and five 100 μL aliquots of the soil suspensions (10-3 dilution) were extracted per sample. They were seeded on plates with PDA medium supplemented with amoxicillin (500 mg L-1) in order to avoid contamination of the medium (14).

Subsequently, three plants per replicate were carefully extracted, for a total of 12 per treatment, with the help of a shovel, which made it possible to go deep into the soil and thus extract as much root mass as possible. The aerial part was separated from the root. Roots were washed with abundant water to remove adhering soil and dried with absorbent paper, then the length of the root was measured and expressed in cm. Both sections of the plant were kept in an oven with forced air at 70 ºC until constant mass was reached, which was measured on a technical balance (Denver Instrument PK-601), the result obtained was expressed in g plant-1.

The experiment harvest was carried out at 142 DAE, at which time the number of panicles per square meter (P_m2) was evaluated. For this purpose, 1 m2 of rice was cut per replicate, for a total of 4 m2 per treatment, and all stems with and without spike (P_inf_m2) or the number of infertile stems per m2 were counted (13). In addition, 20 panicles were harvested per replicate, for a total of 80 panicles per treatment.

To determine the agricultural yield (t ha-1), the methodology proposed by IRRI (13) was followed. A sample of 4 m2 per replicate was taken, for a total of 16 m2 per treatment. The samples were dried in the sun until the moisture content reached 14 %, then they were winnowed to eliminate impurities and weighed on a three-digit electronic balance (Ferton Electronic Balance) with an accuracy of 0.046 g.

Statistical analysis

 

After checking the assumptions of normality and homogeneity of variance (Bartlett's and Kolmogórov-Smirnov test, respectively) for each variable, the data were processed by means of a Simple Rank Analysis of Variance and when significant differences existed, the means were doubled, according to Duncan's Multiple Range Test (p<0.05). STATGRAPHICS CENTURION version 16.1 on Windows was used to the statistical analysis.

Results and discussion

 

In general, climatic variables that influenced during the research favored the growth and development of the crop. Temperatures were not extreme over time, the minimum temperatures, in the first stage of crop growth; that is, in the vegetative phase up to 70 DAE were 18.4 ºC in 2016 and in 2017 19.2 ºC, on average. However, temperatures were compensated with maximums of 27.5 ºC in 2016 and in 2017 of 28.6 ºC, on average. These thermal variations conditioned that the crop cycle behaved for this cultivar (INCA LP-5) as a medium cycle. In this regard, it was assured that maximum and minimum temperature ranges above 18 ºC and below 30 ºC are favorable for an efficient development of the rice plant (15). On the other hand, research has shown that the cycle lengthening for the cultivar INCA LP-5 shows a tendency to be below 20 ºC, when it is cultivated in the period with little rainfall and minimum temperatures (16).

Regarding rainfall, in 2016, the maximum rainfall occurred in the first decade of June, with values of 254.8 mm and in 2017 it was only 129.7 mm. During the research period, the Relative Humidity in 2016 fluctuated between 66 and 99 % and in 2017, between 66 and 90 %, values that did not constitute a limiting factor for the crop, because the variation ranges are within the permissible parameters for rice (17).

When analyzing the result of the soil sampling in function of the presence of Trichoderma spp. in the soil (Table 1), it was found a superior tendency of the colonies in treatments where T. asperellum strains were applied (Ta.13 and Ta.78). In both years of investigation, the highest presence was observed in the Ta.78 treatment, an increase that represented 10.11 % in 2016, with respect to the control. In 2017, the increase was 14.67 % for the Ta.78 treatment and 8.45 % for Ta.13 with respect to the control.

Table 1.  Results of soil sampling and morphological evaluations in uninoculated (WT) and inoculated rice plants with two T. asperellum strains (Ta.13 and Ta.78), in a Petroferric Ferruginous Nodular Gleysol soil.
Treatments PTS (%) PH (cm) ADM (g plant-1) R_L (cm) RDM (g plant-1)
2016 2017 2016 2017 2016 2017 2016 2017 2016 2017
WT 69,61 b 78,05 c 97,23 b 119,47 c 2,96 b 3,24 b 15,72 b 15,67 c 1,18 b 1,22 b
Ta.13 71,80 b 84,65 b 101,30 a 128,30 a 3,31 ab 3,73 ab 20,08 a 17,92 b 1,28 a 1,34 a
Ta.78 76,65 a 89,50 a 103,43 a 124,43 b 3,80 a 4,14 a 17,92 ab 21,33 a 1,33 a 1,38 a
SEx 0,788 0,518 0,865 0,780 0,193 0,176 1,091 1,012 0,023 0,015

Unequal letters differ significantly according to Duncan's Multiple Range Test for p<0,05

(PTS): presence of Trichoderma spp. in the soil; (PH): plant height; (ADM): aerial dry mass; (R_L): root length; (RDM): root dry mass; (WT): in uninoculated rice plants

The presence of Trichoderma spp. in the Gleysol soil suggests the life of these microorganisms in these soils and evidenced the high ecological plasticity of these soils, because this soil has been cultivated in rice monoculture with two annual productions each year in the UCTB "Los Palacios" and presents all the typical characteristics for this crop (18), in flooded conditions (5). Even when these conditions are of anaerobiosis, resident (native) Trichoderma species were able to colonize the edaphic medium. However, it should be noted that inoculation by imbibing the seeds with the strains of this fungus (Ta.13 and Ta.78) increased the presence of this fungus and, in turn, promoted growth and development in the plant.

