Impact of Trichoderma on the microbiome of wheat crop plants and its biostimulant potential under water stress conditions

Resumen

La agricultura es uno de los pilares básicos de la sociedad actual, cuyo crecimiento constante demanda un aumento de la producción de los cultivos para asegurar el abastecimiento de toda la población. Sin embargo, todas las predicciones apuntan a que en los próximos años el cambio climático afectará negativamente a la producción de cultivos y la seguridad alimentaria en todo el mundo. El trigo es uno de los cultivos más consumidos a nivel mundial y constituye un alimento base y en muchos casos necesario en la dieta de una gran parte de los seres humanos y también de los animales. Sin embargo, su producción se ve negativamente afectada por los episodios de sequía, cada vez más intensos y frecuentes a causa del cambio climático. En este contexto, la agricultura moderna tiene como desafío conseguir un aumento de la producción agrícola, así como la resiliencia y adaptación de los cultivos a la variación de las condiciones medioambientales. No obstante, las prácticas agrícolas actuales son altamente dependientes del uso de agroquímicos, cuya inadecuada y, en muchos casos, indiscriminada aplicación está causando problemas de contaminación y pérdida de la biodiversidad del suelo. En los últimos años, el uso de microorganismos como bioestimulantes y biofertilizantes ha surgido como una alternativa prometedora para sustituir o reducir los insumos químicos en los sistemas agrícolas. La presente tesis doctoral está enfocada en estudiar el potencial de Trichoderma como bioestimulante en plantas de trigo en condiciones de escasez de agua, así como el efecto de su aplicación en el microbioma de este cultivo. Los capítulos I y II describen, respectivamente, la Introducción y el estado del arte, y los Objetivos de esta tesis doctoral. El capítulo III se centra en analizar el impacto de la aplicación de Trichoderma harzianum T34 en el microbioma de plantas de trigo procedentes de un ensayo de campo, realizado siguiendo las prácticas agrícolas comunes en Castilla y León, bajo condiciones de alta fertilización basal nitrogenada. También se analizó el efecto de la aplicación de T34 y la fertilización nitrogenada de cobertera en la producción del cultivo, sin que se observaran cambios significativos en ninguno de los casos, aunque la fertilización de cobertera sí que incrementó varios parámetros relacionados con la calidad del grano. Para estudiar la composición del microbioma de las plantas de trigo se llevó a cabo la secuenciación de las comunidades bacterianas y fúngicas asociadas a muestras de suelo, rizosfera y endosfera de raíz. Los resultados mostraron diferencias en la riqueza y diversidad microbiana entre compartimentos, con una disminución gradual de los géneros microbianos desde el suelo hasta la endosfera de la raíz. En general, la aplicación de la fertilización nitrogenada de cobertera modificó en mayor medida el microbioma bacteriano del suelo que la aplicación de la cepa T34. Curiosamente, algunos géneros de bacterianos beneficiosos que se encontraban afectados negativamente por la fertilización química, se vieron aumentados con la aplicación de T34. Asimismo, la aplicación de T34 aumentó los niveles la micorriza Claroideoglomus en la rizosfera. La interacción entre Trichoderma y la planta de trigo es un proceso altamente complejo, donde la regulación fitohormonal juega un papel esencial. El capítulo IV describe el perfil de producción de fitohormonas (GAs, CKs, ABA, SA e IAA) en cuatro especies filogenéticamente diferentes del género Trichoderma, así como el efecto que pueden tener en la interacción con las plantas de trigo bajo condiciones de estrés hídrico. Los resultados mostraron que la producción de fitohormonas depende tanto de la cepa como del medio de cultivo. Las cepas analizadas mostraban diferencias en la colonización de la raíz de las plantas de trigo. Además, dos de ellas se relacionaron con un mejor comportamiento de estas plantas en condiciones de estrés hídrico, lo que podría estar relacionado con el perfil de producción de fitohormonas de dichas cepas, así como con cambios observados en la maquinaria antioxidante y en el contenido en ROS de las plantas. Trichoderma puede ayudar a las plantas de trigo a lidiar con situaciones de escasez de agua, sin embargo, esta capacidad depende de la cepa utilizada, por lo que en el capítulo V, se evaluaron ocho cepas de Trichoderma para determinar su potencial para incrementar la tolerancia de las plántulas a condiciones de estrés hídrico severo. T. asperellum T140 fue seleccionada al mejorar notablemente el comportamiento de las plantas de trigo bajo estas condiciones de estrés. Además de su característico perfil fitohormonal, esta cepa presenta actividad ACC desaminasa. Por otro lado, se evaluó el efecto de la cepa T140 en la respuesta a nivel bioquímico y molecular de las plántulas de trigo bajo condiciones de estrés hídrico severo. En comparación con las plántulas control sometidas a estrés, aquellas pretratadas con T140 mostraron niveles más bajos de estrés oxidativo y genes marcadores de sequía, así como ausencia de la activación de la maquinaria antioxidante y un fenotipo de tolerancia al estrés hídrico. También se llevó a cabo un ensayo de invernadero bajo condiciones de estrés hídrico moderado y fertilización nitrogenada, que fue llevado hasta producción, con el objetivo de comprobar si persistía a largo plazo este efecto protector de la cepa T140 sobre las plantas de trigo. Aunque todas las plantas mostraron un estado de aclimatación al estrés hídrico moderado, las plantas pretratadas con T140 mostraron un aumento de la producción en comparación con las plantas control. Además, la aplicación de la cepa T140 afectó a la maquinaria antioxidante de estas plantas, incrementando los valores de la actividad SOD en condiciones de estrés, así como los niveles de expresión de marcadores de sequía y de genes relacionados con el metabolismo y la absorción de N. Estos resultados serían indicativos del papel de Trichoderma en la aclimatación de las plantas en condiciones de estrés. En resumen, los resultados obtenidos en esta tesis doctoral pueden ayudar a establecer las bases para el diseño de comunidades microbianas sintéticas que ayuden a modular el microbioma asociado a cultivos de trigo con el objetivo de lograr reducir los insumos químicos, aumentar la producción y mejorar la salud del suelo. Así mismo, los resultados aquí recogidos pueden aportar información sobre el uso de Trichoderma como bioestimulante para mejorar la tolerancia de los cultivos de trigo a la sequía. Sin embargo, la interacción Trichoderma-planta es un proceso complejo y sofisticado, condicionado por múltiples factores como las condiciones ambientales o la interacción con otros microorganismos del suelo, por lo que no se conoce con exactitud las bases moleculares de esta interacción. Profundizar en los mecanismos que intervienen en la interacción de Trichoderma y su hospedador vegetal en las distintas condiciones ambientales es necesario para identificar y seleccionar aquellas cepas que mejoren la tolerancia de las plantas de trigo ante los diferentes estreses abióticos, de cara al diseño de productos comerciales eficaces que nos permitan reducir las dosis de fertilizantes químicos sin reducir la productividad de los cultivos. Lograr un modelo eficaz de agricultura eco-sostenible es esencial para reducir el impacto medioambiental de la actividad agrícola en nuestro planeta, así como para hacer frente a los actuales problemas de producción que, agravados por el inminente cambio climático, amenazan al abastecimiento y seguridad alimentaria en todo el mundo.