Las plagas y enfermedades constituyen una de las principales problemáticas asociadas a la producción agrícola y forestal, representando una permanente amenaza para los cultivos, la industria y la seguridad alimentaria. El cambio climático, las prácticas agrícolas, la aplicación inadecuada de moléculas químicas sintéticas y la movilidad humana son factores que facilitan la expansión de plagas, vectores y enfermedades.
Los productos de control de origen sintético han sido fundamentales para el control de plagas y enfermedades y el aumento de los rendimientos y calidad de los cultivos. Sin embargo, debe reconocerse que su abuso ha causado problemas ambientales y de resistencia de plagas y enfermedades, además de problemas sobre la salud humana. Afortunadamente, las nuevas moléculas, de menor toxicidad para el ser humano y ambientalmente más amigables, están siendo complementadas o sustituidas por productos de origen natural como extractos vegetales, aceites o por organismos vivos como parasitoides y microorganismos, en parte por la creciente demanda en la reducción del uso de los productos sintéticos debido a preocupaciones ambientales y de salud humana, además de los problemas de resistencia a los plaguicidas. Estos productos son parte del control biológico, definido como la supresión de las poblaciones de plagas o patógenos de plantas a través del uso de organismos vivos (Heimpel & Mills, 2017).
Dentro de los microorganismos empleados en el control biológico se encuentran los denominados entomopatógenos y aquellos conocidos como antagonistas. Los primeros son capaces de afectar directamente alguno o varios estadios de los insectos o artrópodos (ácaros, por ejemplo), causando una enfermedad en la plaga, conduciéndola a la muerte después de un periodo breve de contacto. Los microorganismos entomopatógenos más comunes son virus, nematodos, hongos y bacterias. El segundo grupo, microorganismos antagonistas (bacterias, levaduras y hongos filamentosos) tienen la capacidad de ejercer un efecto de control sobre patógenos de interés, a través de distintos mecanismos (Figura 2), y se emplean para controlar enfermedades en plantas o animales.
Durante muchos años, el papel de los microorganismos para el control de plagas y enfermedades se había limitado a unas pocas especies microbianas de las que se obtuvieron desarrollos biotecnológicos conocidos como bioinsecticidas, biofungicidas o biobactericidas. Esta situación está cambiando debido al advenimiento de la secuenciación de alto rendimiento, las “ómicas” funcionales y las tecnologías de edición de genes, que aceleran significativamente el descubrimiento de microorganismos, además de una mejor comprensión de las funciones microbianas en comunidades complejas y en relación a sistemas biológicos. También hay evidencia abrumadora de que los microorganismos simbióticos (asociados obligatoriamente a insectos) juegan un papel fundamental en la configuración de varios rasgos de los insectos.
MICROORGANISMOS COMO ENTOMOPATÓGENOS
Estos agentes de control son utilizados comercialmente desde hace más de cuatro décadas. Se conocen más de 700 especies de hongos entomopatógenos, sin embargo, comercialmente solo existen poco más de 10 como importantes agentes de control biológico de insectos y ácaros, capaces de ocasionar epizootias y permitir el control masivo de plagas. Las especies más importantes se distribuyen en las clases de los Zigomicetos (orden Entomophthorales) , Ascomicetos (en particular los géneros Cordyceps y Torrubiella) y Deuteromicetos (la mayoría), siendo estos últimos los más conocidos y empleados (Tabla 1).
HONGOS ENTOMOPATÓGENOS
Los hongos entomopatógenos se caracterizan por infectar todas las etapas de la vida de los insectos y ácaros, aunque algunos se especializan en estados larvales. Se encuentran en hábitats acuáticos, terrestres y subterráneos y el mecanismo de acción es por contacto de esporas, germinación sobre la cutícula o en el intestino, invasión del insecto por vía cutánea, seguida de una rápida proliferación de las células fúngicas en el interior del insecto, dado que el hongo utiliza los carbohidratos, lípidos y proteínas del insecto para producir biomasa. Posteriormente las hifas emergen del insecto distribuyendo las esporas o propágulos en el ambiente (Figura 1).
Los hongos son por tanto los únicos patógenos capaces de infectar a insectos con aparato bucal picador, chupador.
