Tecnología biológica LCO

Resúmen.

En la campaña 2016, el material DEKALB 7310VT3P en su versión RIB tendrá una innovación biológica agregada al tratamiento de semillas Acceleron®: la tecnología LCO.
 - LCO es una molécula señal natural, liberada por microorganismos del suelo para la comunicación entre estos y las plantas.

Abundantes estudios desarrollados en condiciones frecuentes de producción en la región templada de Argentina muestran, entre otros, los siguientes beneficios de su aplicación en cultivos de maíz:

• Mayor uniformidad de implantación de los cultivos.
• Menor proporción de plantas con crecimiento reducido.
• Mejor aspecto aéreo del cultivo medido como vigor.
• Aumentos medios del 3,3 % en la producción de granos fundamentalmente en sitios con Argiudoles Típicos y en fechas óptimas de siembra. En toda la región maicera la respuesta media de los rendimientos es del 1,7%.

Introducción.

Los rendimientos alcanzables por los cultivos dependen de la selección de factores que lo determinan (genotipo, fecha de siembra, tipo de suelo); lo limitan (disponibilidad de agua y nutrientes) y por último lo reducen (enfermedades y plagas). La acción de estos factores sobre el crecimiento y producción no es independiente y se definen abundantes interacciones que explican la brecha entre los rendimientos logrados en sistemas reales de producción y los esperables al reducirse limitaciones al rendimiento. El mejoramiento en la calidad de la microflora de suelos agrícolas a partir de la incorporación de organismos seleccionados por sus funciones en diversos procesos que contribuyen con la implantación, desarrollo y producción de cultivos es una alternativa que contribuiría al logro de mejores cultivos. 

Recientemente se conoce que la aplicación de moléculas de origen biológico (compuestos activos en la comunicación entre microorganismos y con las plantas) también es una alternativa al mejoramiento de la producción de los cultivos. En este sentido los Lipo-quito-oligosacáridos (LCO según sus siglas en inglés) se componen de una familia de compuestos estrechamente relacionados que incluyen a los Factores de Nodulación de rizobios (“Nod factors”) y de micorrización (“Myc factors”). Estas moléculas son producidas en el suelo por varios microorganismos que viven de forma simbiótica con plantas. El resultado de estas asociaciones entre plantas y microorganismos se refleja en una mejora de la nutrición de las plantas, especialmente la disponibilidad de Nitrógeno (N), de Fósforo (P), de Potasio (K) e incluso algunos micronutrientes, de forma directa (simbiosis) o indirecta (mayor eficiencia de captación y uso de nutrientes por mejoras en crecimiento en respuesta a la liberación de compuestos de señalización biótica).

La asociación simbiótica y el proceso de nodulación entre plantas e inoculantes agrícolas como Bradyrhizobium spp., Rhizobium spp. y micorrizas fueron establecidos, estudiados y documentados desde hace varios años (Parniske, 2008). Las especies de rizobios forman nódulos activos fijadores de N en plantas leguminosas, y las micorrizas forman fácilmente asociaciones simbióticas productivas con otras familias de cultivos además de las leguminosas. Al igual que los rizobios, las micorrizas también actúan en las raíces de las plantas. El valor simbiótico de las micorrizas hacia las plantas es conocido e incluye: i) aumentos de la superficie efectiva de las raíces para la absorción de nutrientes, ii) mejoras en la accesibilidad de nutrientes mas allá de la superficie de la raíz por liberación de compuestos de solubilización organomineral, iii) aumento de capacidad de las raíces para absorber agua y nutrientes del suelo. Todos estos procesos mejoran el crecimiento y la salud de las plantas durante su desarrollo y producción (Jansa et al., 2003; Tanaka and Yano, 2005; Bolan, 1991; Gringera et al., 2007; Karasawa et al., 2002, Smith et al., 2015).

Otros aspectos técnicos del proceso simbiótico toman importancia desde la iniciación o comunicación química hasta la asociación “amigable” entre microorganismos y las raíces de plantas. Para que se establezcan eficientemente estas relaciones simbióticas, este proceso genera cambios que ocurren en ambos organismos y es actualmente un área de gran interés de investigación académica. Estos mecanismos aún no se encuentran completamente explicados en la literatura y se están tratando de elucidar dando sustento a las mejoras descriptas tanto sobre plantas individuales como en cultivos.