The increase in the presence and colonization of the soil by Trichoderma spp. in the treatments with T. asperellum indicated that the management under field conditions did not limit the multiplication and development of the fungus, despite the fact that the water depth fluctuated between 10 and 15 cm. The water lamina remained in the crop from the time plants had five true leaves until 50 % of grain maturity, as recommended in the Rice Technical Instructions (5). Even when the period with lamina was superior to 90 days did not affect the presence and the soil colonization by Trichoderma spp. The survival of these fungi under these conditions, is possible because Trichoderma spores have a thick cellular wall (9) that isolates it from the environment and allows it to survive to adverse conditions, keeping it in dominance until the conditions are propitious for the germination. In this respect, it was assured that the Trichoderma dormancy spore is the main mechanism that allows this species to adapt to adverse conditions (9).

On the other hand, the application of different T. asperellum (Ta.13 and Ta.78) strains, caused differences in plant growth, with respect to the control without application (WT), even when a tendency in the presence of these strains in the soil was evidenced. In relation to the behavior of plant height (Table 2), it was found that, in both years (2016 and 2017) always the treatments with T. asperellum, showed the highest values in height with respect to the control.

The accumulation of aerial dry mass, root length and root dry mass in both years of research, showed the highest values of these variables (ADM, R_L and RDM) where T. asperellum was applied (Ta.13 and Ta.78), although for ADM the treatment with Ta.13 strain showed no difference with the control (WT), the same happened for the case of root length in the second year of research.

The increase that was appreciated in the physiological variables evaluated (PH, ADM and RDM) indicated the potential of this microorganism on the growth and development of rice plants, even though it showed a variable behavior, depending on Trichoderma strain used. Regarding plant height (10), a significant increase in height was demonstrated in young rice plants treated with T. asperellum. Similar results were reported, but with other Trichoderma strains and different heights of water lamina (14).

Other causes that could lead to the increase in the growth of plants, was a greater absorption of nutrients, from the symbiosis that is created between this microorganism and the rice plant and the stimulation that was found in the radical growth. In this respect, in other investigations it was evidenced that some species of Trichoderma promote the growth and improve the absorption of nutrients (19). The stimulation of growth can be due to the inhibition of minor pathogens in plant root, to the production of vitamins and to the conversion of nutrients (zinc, magnesium and potassium) in the soil, which are in a form not assimilated by plants (6). It was also demonstrated that the application of Trichoderma spp. in corn crop (Zea mays L.) colonized its roots and required less nitrogen fertilizer, than the untreated corn; which implied a saving of 35 to 40 % of fertilizer (9).

Growth stimulation evidenced the possible positive interaction between the plant and Trichoderma, which is regulated to ensure the benefits of both symbionts. The plant receives protection and more available nutrients and the fungus obtains organic compounds and a niche for growth. In this regard, it assured that it is possible to stimulate growth from the identification process of the symbionts via microorganism-plant signaling and after the symbiosis, the production of hormones related to plant growth (7). In relation to the production of hormones it was assured that Trichoderma species regulate metabolic pathways, as the production of auxins that promote the root growth (19). Another author reported that Trichoderma besides competing for the nutrients and the rhizosphere dominance, has the capacity to multiply in the soil and colonize roots of plants and in the multiplication process they produce hormones of growth such as; auxin, gibberilin and cytokinins that stimulate the germination of the seed and plant development (20).

Recent research has shown that, in the initial stages of interaction, metabolites such as auxins and protein compounds released by Trichoderma are perceived by roots, altering many hormonal mechanisms that control plant growth and development under normal or stress conditions (19). As a consequence, when the root system is colonized, the association is strengthened, providing protection to the root zone against pathogenic microorganisms and also developing the root system, which could improve the absorption of water and nutrients. In addition, plant growth is stimulated and resistance against pathogens is induced (7,21). This is why this fungus is considered a growth promoter, based on the production of secondary metabolites in the interaction (19).

Regarding the components of rice yield, it was found that the number of panicles per m2 (P_m2) was higher in both experimental years in treatments with T. asperellum (Ta.13 and Ta.78) compared to the control (Table 2). The highest P_m2 values corresponded to the Ta.78 treatment. However, the number of infertile panicles (P_inf_m2) showed an inverse behavior in both experimental years, i.e. the control treatment (WT) showed the highest number of infertile stems and there were no differences between the treatments where T. asperellum was applied (Ta.13 and Ta.78).

