Introducción

La soya (Glycine max (L.) Merrill) se encuentra entre los diez cultivos de mayor importancia en el mundo (11. USDA. World Production, Markets, and Trade Reports. Browse Data y Analysis. Foreign Agricultural Service/USDA Office of Global Analysis (blog). 2019. Available from: https://www.fas.usda.gov/data/search?search_api_views_fulltext=soybean), con un área cultivable de más de 53 millones de hectáreas (22. Mammadov J, Buyyarapu R, Guttikonda SK, Parliament K, Abdurakhmonov IY, Kumpatla SP. Wild Relatives of Maize, Rice, Cotton, and Soybean: Treasure Troves for Tolerance to Biotic and Abiotic Stresses. Front Plant Sci. 2018; 28(9):886. doi: http://doi.org/10.3389/fpls.2018.00886.), conocida por su amplia gama de aplicaciones agrícolas, alimentarias e industriales, así como por sus beneficios para la salud (33. Cabanos C, Matsuoka Y, Maruyama N. Soybean proteins/peptides: A review on their importance, biosynthesis, vacuolar sorting, and accumulation in seeds. Peptides. 2021; 143:170598. doi: http://doi.org/10.1016/j.peptides.2021.170598.). En Cuba, aún no se ha logrado cultivar en grandes extensiones; sin embargo, se continúa trabajando en seleccionar y desarrollar genotipos nacionales y foráneos que se adapten a las condiciones edafoclimáticas del país y que tengan buenas potencialidades productivas. Un modo de obtener nuevos cultivares con propiedades deseables desde el punto de vista agrícola, como es un mayor potencial de rendimiento y mayor adaptabilidad a condiciones de estrés abiótico, es la inducción de mutaciones mediante el uso de rayos gamma. El empleo de este método ha permitido obtener un conjunto de cultivares en el Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), los cuales se destacan por su resistencia a virosis y buenos rendimientos (44. González M C, Guillama R. CUVIN-22. Cultivar de soya (Glycine max Merril) de grano negro. Cultivos Tropicales. 2021; 42(4, Supl.1), e02. Epub 30 de diciembre de 2021. Recuperado en 12 de octubre de 2022. Available from http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0258-59362021000500002&lng=es&tlng=es.).

Las plantas de soya se asocian a bacterias noduladoras, dentro de las que se encuentran las del género Bradyrhizobium, mediante un intercambio de señales que da como resultado una estrecha relación en la que ambos simbiontes se benefician (55. Ferguson BJ, Mens C, Hastwell AH, Zhang M, Su H, Jones CH, Chu X, Gresshoff PM. Legume nodulation: The host controls the party. Plant Cell Environ. 2019; 42(1):41-51. doi: http://doi.org/10.1111/pce.13348. Epub 2018 Jun 21. PMID: 29808564.). Los agricultores inoculan las semillas de soya con productos comerciales que contienen dichas cepas noduladoras, para asegurar altos rendimientos y sustituir el uso de fertilizante nitrogenado (66. Rong Li, Haifeng Chen, Zhonglu Yang, Songli Yuan, Xin’an Zhou. Research status of soybean symbiosis nitrogen fixation, Oil Crop Science, Volume 5, Issue 1, 2020, Pages 6-10, ISSN 2096-2428. Available from https://doi.org/10.1016/j.ocsci.2020.03.005.). Para ello, se seleccionan cepas afines al cultivo, que se destaquen por su capacidad de inducir la formación de nódulos y que presenten una alta actividad nitrofijadora en las condiciones edafoclimáticas imperantes (77. Machaculeha A, Kyei-Boahen S, Guimarães M F, Nogueira M A, Hungria M. Isolation, characterization and selection of indigenous Bradyrhizobium strains with outstanding symbiotic performance to increase soybean yields in Mozambique. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2017; 246, Pages 291-305, https://doi.org/10.1016/j.agee.2017.06.017.).

La inoculación de cepas de rizobios más eficientes en la nodulación y la fijación de nitrógeno en cultivares de soya más productivos y adaptados, constituye una alternativa biotecnológica atractiva para la producción de soya y para disminuir la fertilización del cultivo y los costos de producción. El presente trabajo tuvo como objetivo: seleccionar cepas de Bradyrhizobium en función de su capacidad para formar nódulos en seis cultivares cubanos de soya.

Materiales y métodos

El experimento se desarrolló en condiciones semicontroladas, con macetas que contenían 0,55 kg de suelo Ferralítico rojo. Se empleó un diseño completamente aleatorizado, se emplearon 10 plantas por tratamiento y el experimento se repitió dos veces.