La actividad de los LCO producidos por los factores “Nod” y los factores “Myc” está estrechamente relacionada entre sí en su función biológica. Esto es así porque, en sus orígenes, tuvieron una evolución en común ya que las micorrizas desarrollaron el sistema simbiótico de las plantas antes de que los rizobios obtengan la habilidad de las micorrizas (Gough y Cullimore, 2011). A medida que familias de plantas no leguminosas evolucionaron (ej. maíz), pudieron retener en su constitución genética parte de la capacidad de percibir receptores moleculares y parte del sistema bioquímico para la asociación con rizobios y los LCO que en sus orígenes ancestrales estaban presentes en leguminosas. Los compuestos de LCO producidos por factores “Nod” y factores “Myc” son similares químicamente y comparten mecanismos parecidos de reconocimiento por parte de las plantas generando respuestas que conducen a la elongación de pelos radicales, procesos de nodulación y de micorrización (Gough and Cullimore, 2011). Además, los LCO producidos por rizobios pueden promover el crecimiento inicial de propágulos luego de la germinación de esporas micorríticas, mejorando la colonización de las raíces por las hifas de estos hongos tanto en especies de leguminosas como en no leguminosas (Xie et al., 1995). Los flavonoides son compuestos promotores de la liberación de LCO en rizobios y su aplicación sobre semillas de maíz o de soja ha mostrado mejoras en el crecimiento y producción de estas especies (Tabla 1).

Tabla 1. Efectos de la aplicación de flavonoides (flavonoides totales 10 mM, comprendiendo genisteina y daidzeina en una proporción de 8:2 p/p) y de LCO aplicados sobre semillas de soja y de maíz (aproximadamente 1 x 10-9 M LCO) sobre rendimientos de grano. DMS = diferencia mínima significativa (Smith y Osburn, 2013).

Las esporas de micorrizas en germinación producen LCO-Myc que son estructuralmente muy similares a los LCO-Nod y son reconocidos de forma equivalente por las raíces de las plantas estimulando mecanismos de respuestas semejantes (Gough y Cullimore, 2011). Ambas clases de compuestos LCO inducen a la formación de raíces laterales y pelos radicales en el proceso de la nodulación de leguminosas como así también del proceso simbiótico de micorrización en diferentes especies. La combinación de LCO y micorrizas permite una actividad pre-simbiótica de estos microorganismos con las plantas de forma más temprana y mayor en comparación con las micorrizas sin presencia de LCO (Olah et al., 2005). 

La promoción a la formación de raíces laterales, ya sea por el agregado de inoculantes con LCO-Nod o LCO-Myc está relacionado con el proceso simbiótico y es muy distinto al proceso bioquímico de formación de raíces cuando se agregan hormonas tipo auxinas (Olah et al., 2005). La actividad radicular de las plantas esperada por una molécula como el LCO es muy distinta a la esperada por la de las hormonas, ya que la primera es liderada por microorganismos y la segunda ocurre a través de receptores químicos. En general, estos receptores tienen funciones tales como la regulación del crecimiento de las plantas, geotropismo, dominancia apical, maduración, desarrollo y son independientes de procesos simbióticos con microorganismos del suelo.

El agregado de los LCO de forma directa en la rizósfera de los suelos (espacio intimo comprendido entre la raíz de una planta y el suelo) o indirectamente a través del tratamiento de semillas genera la oportunidad de iniciar el proceso pre-simbiótico en una etapa más temprana de la germinación de las plantas (relación entre microorganismos benéficos) y a su vez en la etapa crítica de emergencia del cultivo (relacionamiento entre microorganismos y plantas). Esto extiende el periodo de asociación simbiótica en comparación con el mismo cultivo sin el agregado de LCO. Este proceso ocurre naturalmente en los sistemas de cultivos dado que los suelos con rotaciones de maíz, de soja u otras especies en producción contienen abundante cantidad de rizobios y hongos micorríticos en sus microbiomas (Karasawa et al., 2002). La aplicación adicional de LCO facilita el inicio del proceso superando estadíos de variada intensidad de relacionamiento simbiótico. La aplicación de LCO en tratamientos de semillas es una oportunidad para adelantar y prolongar el proceso simbiótico que estos microorganismos benéficos tienen con las plantas tanto de leguminosas como de otras familias mejorando la absorción de agua y de nutrientes por las plantas dado el mayor desarrollo del sistema radical. 

