Agronom/acolombiana,1995, VoIumenXIINo.2;pág 142-148 SELECCiÓN IN VITRO DE Rhizobium TOLERANTE A ACIDEZ Y ALUMINIO Selecting in vitro of Rhizobiumfor tolerance to acidity and aluminium Por: Ricardo Campos Segura 1 RESUMEN La apertura económica puso de presente la obliga- ción de revisar las formas de producción de los cul- tivos comerciales, CGnel fin de competir adecuada- mente en mercados Internacionales. Actualmente, leguminosas, como el frijol (Phaseo/us vu/garíS¡ se presentan, actualmente, como cultivo alternativo para reemplazar cultivos tradicionales en la Saba- na de Bogotá. Existe un alto porcentaje de suelos ácidos en Co- lombia, así como problemas nutricionales, en los cuales la deficiencia de nitrógeno es muy común. El presente trabajo se realizó con el objetivo de se- leccionar "in vitro" cepas de Rizobium tropici tole- rantes a acidez y aluminio, en medios de cultivo diferentes. Inicialmente se hizo una preselección "in vitro" de cepas tolerantes a tres niveles de pH 4,0; 4,5 Y 5,0, utilizando el medio líquido de Wood y Cooper y usando 50 cepas entre nativas y forá- neas. En este caso, se seleccionaron las cepas RC 92, RC 117, C 7, C 11, C 14, C 53, Nifta1182, RC 70, RC 85, CIAT 899, CIAT 144 y Niftal 241. Pos- teriormente, se realizó una selección "in vitro" de cepas tolerantes a dos niveles de pH: 4,5 y 5,0 Y a cuatro niveles de aluminio: 0,5; 10 Y 20 M, utilizan- do dos fuentes de aluminio: AICb y ALK(S04)2 y empleando dos medios de cultivo: el líquido de Wood y Cooper y el sólido de Keyser y Munns. Las cepas RC 85, C 11, CIAT 899, CIAT 144 Y Nif- tal 182, fueron seleccionadas como las de mejor comportamiento. Profesor asociado. Facultad de Agronomía. Univer- sidad Nacional de Colombia, Santafé de Bogotá, D.C.,Colombia. 142 Palabras claves: Selección; Phaseolus; Rhizo- bium; Acidez; Resistencia. ABSTRACT Fifty strains of Rhizobium tropiciisolated of Sabana de Bogotá soils and foreigns collections were screened for tolerance of acidity and aluminium in liquid and sol id culture. Assesment of visible turbi- dity and colonies growth, respectively, indicated fi- ve .(5) strains tolerant of pH 4.5 and pH 5.0 and 10 or 20 u M Aluminium. Strains that tolerated the 10- west pH values in culture were tolerant of the hig- hest aluminium concentrations. . The cultural test should be used to predict the abi- .Iity of Rhizobium to growth and for use as inocu- lants in low pH area. INTRODUCCiÓN El cultivo de frijol (Phaseo/us vu/garis L.) es consi- derado de gran importancia en Colombia, por constituir una fuente adicional proteínica para la dieta humana, especialmente para la población de menor capacidad económica (Caja Agraria, 1987). Además, es fuente de ingresos para un amplio sec- tor de pequeños agricultores y es considerado co- mo un cultivo "benéfico" para los suelos, debido a su aporte de nitrógeno fijado al mismo, lo cual es de gran interés y actualidad en el manejo del eco- sistema agrícola y de la agricultura sostenible. El problema en la producción del cultivo ha llevado a importaciones en los últimos años, así, por ejem- plo, en 1991, la superficie sembrada fue calculada en 161.900 hectáreas con una producción de 129.700 toneladas (CEGA, 1993). Se resalta la importancia de la fijación simbiótica de nitrógeno efectuada en las raíces del frijol por las bacterias del género Rhizobium. De un lado, por el beneficio directo en la economía del nitróge- no al sustituir en parte la fertilización nitrogenada sintética y, por otra parte, en la incidencia ecológi- ca de reemplazar un componente químico de la producción por uno biológico, ayudando, a su vez, al equilibrio del ecosistema. Algunas de las razones de los aún bajos rendi- mientos promedios del cultivo de frijol en Colom- bia, tienen que ver con problemas de acidez de los suelos y deficiencias de nitrógeno y fósforo. La aci- dez, es un factor