Junto con este mecanismo físico, algunos hongos (Lecanicillium lecanii, por ejemplo) producen toxinas que afectan el sistema nervioso de los insectos (Foto 1 y Tabla 2). Algunos hongos entomopatógenos presentan parasitismo obligado en el hospedero, mientras que otros son patógenos oportunistas que pueden sobrevivir saprofiticamente (alimentándose de materia orgánica del suelo) en ausencia de un insecto vivo. Los ciclos de vida de los parásitos obligados, como las especies del género Coelomomyces, pueden incluso envolver hospederos intermediarios.
La producción de hongos entomopatógenos se lleva a cabo de diferentes formas, pero, en general, se trata de fermentaciones sólidas en las que se emplean granos húmedos y estériles (principalmente arroz, pero también trigo, cebada, garbanzo, o mezclas de ellos) sobre los cuales, y a condiciones de temperatura media, se espera la reproducción del hongo en pocos días.
FACTORES QUE AFECTAN LA ACTIVIDAD DE HONGOS ENTOMOPATÓGENOS
Muchos factores, tanto ambientales como bióticos, influyen en la eficacia de los productos (desarrollo o inhibición de epizootias causadas por hongos entomopatógenos). Entre ellos, la formulación del producto, su concentración y actividad del hongo. En especial cuando el producto es aplicado directamente lavando el arroz, la eficacia depende en alta medida de la sensibilidad a la radiación solar que tenga la cepa seleccionada, la presencia de lluvia (pues arrastra el inóculo), además de los antagonistas microbianos nativos presentes en la planta.
Otro factor que afecta la eficacia de los productos es el comportamiento y ciclo del hospedero, condiciones fisiológicas, vigor y edad del patógeno, presencia de plaguicidas, temperatura, humedad y cantidad de inóculo apropiadas. De esta forma, para lograr expresar el potencial epizoótico de los hongos entomopatógenos es necesario conocer no solo la virulencia y capacidad infectiva de la cepa seleccionada, el uso adecuado del propágulo, formulación, dosis, tiempo de aplicación, sino también las técnicas de control sobre ellos a través de la optimización de las prácticas culturales, formulación y manipulación del medio ambiente. Es importante, además, que la plaga se encuentre en el estadio susceptible cuando se aplique el producto y que las condiciones ambientales sean favorables al hongo. Además, debe considerarse la compatibilidad con otros productos de control aplicados, en especial fungicidas.
BACTERIAS UTILIZADAS EN EL CONTROL DE INSECTOS
Las bacterias entomopatógenas pertenecen solo a un pequeño grupo de familias como Bacillaceae, Enterobact eriaceae, Micrococcace ae, Pseudomonadaceae, and Streptococcaceae. Sin embargo, Bacillusthuringiensis (Bt) en sus diferentes subespecies (thuringiensis, israelensis, kurstaki, aizawai, morrisoni, thompsoni) es la bacteria más estudiada, producida y usada mundialmente con propósitos de control de plagas.
Su efecto radica en la producción de toxinas que se activan en el intestino, cuando la larva ingiere la bacteria causando ruptura de células e infección masiva o septicemia en el insecto (Figura 1). Según Clifton et al. (2020), en la actualidad existen más de 40 productos diferentes a base de Bt, los cuales representan cerca del 1% del total del mercado global de insecticidas, con un valor de aproximadamente 210M de dólares/año). Además de Bacillus, existen otras especies de bacterias como Pseudomonas entomófila, que infecta larvas de Drosophila melanogaster.
Estas bacterias son habitantes de suelo, sin embargo, muchas son dependientes del hospedero y solo se encuentran en suelo las endosporas. Paenibacillus popilliae y Paenibacilluslentimorbus son patógenos obligados de larvas de coleópteros y requieren del insecto hospedero para crecer y esporular.
MICROORGANISMOS COMO ANTAGONISTASCONTROL DE ENFERMEDADES
Muchos son los microorganismos que participan en el control de enfermedades, algunos muy utilizados a nivel agrícola como Trichoderma sp. o Bacillus sp. Estas especies presentan diferentes mecanismos de acción y, por ello, su efecto sobre el control de enfermedades es el resultado de la suma de factores, más que de una sola actividad. Estos organismos se conocen tradicionalmente como antagonistas, pero esa característica puede ser directa o indirecta.