Si bien abundan los estudios en condiciones controladas de laboratorio e invernáculo que muestran beneficios de la aplicación de LCO sobre las semillas y sus efectos sobre el crecimiento de las plantas en condiciones extensivas son escasos. Díaz Zorita y col, (2010) mostraron la contribución en rendimiento final en el cultivo de maíz en el orden del 2% para aplicaciones en tratamientos de semillas durante la campaña 2009/2010. En este documento se resumen algunos de los resultados en condiciones extensivas de producción de maíz representativas de la región templada argentina para las últimas campañas.

Evaluación de la tecnología en Argentina.

Ubicación de los ensayos y su manejo.

Durante seis (6) campañas (2009/10 a 20014/15) y en un total de 81 sitios en diferentes localidades de la región pampeana argentina (Figura 1) se evaluó el comportamiento de la aplicación de una formulación líquida compuesta por Lipo-quito-oligosacáridos (LCO) en soporte acuoso desarrollado y producido por Novozymes (Milwaukee, WI, USA). El ingrediente activo son moléculas señal Lipo-quito-oligosacáridos formados por un esqueleto de N-acetilglucosamina con una longitud de entre 3 y 5 unidades sacarídica (estructura similar a la quitina). En el grupo amino se unen variados ácidos grasos de cadena 16C-18C con diferente grado de saturación y otros grupos funcionales.

En la Tabla 1 se describen las campañas evaluadas, tipos de suelos y momento de siembra donde se realizaron los ensayos. Las fechas de siembra “óptimas” se definen como aquellas realizadas sobre fines de septiembre y durante octubre en gran parte de la región o en noviembre-diciembre en sitios donde la siembra anticipada no es agronómicamente recomendable. Las fechas “demoradas” de siembra son las realizadas hacia fines de noviembre y durante diciembre en sitios donde la siembra temprana es una práctica agronómicamente recomendable. Además, en la campaña 2015/16 se establecieron franjas comparativas en 32 condiciones extensivas de producción (“franjas en lotes de productores”) dispuestas en la región templada argentina y con aplicación del tratamiento con LCO en combinación con el tratamiento con compuestos sintéticos de semillas anticipados al menos 50 días al momento de la siembra.

Tabla 1. Características de los sitios y fechas de siembra donde fue evaluado el tratamiento biológico de aplicación industrial con LCO.

En todos los casos, y para este documento, los tratamientos sobre semillas de maíz evaluados fueron dos (2): i) Testigo sin tratamiento biológico y ii) tratado con la formulación de LCO. En ambos tratamientos, las semillas de maíz presentaban tratamientos con las formulaciones químicas sintéticas (funguicidas e insecticidas) comerciales. Los momentos de aplicación del tratamiento biológico con LCO variaron entre 30 y hasta 510 días previos a la siembra. Esta formulación biológica, al no contener microorganismos vivos en su composición, permite su incorporación en procesos industriales de tratamientos de semillas anticipados a la siembra.

Los cultivos se desarrollaron manteniendo las prácticas recomendadas para alcanzar altos rendimientos (i.e. híbridos, fechas de siembra, sistemas de labranzas, fertilización, etc.) según las diferentes regiones de producción.
Para este estudio se analizaron los efectos de la aplicación del tratamiento biológico con LCO sobre la producción de granos. En cada sitio los tratamientos se ubicaron en parcelas de al menos 10 m de longitud y 5 surcos de ancho aleatorizadas y con 4 replicas. Las diferencias entre los tratamientos con y sin aplicación de LCO, se determinaron según pruebas de comparación de significancias de medias de t según un diseño en parcelas apareadas donde el promedio de las observaciones de cada sitio fue considerado como una réplica.

Evaluaciones en cada sitio de franjas extensivas en la campaña 2015/16:

1) Plantas emergidas en implantación por el recuento de plantas emergidas/ha aproximadamente entre 15 y 30 días desde la siembra.

2) Uniformidad temporal de implantación según evaluación cuantitativa de variabilidad con respecto al “estado fenológico” medio de los cultivos. Se definió como fallas en la “uniformidad temporal de implantación” al promedio de plantas que se desvía por encima o por debajo de un (“1”) estadio fenológico con respecto a la planta promedio del punto de muestreo realizado. Por ejemplo, si la planta promedio del punto de muestra se encuentra en V2, las plantas que estén en V1 o menor y V3 o mayor fueron consideradas como “fallas en la uniformidad temporal” (i.e.”des-uniforme”).