que incide directamente en cada una de las etapas de desarrollo de la interacción Rhizobium-Ieguminosa y, de una manera marca- da, en la sobrevivencia de las bacterias (rizobios) en el suelo y en la consecuente infección y forma- ción nodular previa a la fijación de nitrógeno pro- piamente dicha (Gómez y Franco, 1984. Munns, 1986. Brockwell et al, 1991 y Graham et al, 1994). En Colombia un porcentaje muy importante de los suelos presentan problemas de acidez y, en las zo- nas productoras de frijol, éste factor puede ser uno de los principales limitan tes para los' rendimientos (Bastidas, 1989). El objetivo principal de este trabajo, es disponer de cepas de Rhizobium Iropiei que tengan habilidad para fijar nitrógeno y que, además, sean tolerantes a las condiciones de acidez de los suelos. Se hace necesario obtener cepas de la bacteria que puedan ser utilizadas directamente como inoculantes para suministrar los agricultores o como materia prima para su producción a grande escala. Cepas de Rhi- zobium Iropiei de suelos de diferentes localidades de la Sabana de Bogotá se aislaron, con el fin de identificar las cepas nativas más efectivas y tole- rantes a la acidez en competencia con cepas de colecciones internacionales ya probadas y, así se- leccionar las más promisorias. De esta manera, se desarrolló una metodología destinada a seleccionar cepas de rizobio tolerantes a factores de acidez, lo mismo que altas concen- traciones de aluminio y bajo pH, utilizando medios líquido y sólido Y sus respuestas se sometieron a comparación y, así, determinar las cepas mas pro- misorias. MATERIALES Y MÉTODOS El trabajo se desarrolló en dos etapas: 1. Recolección de cepas de Rhizobium Iropicien cultivos de frijol de la Sabana de Bogotá y zo- nas aledañas. 2. Selección de las cepas de Rhizobiumtoleran- tes a pH bajo y a toxicidad del aluminio, me- diante su crecimiento en medio de cultivo en diferentes condiciones. Muestreo y recolección de cepas En diferentes cultivos de la Sabana de Bogotá y zonas aledañas, en lugares con suelos de natura- leza ácida, nódulos de las raíces de frijol (Phaseo- lus vulgarisL.) En cada sitio, se hizo muestreo al azar de diez plantas de frijol, a las ~uáles se les removieron los nódulos más grandes oara el aislamiento de la bacteria. Selección in vitro de c~pas de Rh/zob/um trop/e/tolerantes a aci~ez A las 38 cepas nativas recolectadas se le sumaron 12 cepas reportadas corno tolerantes a acidez en distintas colecciones internacionales (Ciat, 1987). Del CIAT (Centro Internacional de Agricultura Tro- pical) y de NIFTAL (Hawaii) se recibieron las cepas detalladas en el Cuadro 1. En las cepas nativas, se efectuó el aislamiento del Rhizobiuma partir de los nódulos recolectados y se utilizó la técnica de Burton (Ferrera, 1984). También se realizó, la prueba de autentificación, para la cual se germinaron semillas de frijol en ca- jas de Petri estériles y con papel filtro, adicionando agua estéril y luego se sembraron en los vasos de Leonard, con un sustrato formado por arena este- rilizada donde se inocularon las plántulas (cuatro Cuadro 1. Relación de cepas de Rhizobium Iro- piei reportadas como tolerantes a la acidez en colecciones internacionales. CLASE ORIGEN Niftal182 Hawaii Niftal220 Hawaii Niftal232 Hawaii Niftal241 Hawaii CIAT45 Brasil CIAT 144 Colombia CIAT905 Brasil CIAT 40 U.S.A CIAT899 Colombia CIAT57 Australia CIAT 166 Colombia CIAT 876 Colombia 143 por unidad, de las cuales se retiraron dos a los 8 días), con una suspensión de rizobios de 109 bac- terias/mi. Las 12 cepas foráneas recibieron en am- poyetas y por lo cual se procedió a su multiplica- ción directamente en el medio de cultivo utilizado para las nativas. La selección para tolerancia a la acidez se realizó comparando dos medios de cultivo: uno, el líquido de Wood y Cooper (Wood y Cooper, 1985) y el otro sólido, de Keysery Munns (Keysery Munns, 1979). Evaluación de tolerancia a pH ácido Los medios fueron ajustados con HCI 1N y/o KOH al 10% con el objeto de obtener tres niveles de pH: 4,0; 4,5 Y 5,0. Para el caso del medio líquido, se utilizó la siembra de las cepas, hasta obtener una concentración de 1x109 células bacteriales por mi- límetro, medida que fue realizada utilizando el mé- todo nefelométrico basado en la escala de McFar- land (Vincent, 1982). En el caso del medio de Keyser y Munns, las cepas fueron sembradas empleando el método de siem- bra en estrías y se dejaron en incubación a 28°C y se realizaron observaciones de control de creci- miento bacterial desde las 12 horas después de la siembra. Los tratamientos generados en ésta preselección están registrados en el Cuadro 2. Se efectuaron tres repeticiones para cada trata- miento y un control no inoculado (Testigo). Las lecturas en el espectrofotómetro, en el caso del medio líquido, se realizaron a una longitud de onda de 540 nm. en agitación constante desde las 12 horas de incubación. En el caso del medio sóli- Cuadro 2. Tratamientos de selección in vitro por tolerancia a pH ácido Tratamiento 1: Tratamiento 2: Tratamiento 3: Tratamiento 4: Tratamiento 5: Tratamiento 6: pH 4.0 Medio líquido pH 4.5 Medio líquido pH 5.0 Medio líquido pH 4.0 Medio sólido pH 4.5 Medio sólido pH 5.0 Medio sóolido 144 do, se tuvo en cuenta crecimiento denso a los 8 y 12.días de las fechas de siembra. Tolerancia a alta concentración de aluminio A medida que se cumplía la primera fase de selec- ción por tolerancia a pH bajo, se escogieron las cepas que entraban a la fase de tolerancia al alu- minio. En este caso, se escogieron dos fuentes: AICb y ALK(S04)2, agregándolas en, cada caso, hasta concentraciones de 0,5,10 Y 20 M de AL. El pH fue ajustado a 4.5 y 5.0 Y se utilizaron los medios líquido de Wood y Cooper y sólido de Key- sery Munns. Los tratamientos se registran en el Cuadro 3. Se efectuaron dos repeticiones para cada trata- miento y un control no inoculado (testigo). Las lec- turas, en el caso del medio líquido, se realizaron en el espectrofotómetro a 540 nm. de longitud de on- da. En el caso del medio de cultivo sólido, se tuvo en cuenta el buen crecimiento y la densidad del cuerpo bacterial. RESULTADOS y DISCUSiÓN Selección in vitro de cepas de Rhlzoblum tropic/tolerantes a acidez Los resultados de las observaciones de crecimien- to bacterial en medio líquido (Wood y Cooper, 1985) se presentan en el Cuadro 4. En este experimento, se determinó como parámetro de crecimiento la producción de turbidez en el medio, como consecuencia del desarrollo bacterial. La preselección de rizobios basada en crecimiento por turbidez en el medio líquido a diferentes valo- res de pH resultó en que cinco de las 50 cepas fueron tolerantes a pH 4,0, mientras que 43 lo fue- ron a pH 4,5 y, sólo dos cepas no tuvieron creci- miento a pH 5,0. El tiempo en días para producirse la turbidez, osci- ló entre dos y nueve días, aunque la oscilación más común fue entre dos y tres días para los valores de pH 4,5y 5,0. En el caso de pH 4,0, la turbidez se presentó en forma tardía entre cinco y diez días en las cepas en las cuales la prueba fue positiva, aunque la turbi- dez inicial fue tenue en todos los casos. Con este experimento, se preseleccionaron las cin- co cepas tolerantes a pH 4,0 Y las siete cepas que lo fueron para pH 4,5 Y 5,0 presentaron turbidez en el menor tiempo. Para este caso, se consideró que CUADRO 3. Tratamientos para la selección por tolerancia a aluminio. Tratamiento Medio liquido pH4,5 + O mMAL 2 Medio líquido pH4,5 + 5 mM AL (como ALCI3) 3 Medio líquido pH4,5 + 10 mM AL (como ALCI3) 4 Medio líquido pH4,5 + 20 mM AL (como ALCI3) 5 Medio líquido pH4,5 + 5 mM AL (como ALK(S04)2 6 Medio liquido pH4,5 + 10 mM AL (como ALK(S04)2 7 Medio liquido pH4,5 + 20 mM AL (como ALK(S04)2 8 Medio líquido pH5,O + O mM AL 9 Medio líquido pH5,O + 5 mM AL (como AL C13) 10 Medio liquido pH5,O + 10 mM AL (como AL C13) 11 Medio líquido pH5,O + 20 mM AL (como AL C13) 12 Medio líquido pH5,O + 5 mM AL (como ALK(S04)2 13 Medio líquido pH5,O + 10 mM AL (como ALK(S04)2 14 Medio líquido pH5,O + 20 mM AL (como ALK(S04)2 15 Medio sólido pH4,5 + O mM AL (como ALK(S04)2 16 Medio sólido pH4,5 + 5 mM AL (como ALCI3) 17 Medio sólido pH4,5 + 10 mM AL (como ALCI3) 18 Medio sólido pH4,5 + 20 mM AL (como ALCI3) 19 Medio sólido pH4,5 + 5 mM AL (como ALK(S04)2 20 Medio sólido pH4,5 + 10 mM AL (como ALK(S04)2 21 Medio sólido pH4,5 + 20 mM AL (como ALK(S04)2 22 Medio sólido pH5,O + O mMAI 23 Medio sólido pH5,O + 5 mM AL (como ALCI3) 24 Medio sólido pH5,O + 10 mM AL (como ALCI3) 25 Medio sólido pH5,O + 20 mM AL (como ALCI3) 26 Medio sólido pH5,O + 5 mM AL (como ALK(S04)2 27 Medio sólido pH5,O + 10 mM AL (como ALK(S04)2 28 Medio sólido pH5,O + 20 mM AL (como ALK(S04)2 dos días fue el tiempo más corto para la producción de turbidez, por lo cual se seleccionaron las cepas RC 92, RC 117, C 7, C 53, Niflal182, C·14 y C-11. Las cepas tolerantes a pH 4,0: RC 70, RC 85, Niflal 241, CIAT 144 y CIAT 899 pasaron a la siguiente prueba de medio ácido con aluminio adicionado a varios niveles de concentración. Tolerancia a diferentes concentraciones de aluminio en medios de cultivo liquido y solido con dos diferentes fuentes de aluminio Los resultados de la prueba se presentan en el Cuadro 5. Doce cepas tolerantes a acidez, cinco de ellas a pH 4,0 Y las siete restantes de buen crecimiento en pH 145 Cuadro 4. Resultados de crecimiento de Rhizo- Cepa Turbidez (dla •• portlr do .lembra) bium tropici en medio líquido de Wood y Coo- pH4,O 4.5 5.0 per, medidos como tiempo empleado para desarrollar turbidez visible a diferentes valo- 1. RC70 5 2 2 res de pH. 2. RC81 3 2 3. RC83 3 3 \ 4. RC84 2 4,5 (medido como rapidez de crecimiento) fueron se- 5. RC85 7 2 3 leccionadas para esta prueba de tolerancia a O;5; 10 6. RC92 2 2 Y 20 M de Aluminio, empleando dos fuentes pH 4,5 7. RC94 y 5,0 en medios liquido y sólido. Se observó que aun- 8. RC95 5 3 que se presentó mucha variación en las respuestas, 9. RC97 4 2 tanto a las dos fuentes de aluminio como a los dos 10. RC98 2 2-, pH, las cepas que mostraron ser más sensibles a 11. RC99 2 3 12. 'RC 101 3 2acidez (prueba de pH), igualmente, fueron más sen- 13. RC 117 2 2 sibles a las pruebas del aluminio. Este es el caso de 14. RC119 3 3 las cepas RC 70, RC 85, CIAT 899 y, en menor pro- 15. RC 121 3 3 porción; Niftal 241, CIAT 144, C 7 y Nifta1182. Las 16. C1 5 2 cepas que fueron sensibles a aluminio, en concen- H. C2 3 2 traciones de 5; 10 Y 20 M en medio liquido, también, 18. C4 7 4 lo fueron en medio sólido a pH 5,0. A pH 4,5, sola- 19. C5 6 3 mente, la cepa RC 85 tuvo turbidez a 20 M de alumi- 20. C6 3 4 nio como ALK(S04)2, pero en una sola observación 21. C7 2 2 en el medio líquido. Este mismo tratamiento, pero en 22. C11 2 2 medio sólido, fue positivo para RC 85, CIAT 144, 23. C 12 8 3 CIAT 899 Y Niftal 182. Para el caso de ALCb como 24. C13 2 4 fuente de 20 M de Aluminio a pH 4,5 en el medio 25. C 14 2 2 sólido, solamente, las cepas RC 85 y CIAT 899 mos- 26. C 15 2 traron creCimiento. 27. C 16 4 2 28. C17 2 En todos los casos, es claro que, al incrementar la 29. C 18 2 acidez, se reduce la tolerancia al aluminio. Algunas 30. C30 3 cepas, como la C53 y la C14, que fueron seleccio- 31. C31 3 , 7 nadas por tolerancia a acidez en el primer experi- 32. C51 4 2 mento fueron sensibles en esta nueva prueba. Las 33. C52 2 4 razones de estas variaciones en las respuestas 34. C53 2 2 pueden ser causadas por manejo microbiológico, 35. C54 5 2 36. C55 5 aunque se ha encontrado que las densidades bac- 37. C56 3 2 teriales iniciales afectan la respuesta de Rhízobíum 38. C57 8 3 tri/ol;; a la acidez en el medio líquido de Wood y 39. NIFTAL 182 2 2 Cooper (Karanja y Wood, 1988). A pH 4,5 sin alu- 40. NIFTAL220 3 2 minio, todas las cepas tuvieron crecimiento en el 41. NIFTAL232 2 3 medio sólido, mientras en el medio líquido el 25% 42. NIFTAL241 10 2 de las cepas no se desarrolló. Con 5 M de aluminio 43. CIAT45 3 2 como ALCb en el medio líquido, el 50% de las ce- 44. CIAT 144 9 5 2 pas fue sensible a éste estrés, mientras que con 45. CIATg05 3 ALK(S04)2 fue el 25% de las cepas. 