El control directo se ejerce a su vez por diferentes mecanismos como hiperparasitismo, competencia por espacio o nutrientes, antibiosis (producción de metabolitos), producción de enzimas hidrolíticas, sideróforos, o quorumsensing. Este último proceso, traducido como detección de quórum, es un proceso de comunicación célula a célula que permite a las bacterias compartir información sobre la densidad celular y ajustar consecuentemente su expresión génica. Facilita expresar procesos energéticamente costosos de forma colectiva solo cuando se maximiza el impacto de esos procesos en el medio ambiente o sobre un hospedero. Entre los muchos rasgos controlados por la detección de quórum se encuentra la expresión de factores de virulencia de bacterias, lo que influye directamente sobre su capacidad de control.
Como mecanismos de control indirecto se incluyen la inducción de resistencia, interferencia de la virulencia del patógeno, o cambios en los niveles hormonales y que pueden resultar incluso por la colonización de raíces por microorganismos (PGPM u hongos de micorriza) o endofitismo.
Pese a que se conocen muchos de estos mecanismos y que seguramente el avance de las técnicas moleculares y bioquímicas darán mayor información en un futuro cercano, lo cierto es que los productos de control se registran de acuerdo a un modo de acción, pero los microorganismos (cuando se emplea el organismo vivo en el producto), presentan simultáneamente varios modos de acción. Esto hace que el control biológico, en especial por antagonistas, sea tan complejo de estudiar; reducirlo a la evaluación in vitro o in vivo, sin evaluar el entorno, podría resultar en la pérdida de conocimiento en el potencial real del microorganismo y, por ende, del producto.
Trichoderma sp.
Trichoderma spp. es un microorganismo muy conocido por su efecto antagónico sobre hongos patógenos. Su efecto incluye hiperparasitismo, en el que se producen enzimas hidrolíticas que permeabilizan y degradan la pared celular de los hongos como uno de los pasos clave en el control exitoso de las enfermedades fungosas. Una vez que se incrementa la permeabilidad de la pared celular, se facilita la entrada posterior de metabolitos antimicrobianos secundarios y se inician otros procesos relacionados, por ejemplo, con la producción de inhibidores enzimáticos (Foto 2).
Se ha descrito, por ejemplo, que cepas de Trichoderma harzianum aplicadas en campo, son capaces de producir proteasas in situ que restringen las enzimas de Botrytis cinerea, además de reducir la actividad de enzimas del patógeno como pectinasa, quitinasa y cutinasa, que son esenciales para lograr la infección sobre la planta; al mismo tiempo, el hongo antagonista puede inducir resistencia localizada y sistémica.
LEVADURAS EN POSTCOSECHA
Un ejemplo del uso eficiente del hiperparasitismo en la protección de frutas (cítricos, uva, etc.) contra patógenos y oportunistas de postcosecha se revela con el uso de levaduras epifiticas como Pichia sp., Zygosaccharomyces o Kloeckera apiculata (Angulo et al., 2017). Las levaduras son organismos unicelulares capaces de multiplicarse rápidamente en condiciones favorables y mantenerse unidas a la superficie de la fruta que normalmente es rica en nutrientes. Como consumen un amplio rango de carbohidratos (mono y disacáridos) y varias fuentes de N, compiten eficientemente contra Penicillum sp., B. cinerea o Colletotrichum spp.
Asimismo, las levaduras también pueden establecer relaciones como endófitos de especies tanto forestales como agrícolas. Saccharomyces cerevisiae, Rhodotorula y Cryptococcus sp. aparentemente prosperan de manera simbiótica o mutualista, colonizando virtualmente diversos tejidos vegetales en los cuales pueden causar cambios estructurales. Consumen azúcares y asimilan los aminoácidos generados por la planta, y contribuyen al bienestar de la planta y a la respuesta al estrés de muchas formas diferentes, incluida la producción de fitohormonas, enzimas como la catalasa o sideróforos.
BACTERIAS ANTAGONISTAS
Entre las bacterias antagonistas los géneros Bacillus y Pseudomonas han sido tradicionalmente los más empleados y si bien su principal forma de acción es la antibiosis, también se reconocen efectos en la inducción de resistencia sistémica y como bacterias promotoras de crecimiento vegetal (PGPB). El género Bacillus representa un gran grupo de bacterias Gram + que forman endosporas y se encuentran en diferentes ambientes como suelo, agua o plantas, como habitantes de rizosfera, endófitos o epifitos.
