Efecto diferencial dependiente de fosfato de la variabilidad de hongo micorrízico sobre indicadores biológicos y bioquímicos de calidad del suelo en cultivo in situ de yuca en Kenia

Abstract

La rizósfera es un sistema interconectado muy importante en la salud y crecimiento de las plantas. Alberga toda clase de microorganismos que participan en la defensa, enriquecimiento de diversidad, biodisponibilidad de nutrientes y promoción del crecimiento de las plantas. El uso del hongo micorrícico arbuscular Rhizophagus irregularis en agroecología es una estrategia atractiva, dado que el hongo incrementa la biodisponibilidad del fosfato para las plantas. Esto potencialmente disminuye la necesidad de fertilización y es muy útil, especialmente en ambientes tropicales, donde los niveles de fosfato son bajos. La presencia del hongo también incrementa la productividad, lo que es muy importante en cultivos de yuca (Manihot esculenta), ya que alimenta a gran parte de la población, incluyendo a las de regiones que sufren recurrentes episodios de hambruna. Aunque R. irregularis es un organismo ubicuo, su extensa y compleja variabilidad genética podría causar diferentes efectos en el microbioma del suelo. Dado que los hongos micorrícicos también exhiben un impacto en la estructura del suelo, es posible que impacten la biodisponibilidad de materia orgánica a los microorganismos del suelo, afectando tasas de respiración o actividades enzimáticas de la comunidad microbiana del suelo. Todos estos factores son importantes indicadores de calidad del suelo, cuyo monitoreo es crucial para asegurar un sistema agroecológico sano. Se planteó la hipótesis de que la variabilidad genética entre líneas de R. irregularis impacta diferentemente los indicadores de calidad del suelo como la respiración, actividades enzimáticas, carbono orgánico total y biomasa microbiana del suelo, dependiente a el nivel de fertilización fosfato empleado, en cultivos in situ de yuca en Kenia. A manera de dilucidar este posible impacto, se estudiaron los efectos de la aplicación de cuatro líneas de alta variabilidad de R. irregularis en cultivos de yuca, sobre indicadores de calidad del suelo. El primer objetivo fue evaluar el impacto de la variabilidad entre cepas sobre la biomasa microbiana (Cmic) y carbono orgánico total (COT) del suelo. Para ello se empleó el método de fumigación con cloroformo y análisis de carbono elemental. Los resultados sugieren que no hay una influencia asociada a la variabilidad genética de R. irregularis sobre el COT y el Cmic. Esto parece ser independiente al nivel de fosfato. El segundo objetivo de este trabajo fue comparar la respiración del suelo tras la inoculación de las distintas cepas Para ello se midió liberación de CO2 por incubación en viales de vidrio herméticos. Se observó que el nivel de fertilización fosfatada puede acentuar o disminuir el efecto diferencial entre cepas genéticamente variables de R. irregularis sobre la liberación de CO2. Sin embargo, el nivel de fosfato no influyó en el efecto de una misma cepa de manera significativa. El tercer objetivo fue evaluar el efecto de la inoculación de las diferentes líneas sobre las actividades enzimáticas de β-glucosidasa (BG), leucina-aminopeptidasa (LA) y fosfatasa ácida (FAc). Se midió la velocidad de reacción enzimática tras la administración de sustratos marcados. Se observó que el nivel de fertilización fosfatada puede determinar el efecto diferencial entre cepas genéticamente variables de R. irregularis sobre la velocidad de reacción de BG del suelo. Sin embargo, el nivel de fosfato no influye en el efecto de una misma cepa sobre BG, de manera significativa. No se encontraron diferencias significativas en las velocidades de reacción LA y FAc medidos, asociadas a la variabilidad genética de R. irregularis en el cultivo de yuca en Ukwala-Kawayo, Kenia. Este estudio da una visión de cómo los indicadores de calidad del suelo bioquímicos contribuyen al monitoreo inóculos de hongos micorrícicos en sistemas agroecológicos para aprovechar sus servicios ecosistémicos. Se concluye que es necesario ampliar los conocimientos a través de la investigación para definir el nivel de fosfato necesario para el desempeño óptimo de cada cepa a nivel de campo. Se requiere un monitoreo más extensivo y local, para evaluar un posible impacto en el COT, así como la mejora de las técnicas de monitoreo en cuanto a capacidad de procesamiento. Esta es la primera vez que se monitorean las actividades enzimáticas de BG, LA y FAc de suelo en un campo comercial de yuca en Ukwala-Kawayo, Kenia, inoculados con R. irregularis, por lo que los resultados aquí reportados son antecedentes importantes de comparación para estudios posteriores