Se emplearon seis cultivares obtenidos en el INCA, cuatro de ellos: Cuvi-02, Cuvi-22, Cuvi-84, Cuvi-99; por selección individual, a partir de mutantes procedentes del Instituto de Genética Agrícola de Vietnam. Los otros dos: Cuvin-22 y Cincuentenario, se obtuvieron por inducción de mutaciones con rayos gamma de ⁶⁰Co (200Gy).

Los cultivares de soya se inocularon con cinco cepas del género Bradyrhizobium, procedentes de diferentes países y conservadas en la colección de bacterias del departamento de Fisiología y Bioquímica Vegetal, del INCA: Bradyrhizobium elkani ICA 8001 y Bradyrhizobium sp. S1 (Cuba); Bradyrhizobium japonicum E-109 (Argentina), Bradyrhizobium japonicum USDA110 (Estados Unidos) y Bradyrhizobium elkanii 6134 (Bélgica). Todos con una concentración superior a 10⁸ UFC mL.

Se realizó un arreglo bifactorial, donde los factores fueron: cultivar con seis niveles (Cuvi-02, Cuvi-22, Cuvi-84, Cuvi-99, Cuvin-22 y Cincuentenario) y el factor cepa con cinco niveles (B. elkani ICA 8001, Bradyrhizobium sp. S1, B. japonicum E-109, B. japonicum USDA110 y B. elkanii 6134). A los 35 días post inoculación (dpi), se determinó: número de nódulos totales (u), efectividad nodular (%) y masa seca de nódulos totales (mg) por planta. Los datos se sometieron a la prueba de normalidad (test de Bartlett) y homogeneidad de varianza (test de Kormogorov-Smirnov). Se aplicó análisis de varianza de clasificación simple. Se utilizó el Test de comparación de medias de Tukey (p<0.05) para discriminar diferencias entre las medias. Se empleó el programa SPSS 21 para el procesamiento estadístico de los datos.

Resultados y discusión

Los resultados mostraron que hubo interacción entre los factores cepa de Bradyrhizobium y cultivar de soya, para las tres variables analizadas (p≤0.05). Aunque, en general, no se encontraron diferencias significativas entre los tratamientos en las variables que se analizaron, hubo algunos que se destacaron sobre otros. En el número de nódulos totales, se destacó el cultivar Cuvin 22 cuando se inoculó con las cepas ICA 8001, S1 y BJE-109; así como el cultivar Cuvi 22 inoculado con las cepas S1 y USDA 6134. Algo similar se constató en los valores de efectividad de nódulos para la fijación biológica de nitrógeno, con el empleo de la cepa S1 en el cultivar Cuvi 22 y el tratamiento no inoculado de ese mismo cultivar. Solo la inoculación de la cepa B. elkanii ICA 8001 en los cultivares Cuvin 22 y Cuvi 99, produjo un efecto superior a la del tratamiento no inoculado en ambos cultivares en la masa seca de nódulos, lo que muestra una interacción más eficiente de esta cepa con estos cultivares. La masa seca nodular constituye un indicativo del contenido de bacteroides dentro del nódulo, por lo que mayor cantidad de estas células funcionales, debe incidir en un aporte superior de nitrógeno a la planta (88. Bayou B, Nana E, Vincent L, Demelash K. Legume-rhizobium specificity effect on nodulation, biomass production and partitioning of faba bean (Vicia faba L.). Sci Rep., 2021; 11: 3678. doi: http://doi.org/10.1038/s41598-021-83235-8.). La cepa B. elkanii ICA 8001 se ha caracterizado por poseer atributos positivos como la capacidad de fijar nitrógeno, de producir fitohormonas como el ácido indol acético y poseer actividad de la enzima ACC desaminasa (99. Hernández I, Nápoles MC, Morales B. Caracterización de aislados de rizobios provenientes de nódulos de soya (Glycine max (L.)Merril) con potencialidades en la promoción del crecimiento vegetal. Cultivos Tropicales, 2015; 36 (1): 65-72.), lo cual le confiere ventajas en la promoción del crecimiento vegetal (Tabla 1).

Se evidenció un efecto de las cepas residentes en el suelo utilizado (Controles no inoculados), las cuales también mostraron la capacidad de asociarse a los cultivares en estudio y lograr resultados similares de nodulación a las que se inocularon. La eficiencia simbiótica de cepas naturalizadas con una mejor adaptación al ambiente, constituye un material genético promisorio para la selección de nuevos aislados (1010. Lagurara PF. Eficiencia simbiótica y capacidad competitiva de cepas de rizobios que nodulan soja en suelos con y sin historia del cultivo. [Tesis de Magíster en Ciencias Agrarias]. Montevideo, Uruguay; junio 2018. 90 p.), los que pudieran ejercer un efecto superior en la simbiosis con estos cultivares. Es importante considerar que no existen cepas indígenas o nativas en Cuba por no ser centro de origen de la soya. Sin embargo, las siembras sucesivas de esta leguminosa inoculada con rizobios introducidos, ha generado la aparición de cepas naturalizadas que han logrado adaptarse a las nuevas condiciones edafoclimáticas y que constituyen fuente de diversidad biológica para procesos de selección de cepas más efectivas en la fijación de N.