3) Índice de vigor aéreo del tratamiento (escala 1 a 5) según la evaluación semi-cuantitativa integrando coloración, biomasa, cobertura, sanidad, etc. (“aspecto agronómico”) del cultivo con respecto al control sin aplicación del tratamiento bajo estudio. La interpretación de la escala de evaluación es:
1 = Mucho peor que el Control.
2 = Peor que el Control.
3 = Igual al “Tratamiento Control”.
4 = Mejor que el Control.
5 = Mucho mejor que el Control.

4) Proporción de plantas con crecimiento reducido (“Plantas Chicas”) a partir de la cualitativa del “tamaño” de la planta de maíz. Se define “Planta Chica” a aquella planta que tiene al menos el 50 % de diferencia de tamaño con respecto a la planta promedio del punto de muestreo a realizar la medición y evaluada sobre el mismo estadio fenológico. Para esto se contaron sobre 100 plantas consecutivas en un mismo surco el número de “Plantas Chicas” expresando los resultados en porcentaje.

5) Producción de granos y componentes del rendimiento (peso de mil granos) en madurez comercial por cosecha mecánica de las franjas en toda su extensión (mayor a 100 m de longitud).

Las evaluaciones 1), 2), 3) y 4) se realizaron en 3 sectores dentro de cada franja apareada entre los tratamientos bajo estudio.

Resultados de evaluación de rendimientos de maíz en ensayos en parcelas (campañas 2009/10 a 20014/15)

En los 81 sitios evaluados durante las 6 campañas de estudio, los rendimientos de maíz variaron entre 4000 y 14000 kg/ha mostrando una respuesta promedio al tratamiento con LCO de 138 kg/ha. La mejora porcentual de rendimiento fue equivalente al 1,7%. Las semillas tratadas con LCO presentaron diferencias estadísticamente significativas con respecto a control sólo con la aplicación de tratamientos químicos sintéticos (insecticidas y fungicidas). En un analisis promedio a traves de todos los sitios, campañas y condiciones ambientales, las respuestas halladas al tratamiento de LCO presentaron un amplio rango de variación llegando hasta 732 kg/ha y mostrando interacciones que según fechas de siembra y tipos de suelo que explicaron parte de esta variabilidad. La eficiacia agronómica según la proporción de casos con mejoras en la producción de granos fue de 57%.

Al analizar estos resultados según los diferentes tipos de suelo y fechas de siembra se observa que las respuestas al tratamiento biológico con LCO fueron en promedio mayores en aquellos sitios donde se realizaron en fechas óptimas de siembra y en sitios con suelos clasificados como Argiudoles Típicos (Tabla 2). Estas respuestas validan que la presencia de los compuestos LCO contribuyen a sostener el crecimiento temprano principalmente frente a condiciones estresantes tales como temperaturas reducidas predominantes en siembras tempranas óptimas, anoxias temporales frecuentes en suelos de texturas finas, etc.

Tabla 2. Rendimientos promedio para diferentes tratamientos de aplicación en la semilla con una formulación líquida con Lipo-quito-oligosacárido (LCO) en relación al rendimiento promedio del testigo, para 47 sitios, durante seis campañas agrícolas (2009/10 a 14/15), para suelos Argiudoles típicos y fecha de siembra Optima.

Una vez identificado el potencial de la tecnología según la fecha de siembra y el tipo de suelo, la información generada permitió relacionar linealmente el rendimiento de los cultivos con semillas tratadas con LCO en comparación con los rendimientos aquellos con aplicación de tratamientos sintéticos (Figura 2). Este análisis mostró que la respuesta en producción de los cultivos con aplicación de la formulación conteniendo LCO mejoró al incrementarse la producción media alcanzable del sitio.

Resultados de evaluaciones en cultivos de maíz en ensayos franjas extensivas (campaña 2015/16)
Durante la campaña 2015/16, se realizaron 32 ensayos de maíz en franjas en diferentes lotes de productores de la zona núcleo maicera evaluar en condiciones extensivas de producción el comportamiento del agregado de LCO en los tratamientos de semillas en combinación con Acceleron®. El antecesor fue mayormente soja y según la fecha de siembra se establecieron 23 sitios en “siembra óptima” y 9 en “siembra demorada”. En todos los casos, el material utilizado fue DK 7310VT3 Pro.