Desde el punto de v ista biotecnológ ico, Bacillus subtilis es uno de los más estudiados y comercializados debido a su amplia gama de metabolitos secundarios antimicrobianos. Junto a esta bacteria, B. amyliliqueafaciens también es reconocido antagonista y cerca del 8% de su genoma está involucrado en la producción de bacteriocinas, péptidos, poliquétidos y sideróforos con características antimicrobiales. Igualmente existen en el mercado de biocontroladores otras especies menos conocidas como B. licheniformis; B. velezensis; B. pumilus; B brevis; B. megaterium, B. mycoides, B. sphaericus, B.mojavensis, B. pasteurii, productores muy eficientes de moléculas antibióticas.
Pseudomonas sp., es un género bacteriano conocido por colonizar diferentes ambientes de la planta, encontrándose tanto en rizosfera, como endófito y epifito donde Pseudomonas spp. utiliza la motilidad flagelar para llegar a sitios más favorables, además de sintetizar sideróforos o biosurfactantes como syringafactina para aumentar la disponibilidad de agua en la superficie de las hojas y utilizar efectores para filtrar agua de las células al apoplasto (Foto 3).
Además de estas ventajas ecológicas para la colonización de la filósfera y formación de biofilms, muchas especies son capaces de producir compuestos antimicrobianos como quinolinas, compuestos volátiles como cianuro (CN), lipopéptidos y ramnolipidos efectivos en el control de hongos formadores de zoosporas como Phytium y Phytopthora junto con inducir moléculas químicas y genes de defensa como respuestas inmunes en plantas.
En relación con las bacterias, el descubrimiento de efectos y los desarrollos biotecnológicos han permitido reconocer otros géneros como como Serratia, Sphingomonas, Brevibacillus, sin dejar de lado las actinobacterias (Actinomycetes como Streptomyces o Gordonia sp.), estudiadas y de uso en diferentes cultivo, no solo por el control de enfermedades, sino tambien por ser bacterias promotoras de crecimiento vegetal (Foto 4).
Otras bacterias como Pseudozyma flocculosa es antagonista del hongo causante de mildiú polvoroso (Sphaeroteca sp.), un patógeno obligado (patógeno biotrófico) de vid y otros cultivos. Si bien la bacteria no es capaz de penetrar en las células, causa una muerte celular rápida mediante la producción de ácido 6-metil9-heptadecanoico y un glicolípido – floculosina, es decir por antibiosis en conjunto con otros modos de acción.
MANEJO DE LA MICROFLORA AUTÓCTONA
Dado que los patógenos se encuentran como parte de un ecosistema, también se considera en el control biológico, la aplicación de compuestos específicos o sustratos complejos que modulen la composición de la microbiota autóctona con el objetivo de mejorar la supresión microbiana de patógenos vegetales (Mazzola y Freilich, 2017), lo que se ha llamado control biológico de conservación. En este, se busca mejorar la disponibilidad de nutrientes para las poblaciones de insectos beneficiosos (cultivos atrayentes) de forma que se consideran prebióticos.
Asimismo, también se considera la selección y aplicación de cepas “auxiliares” (Massart et al., 2015) que no tienen propiedades de control biológico por sí mismas, pero apoyan a los microorganismos de control biológico en el establecimiento, la supervivencia y la actividad antagonista in situ.
CONSIDERACIONES FINALES
En la actualidad la aproximación al control biológico se encuentra en una fase de rápido cambio, con los métodos de secuenciación de nueva generación (NGS) como la metagenómica y la metatranscriptómica, que permiten identificar la composición y funciones del microbioma, y avances en metametabolómica y señalómica, se espera conocer las interacciones entre los microorganismos introducidos y el microbiota residente.
Igualmente los avances en el campo de la agricultura de precisión y la bioquímica, han demostrado que los efectos de control que ejerce un determinado microorganismo o consorcio, también están modulados por los requerimientos nutricionales, disponibilidad de carbono en el suelo y que la competencia por los micronutrientes, por ejemplo Zn y Mn, juega un papel durante la interacción planta – patógeno – antagonista, por lo que se podrá entender mejor no solo los mecanismos sino también los efectos de las prácticas integradas para lograr un control más eficiente de plagas y enfermedades.
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