46. CIAT40 2 3 47. CIAT 899 9 4 2 Estos resultados pueden ser debidos al efecto del 48. CIAT 57 3 2 potasio y del azufre como acompañantes, acom- 49. CIAT 166 6 7 plejando seguramente el efecto del aluminio en for- 50. CIAT876 8 3 ma, quizás, de un mejor suministro nutricional. El efecto no se conoce realmente. Por otra parte, en • Espacios en blanco indican no turbidez. el medio sólido con las dos fuentes de aluminio y 146 los pH 4,5 Y5,0, el 75% de las cepas toleraron el estrés, contra el 48% en el medio líquido. Se puede resaltar que, en el medio sólido, se iden- tificaron varias cepas tolerantes a los diferentes ni- veles de aluminio, inclusive 20 M a pH 4,5 Y 5,0, cepas que fueron, a su vez, sensibles a estas con- centraciones en el medio líquido. Por lo anterior, se puede decir que el medio sólido está sobreesti- mando la cantidad de cepas tolerantes a acidez y aluminio, en comparación con el medio líquido. El medio líquido proporciona una mayor distribución y uniformidad para estas pruebas de tolerancia, puesto que se obtienen unos resultados más es- trictos que utilizando el medio sólido. Las cepas RC 85, CIAT 144 Y C1AT 899 fueron to- lerantes a 20 M de aluminio en las dos fuentes a pH 4,5 Y 5,0 en medio sólido, por lo cual se consi- deran como las de mejor comportamiento, puesto que, en el medio líquido, la Cepa RC 85 fue la úni- ca con crecimiento a ésta concentración de 20 M de aluminio como ALK(S04)2 y las Cepas CIAT 144 y CIAT 899 crecieron, también, pero a pH 5,0. Las cepas NIFTAL 182 Y C 11, también, lograron un buen crecimiento en medio sólido con la misma fuente. CONCLUSIONES De los resultados anteriores, se pueden obtener las siguientes conclusiones: Las cepas de Rhízobium tropicitrabajadas fue- ron, en su mayoría, tolerantes a condiciones .de pH 4,5 Y pH 5,0 en medio líquido. Al nivel de pH 4,0 se debe realizar una preselección efi- caz de cepas. De las pruebas de tolerancia a acidez y alumi- nio con concentraciones que, en términos de solución del suelo, pueden dar una condición real de estrés por aluminio, seleccionaron ce- pas de rizobio con alta capacidad de toleran- cia. Existe una alta diferencia en la utilización de medios de cultivo líquido o sólido en las prue- bas de tolerancia a acidez y aluminio. El medio de cultivo sólido, utilizado tradicionalmente, sobreestima la cantidad de cepas con esa to- lerancia. El medio de cultivo líquido ofrece un mejor am- biente y uniformidad experimental en el estu- dio de cepas ácido-tolerantes a diferentes con- centraciones de aluminio. En estos experimentos, la cepa CIAT 899, tra- bajada por tolerancia a acidez por varios inves- tigadores (Graham et al, 1982; Campos, 1991; Karanja y Wood, 1988), resultó, también, tole- rante a acidez y aluminio. Cepas nativas, como RC 85 y C 11, se com- portaron al mismo nivel, incluso mayor, con respecto a la tolerancia a acidez y aluminio que presentó la cepa CIAT 899. La utilización de fuentes diferentes de aluminio en la selección de tolerancia a este elemento, muestra comportamientos diferentes en las ce- pas del rizobio probadas. BIBLlOGRAFfA 1. BASTIDAS, R.G. Roducción e investigación de Frijol en Colombia, ASIAVA, 31 ed. p. 27- 33.1989. 2. BROCWELL, J. PILKA, A. and Holliday, RA Soil pH is a major determinant of the mumber of naturally ocurring Rhizobium melilotiin non- cultivated soils of New South Wales. 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