En la figura 3, se resumen los resultados con los parámetros de implantación obtenidos hasta el momento de los 23 sitios de fecha temprana. Estos en promedio muestran que los cultivos con el agregado de LCO en el tratamiento de semillas tendieron alcanzar mejores parámetros de implantación que validan la respuesta de las plantas a la aplicación de este tratamiento biológico. Los parámetros evaluados mostraron,

• Mayor número de plantas logradas (>3%),
• Menor desuniformidad fenológica (<27%),
• Menor frecuencia de plantas con crecimiento reducido (<22%), y
• Mayor vigor aéreo del cultivo (>5%).

Conclusiones.

La tecnología LCO es un desarrollo novel a partir de la aplicación industrial de una molécula señal biológica de origen natural. Los compuestos LCO participan activamente en múltiples e importantes procesos de comunicación entre microorganismos del suelo y las plantas tales como micorrización y procesos de crecimiento.
Al aplicarse sobre semillas de maíz como parte de su tratamiento industrial con terápicos sintéticos contribuye a sostener el crecimiento inicial de las plantas mejorando el crecimiento del cultivo ante condiciones de estrés abiótico de implantación.
Este tratamiento ha sido evaluado en variados ambientes de producción de maíz en la región templada de Argentina, y en otras regiones, mostrando mayores tasas de emergencia de crecimiento durante la implantación de los cultivos.
Resultados recientes validan su aporte al cultivo al mejorar la uniformidad de plantación, el crecimiento de las plantas y su vigor aéreo. En promedio, su aporte evaluado durante 6 campañas y 47 sitios en fechas óptimas de siembra y en suelos predominantes en la región templada maicera argentina fue equivalente a mejoras del 3,3% en los rendimientos sobre la producción gracias a la aplicación de esta tecnología biológica.

Referencias.

Bolan (1991). A critical review on the role of mycorrhizal fungi in the uptake of phosphorus by plants. Plant and Soil 134:189-207.
Díaz Zorita M., Micucci F.G., Baliña R.M., y Fernández Canigia M.V. Los Lipo-quito-oligosacaridos en la producción de Maíz (Zea Mays) (2010). AINBA, IX Congreso Nacional de Maíz. Rosario.
Gough, C., y Cullimore, J. (2011). Lipo-chitooligosaccharide signaling in endosymbiotic plant-microbe interactions. MPMI 24(8): 867-878.
Gringera, M.S.; Drijber, R.A.; y Weinhold, B.J. (2007). Increased abundance of arbuscular mycorrhizae fungi in soil coincides with the reproductive stages of maize. Soil Biology & Biochemistry. 39:1401-1409.
Jansa, J., Mozafar, A., y Frossard, E. (2003). Long-distance transport of P and Zn through the hyphae of an arbuscular mycorrhizal fungus in symbiosis with maize. Agronomie 23: 481-488. 
Karasawa, T., Kasahara, Y., y Takebe, M. (2002). Differences in growth responses of maize to preceding cropping caused by fluctuation in the population of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi. Soil & Biochemistry 34: 851-857.
Olah, B., Briere, C., Becard, G., Denarie, J., y Gough, C. (2005). Nod factors and a diffusible factor from arbuscular mycorrhizal fungi stimulate lateral root formation in Medicago trunculata via the DMI1/DMI2 signalling pathway. The Plant Journal 44: 195-207.
Parniske, M. (2008). Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses. Nature Reviews Microbiology 6: 763-775.
Smith, R.S., y Osburn, R.M. (2013). Lipo-chitooligosaccharide combination compositions for enhanced plant growth and yield. US 8,357,631 assigned to Novozymes Bioag Inc.
Smith, S., Habib, A., Kang, Y., Leggett, M., Diaz-Zorita, M. (2015). LCO Applications Provide Improved Responses with Legumes and Nonlegumes. Biological Nitrogen Fixation, Volume 2, First Edition. Edited by Frans J. de Bruijn, Chapter 107.
Tanaka, Y., y Yano, K. (2005). Nitrogen delivery to maize via mycorrhizal hyphae depends on the form of N supplied. Plant, Cell and Environment. 28:1247-1254.
Xie, Z.-P., Staehelin, C., Vierheilig, H., Wiemken, A., Jabbouri, S., Broughton, W.J., Vogeli-Lange, R., y Boller, T. (1995). Rhizobial nodulation factors stimulate mycorrhizal colonization of nodulating and nonnodulating soybeans. Plant Physiol. 108: 1519-1525.