The rhizosphere is very important in plant health and growth. As an integrated ecosystem it hosts all sorts of microorganisms that participate in plant defense, ecosystem diversity enrichment, nutrient availability and plant growth promotion. The use of mycorrhizal fungi Rhizophagus irregularis in agroecology is an attractive strategy because the fungus makes phosphate more available to plants, and this potentially decreases the need to fertilize. This is very useful, especially in tropical environments where the levels of phosphate are low. The presence of mycorrhizal fungi greatly increases crop productivity. This is especially important in cassava (Manihot esculenta) because this crop feeds a great part of the human population, including regions with recurrent starvation episodes. Even though R. irregularis is a ubiquitous organism, its large and complex genomic variability could cause different effects in soil microbiome. Because mycorrhizal fungi also exhibit an impact on soil structure, it is possible that they will affect the organic matter availability to microorganisms in soils, affecting soil respiration rates or enzymatic activities of the soil microbial community. All these possible impacted factors by mycorrhizal presence are important soil quality indicators, whose monitoring is crucial to assure a healthy agroecosystem. It was hypothesized that the genetic variability between R. irregularis lines impacts soil quality indicators such as soil respiration, enzymatic activities, total organic carbon and microbial biomass, depending on the level of phosphate fertilization used, on in situ cassava crops in Kenya. In order to determine their impact, the effects of four highly variable R. irregularis strains on soil quality indicators where studied after their application in cassava crops in Kenia. The first aim was to evaluate the impact of the variability between strains on the microbial biomass (Cmic) and total organic carbon (COT) of the soil. The fumigation method with chloroform and analysis of elemental carbon was used. Results suggested that there is no significant influence on the COT and Cmic associated to the genetic variability of R. irregularis. This appears to be independent of the phosphate fertilization level. The second aim was to compare soil respiration after inoculation of the different strains. CO2 release was measured by incubation of soil in hermetic glass vials. Measurements indicated that phosphate levels influence CO2 release of genetically variable R. irregularis lines. However, phosphate level did not influence the differential effect within a single R. irregularis line. The third aim was to evaluate the effect of the inoculation of the different lines on enzymatic activities of β-glucosidase (BG), leucine-aminopeptidase (LA) and acid phosphatase (FAc). Enzymatic reaction rates were measured after the administration of labeled substrates to soil samples. Results obtained suggest that phosphate levels have differential effects on the enzymatic rates of BG in the different R. irregularis lines, but this difference was not significant within a single fungus line. No significant effects were found on enzymatic rates of LA and FAc, associated with genetic variability of R. irregularis. Similarly, phosphate fertilization did not influence these enzymes. This study provides insights of how biochemical soil quality indicators contribute to monitor mycorrhizal fungal inocula on agroecosystems, in order to take advantage of their ecosystemic services. In conclusion, it is necessary to expand our research defining phosphate levels for optimal performance of each R. irregularis genetic line under field conditions. Extensive and local monitoring is required to evaluate possible impacts on COT, as well as an improvement of monitoring techniques in terms of processing capacity. This is the first time that the enzymatic activities of BG, LA and FAc were monitored on a commercial cassava crop inoculated with R. irregularis in Kenya. The results reported here provide important comparative background for further studies