Conclusiones

Las diferentes cepas mostraron un comportamiento similar en el número de nódulos y su efectividad sobre los seis cultivares de soya evaluados. Sólo se obtuvieron diferencias con la inoculación de B. elkanii ICA 8001 en los cultivares Cuvin 22 y Cuvi 99, con respecto a la no inoculación de los mismos. Todos los cultivares mostraron una predisposición positiva para asociarse con cepas inoculadas o residentes, lo que debe evaluarse en estudios posteriores en condiciones de campo.

Introduction

Soybean (Glycine max (L.) Merrill) is among the ten most important crops in the world (11. USDA. World Production, Markets, and Trade Reports. Browse Data y Analysis. Foreign Agricultural Service/USDA Office of Global Analysis (blog). 2019. Available from: https://www.fas.usda.gov/data/search?search_api_views_fulltext=soybean), with a cultivable area of more than 53 million hectares (22. Mammadov J, Buyyarapu R, Guttikonda SK, Parliament K, Abdurakhmonov IY, Kumpatla SP. Wild Relatives of Maize, Rice, Cotton, and Soybean: Treasure Troves for Tolerance to Biotic and Abiotic Stresses. Front Plant Sci. 2018; 28(9):886. doi: http://doi.org/10.3389/fpls.2018.00886.), known for its wide range of agricultural, food and industrial applications, as well as for its health benefits (33. Cabanos C, Matsuoka Y, Maruyama N. Soybean proteins/peptides: A review on their importance, biosynthesis, vacuolar sorting, and accumulation in seeds. Peptides. 2021; 143:170598. doi: http://doi.org/10.1016/j.peptides.2021.170598.). In Cuba, it has not yet been cultivated in large extensions. However, work continues to select and develop national and foreign genotypes that are adapted to the soil and climatic conditions of the country and that have good productive potential. One way to obtain new cultivars with agriculturally desirable properties, such as higher yield potential and greater adaptability to abiotic stress conditions, is the induction of mutations using gamma rays. The use of this method has made it possible to obtain a set of cultivars at the National Institute of Agricultural Sciences, which stand out for their resistance to viruses and good yields (44. González M C, Guillama R. CUVIN-22. Cultivar de soya (Glycine max Merril) de grano negro. Cultivos Tropicales. 2021; 42(4, Supl.1), e02. Epub 30 de diciembre de 2021. Recuperado en 12 de octubre de 2022. Available from http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0258-59362021000500002&lng=es&tlng=es.).

Soybean plants associate with nodulating bacteria, among which are those of the Bradyrhizobium genus, through an exchange of signals that results in a close relationship in which both symbionts benefit (55. Ferguson BJ, Mens C, Hastwell AH, Zhang M, Su H, Jones CH, Chu X, Gresshoff PM. Legume nodulation: The host controls the party. Plant Cell Environ. 2019; 42(1):41-51. doi: http://doi.org/10.1111/pce.13348. Epub 2018 Jun 21. PMID: 29808564.). Farmers inoculate soybean seeds with commercial products containing these nodulating strains to ensure high yields and replace the use of nitrogen fertilizer (66. Rong Li, Haifeng Chen, Zhonglu Yang, Songli Yuan, Xin’an Zhou. Research status of soybean symbiosis nitrogen fixation, Oil Crop Science, Volume 5, Issue 1, 2020, Pages 6-10, ISSN 2096-2428. Available from https://doi.org/10.1016/j.ocsci.2020.03.005.). For this purpose, strains related to the crop are selected, which stand out for their ability to induce nodule formation and have a high nitrofixing activity under the prevailing soil and climatic conditions (77. Machaculeha A, Kyei-Boahen S, Guimarães M F, Nogueira M A, Hungria M. Isolation, characterization and selection of indigenous Bradyrhizobium strains with outstanding symbiotic performance to increase soybean yields in Mozambique. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2017; 246, Pages 291-305, https://doi.org/10.1016/j.agee.2017.06.017.).

The inoculation of rhizobial strains more efficient in nodulation and nitrogen fixation in more productive and adapted soybean cultivars constitutes an attractive biotechnological alternative for soybean production and for reducing crop fertilization and production costs. The present work had as objective to select Bradyrhizobium strains according to their capacity to form nodules in six Cuban soybean cultivars.

Materials and methods

The experiment was carried out under semi-controlled conditions, with pots containing 0.55 kg of red Ferrallitic soil. A completely randomized design was used, 10 plants were used per treatment and the experiment was repeated twice.