Table 2.  Agricultural yield components in rice plants uninoculated (WT) and inoculated with two strains of T. asperellum (Ta.13 and Ta.78). Evaluated in the 2016 and 2017 low rainfall seasons.
Treatments P_m2 P_inf_ m2 F_G E_G
2016 2017 2016 2017 2016 2017 2016 2017
WT 240,50 c 245,25 c 22,25 a 29,00 a 95,67 b 96,40 b 34,00 a 26,93 a
Ta.13 252,50 b 257,50 b 16,75 b 21,50 b 105,33 a 114,47 a 30,67 b 19,20 b
Ta.78 264,25 a 267,32 a 13,75 b 18,25 b 101,53 a 118,73 a 21,93 c 19,93 b
SEx 3,006 1,338 2,383 1,559 1,326 2,956 0,697 0,841

Unequal letters differ significantly according to Duncan's Multiple Range Test for p<0.05

(P_m2): panicles per m2; (P_inf_m2): infertile panicles per m2; (P_L): panicle length; (F_G: filled grains per panicle and (E_G): empty grains per panicle; (WT): in uninoculated rice plants

Regarding the filled grains per panicle (F_G) the highest values were found in the treatments where both Trichoderma (Ta.13 and Ta.78) strains were applied without differences between them. Concerning the empty grains per panicle (E_G) they showed an inverse behavior to the F_G, although in the first experimental year the lowest values of E_G corresponded to the treatment where the Ta.78 strain was applied.

In relation to agricultural yield components, the variables that contributed to the increase of the same in the treatments inoculated with T. asperellum were P_m2 and FG; and inversely P_inf_m2 and E_G, which are determined by the behavior of the variables of growth height of plants, aerial dry mass of the plant, root length and dry mass of the root, which showed increases due to the Trichoderma application effect. Specifically the increase of panicle number per plant in the treatments Ta.13 and Ta.78, can be related to the radical system development, expressed in this case as RDM, as other researchers have pointed out in rice crop (22,23), that assured a high correlation between the root growth and agricultural yield components.

Regarding agricultural yield in both years (2016 and 2017), it was found that always the treatments where the seed was treated with Trichoderma were superior to the control treatment (Figure 1) and the highest values corresponded to the Ta.78 treatment in both experimental years. In 2016 the increase in agricultural yield, with respect to the control, in the Ta.13 treatment was 20.45 %, in Ta.78 it was 28.99 % and in 2017 it was 22.70 % for the Ta.13 treatment and 29.80 % for Ta.78.

Bars with unequal letters differ significantly according to Duncan's Multiple Range Test for p<0.05
Figura 1.  Agricultural performance of rice plants uninoculated (WT) and inoculated with two strains of T. asperellum (Ta.13 and Ta.78), grown under field conditions in a Petroferric Ferruginous Nodular Gleysol soil.

The increase in agricultural yield is not defined at the end of the cycle (1), it is defined from the moment the soil conditions are prepared, the seed is treated, irrigation water is managed, and weed control, fertilization and phytosanitary control are carried out. Efficiently carrying out all these agro-technical activities on the crop guarantees greater growth and development of the rice plant. The results achieved in this research indicated an agronomic management that allowed obtaining a yield higher than the national average (4) for the control treatment, which was significantly lower than the treatments where Trichoderma biopreparation (strains Ta.13 and Ta.78) was applied to the seed as an agroecological alternative.

The treatment to the seed with Trichoderma, allowed increases in the physiological variables in the height of the plants, aerial dry mass of the plant, root length and root dry mass. At the same time, it contributed to the increase of yield components (P_m2 and FG_P), decreased the number of P_inf_m2 and the number of E_G per panicle. All these variables are directly related to the agricultural yield achieved. In other researches in rice it was evidenced that the application of different strains of Trichoderma in field conditions, additionally showed stimulating effect, which was translated in a greater growth in the plant, which had repercussion in the agricultural yield of the crop (7,14). Other authors demonstrated similar results regarding the potential that Trichoderma application has in promoting the yield in crops such as, garlic "Allium sativum L." (19), tomato "Solanum lycopersicum L." (23) and in the specific case of rice "Oryza sativa L." (14,24), but in other conditions of soil, climate and application methods with different Trichoderma strains.

Conclusions

 
  • The application of T. asperellum (Ta.13 and Ta.78) strains, show a tendency to increase the presence of Trichoderma spp. in the Gleysol Nodular ferruginous petroferric soil in conditions of rice crop with irrigation.

  • The application of bioproducts based on T. asperellum strains (Ta.13 and Ta.78), through seed imbibition for a period of 24 hours increase the growth and development of the rice plant, in addition to the agricultural yield between 20 and 30 %.