Six cultivars obtained at INCA were used, four of them: Cuvi-02, Cuvi-22, Cuvi-84, Cuvi-99; by individual selection, from mutants from the Institute of Agricultural Genetics of Vietnam. The other two: Cuvin-22 and Cincuentenario, were obtained by mutation induction with ⁶⁰Co gamma rays (200Gy).

The soybean cultivars were inoculated with five strains of the genus Bradyrhizobium, from different countries and conserved in the bacterial collection of the Department of Plant Physiology and Biochemistry of INCA: Bradyrhizobium elkani ICA 8001 and Bradyrhizobium sp. S1 (Cuba); Bradyrhizobium japonicum E-109 (Argentina), Bradyrhizobium japonicum USDA110 (United States) and Bradyrhizobium elkanii 6134 (Belgium). All with a concentration higher than 10⁸ CFU mL.

A bifactorial arrangement was performed, where the factors were: cultivar with six levels (Cuvi-02, Cuvi-22, Cuvi-84, Cuvi-99, Cuvin-22 and Cincuentenario) and the strain factor with five levels (B. elkani ICA 8001, Bradyrhizobium sp. S1, B. japonicum E-109, B. japonicum USDA110 and B. elkanii 6134). At 35 days post inoculation (dpi) the following were determined: total nodule number (u), nodule effectiveness (%) and total nodule dry mass (mg) per plant. Data were tested for normality (Bartlett's test) and homogeneity of variance (Kormogorov-Smirnov test). Simple rank analysis of variance was applied. Tukey's mean comparison test (p<0.05) was used to discriminate differences between means. The SPSS 21 program was used for statistical processing of the data.

Results and discussion

The results showed that there was interaction between the factors Bradyrhizobium strain and soybean cultivar in the three variables analyzed (p≤0.05). Although mostly no significant differences were found among the treatments in the variables analyzed, there were some that stood out over others. In the number of total nodules, the cultivar Cuvin 22 stood out when inoculated with strains ICA 8001, S1 and BJE-109; as well as the cultivar Cuvi 22 inoculated with strains S1 and USDA 6134. Something similar was found in the values of nodule effectiveness for biological nitrogen fixation, with the use of strain S1 in the cultivar Cuvi 22 and the non-inoculated treatment of the same cultivar. Only the inoculation of strain B. elkanii ICA 8001 on cultivars Cuvin 22 and Cuvi 99 produced a higher effect than the non-inoculated treatment on both cultivars in the dry mass of nodules, which shows a more efficient interaction of this strain with these cultivars. The dry mass of nodules is indicative of the bacteroid content within the nodule, so that a greater amount of these functional cells should result in a higher nitrogen supply to the plant (88. Bayou B, Nana E, Vincent L, Demelash K. Legume-rhizobium specificity effect on nodulation, biomass production and partitioning of faba bean (Vicia faba L.). Sci Rep., 2021; 11: 3678. doi: http://doi.org/10.1038/s41598-021-83235-8.). Strain B. elkanii ICA 8001 has been characterized for having positive attributes such as the capacity to fix nitrogen, to produce phytohormones such as indole acetic acid and to possess ACC deaminase enzyme activity (99. Hernández I, Nápoles MC, Morales B. Caracterización de aislados de rizobios provenientes de nódulos de soya (Glycine max (L.)Merril) con potencialidades en la promoción del crecimiento vegetal. Cultivos Tropicales, 2015; 36 (1): 65-72.), which confers advantages in the promotion of plant growth (Table 1).

There was evidence of an effect of the resident strains in the soil used (non-inoculated controls), which also showed the ability to associate with the cultivars under study and achieve similar nodulation results to those that were inoculated. The symbiotic efficiency of naturalized strains with a better adaptation to the environment constitutes a promising genetic material for the selection of new isolates (1010. Lagurara PF. Eficiencia simbiótica y capacidad competitiva de cepas de rizobios que nodulan soja en suelos con y sin historia del cultivo. [Tesis de Magíster en Ciencias Agrarias]. Montevideo, Uruguay; junio 2018. 90 p.), which could exert a superior effect in symbiosis with these cultivars. It is important to consider that there are no indigenous or native strains in Cuba because it is not the center of origin of soybean. However, successive sowings of this legume inoculated with introduced rhizobia have generated the appearance of naturalized strains that have managed to adapt to the new edaphoclimatic conditions and that constitute a source of biological diversity for processes of selection of more effective strains in N fixation.

Conclusions

Different strains showed similar behavior in the number of nodules and their effectiveness on the six soybean cultivars evaluated. Differences were only obtained with the inoculation of B. elkanii ICA 8001 on the cultivars Cuvin 22 and Cuvi 99, with respect to the non-inoculation of these cultivars. All cultivars showed a positive predisposition to associate with inoculated or resident strains, which should be evaluated in further studies under field conditions.