QuantUNAB
Vol. 1, Núm. 1, e11, enero-junio, 2022
e-ISSN: 2664-3014
DOI: 10.52807/qunab.v1i1.11
Recibido: 18/11/2021. Aprobado: 19/12/2021. Publicado: 25/01/2022 Licencia Creative Commons Atribución 4.0 Internacional
*Renzo Alfredo Valdez-Nuñez - rvaldez@unab.edu.pe (autor de correspondencia)
© Copyright 2022. Universidad Nacional de Barranca
Nota Científica | Scientific Note
Más allá del nódulo: potencial agro-biotecnológico
del microbioma endofítico en nódulos simbióticos de
leguminosas
Beyond the nodule: agro-biotechnological potential of the endophytic
microbiota in symbiotic nodules of legumes
Renzo Alfredo Valdez-Nuñez1* ; Winston Franz Ríos-Ruiz2; Eulogio J. Bedmar3
1Universidad Nacional de Barranca, Lima, Perú
2Universidad Nacional de San Martín, Tarapoto, Perú
3Estación Experimental del Zaidín, CSIC, Granada, España
RESUMEN
La fijación biológica de nitrógeno mediante la simbiosis leguminosa-rizobio es uno de los procesos de mayor
importancia en el planeta Tierra (o al menos en nuestro planeta). Desde su descubrimiento, la simbiosis fue
pragmatizada de modo estricto a los rizobios; sin embargo, aislamientos procedentes de nódulos desinfectados
superficialmente esterilizados y que fallaban al nodular la planta huésped, eran considerados “contaminantes”.
Estos no rizobios se denominan Bacterias Endófitas No Nodulantes (BENN), que constituyen un grupo polifásico de
bacterias del suelo capaces de compartir el nódulo con los rizobios. Existen reportes sobre la diversidad filogenética
de las BENN, incluso la co-inoculación con rizobios efectivos mejoran los parámetros simbióticos, por la diversidad
de características promotoras de crecimiento y de biocontrol que ejercen durante el proceso de infección y
colonización del interior del nódulo simbiótico. El potencial biotecnológico de estos microorganismos es todavía un
campo por explorar, el cual puede ir desde la biotecnología agropecuaria hasta la biomédica. Esta revisión se centra
en actualizar los conceptos sobre las BENN, su papel en el nódulo simbiótico, la diversidad filogenética, así como
las principales técnicas de estudio y su potencial en la industria biotecnológica peruana.
Palabras clave: bacterias endófitas de nódulos; bioprospección; co-inoculación; rizobios
ABSTRACT
Nitrogen fixation through the legume-rhizobium symbiosis is one of the most important processes on the planet
Earth. Since its discovery, the symbiosis was strictly pragmatized to rhizobia, and isolates from nodules that failed
to nodulate the host plant was considered “contaminants”. These non-rhizobia are called Non-Nodulating
Endophytic Bacteria (NNEB) and constitute a polyphasic group of soil bacteria capable of sharing the nodule interior
with rhizobia. Additionally, co-inoculation of NNEB and rhizobia has been shown to improve symbiotic parameters.
This synergy is explained by the diversity of growth-promoting and biocontrol characteristics that they exert during
the infection and colonization process inside the symbiotic nodule. The biotechnological potential of these
microorganisms is still a field to be explored, ranging from agricultural to biomedical biotechnology. This review
focuses on updating the concept of NNBE, their role within the nodule, and their phylogenetic diversity. Main
techniques for the study of the NNEB and their potential in the Peruvian biotechnology industry are also looked for.
Keywords: nodule endophytic bacteria; bioprospection; co-inoculation; rhizobia
Cómo citar / Citation: Valdez-Nuñez, R. A., Ríos-Ruiz, W. F. & Bedmar, E. J. (2022). Más allá del nódulo: potencial agro-
biotecnológico del microbioma endofítico en nódulos simbióticos de leguminosas. QuantUNAB, 1(1), e11.
https://doi.org/10.52807/qunab.v1i1.11
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1. INTRODUCCIÓN
Las leguminosas (Leguminosae o Fabaceae) constituyen una abundante familia de plantas,
herbáceas, arbustivas y leñosas, que aparecieron sobre el planeta hace 60 millones de años
(Sprent et al., 2017). El empleo del gen plastidial matK como marcador filogenético ha
permitido establecer recientemente que ésta familia se divida en 6 subfamilias:
Caesalpinioideae, Cercidoideae, Detarioideae, Dialioideae, Duparquetioideae y Papilionoideae
que, a su vez, incluyen cerca de 770 géneros y 19 500 especies (Azani et al., 2017). Las
leguminosas son, después de las Poaceae, las plantas más abundantes y siguen a los cereales
como la segunda familia en importancia en la nutrición humana y animal. Estas plantas no
solo aportan proteínas de alto valor nutritivo e interés nutracéutico, sino que también se
emplean como forraje y abono verde, por lo que representan un componente fundamental
para la sostenibilidad de la agricultura (Foyer et al., 2019).
Las leguminosas establecen simbiosis fijadoras de nitrógeno (N2) atmosférico con un grupo
polifásico de bacterias del suelo denominadas rizobios, brindándole a la planta hospedera
ventajas ecológicas importantes al momento de colonizar un suelo. Como consecuencia de la
interacción planta-bacteria, se forma en las raíces, a veces en los tallos, un órgano específico
de la simbiosis, el nódulo, donde ocurre la fijación (reducción) de N2 a amonio (NH4+) (Lace &
Ott, 2018). El nódulo constituye un “hotspot” de biodiversidad donde la presencia de
compuestos carbonados procedentes de la fotosíntesis de la planta y nitrogenados, derivados
de la formación de NH4+, permite el crecimiento de las bacterias que se encuentran en su
interior. Por otra parte, el nódulo constituye un nicho ecológico de protección frente a otras
especies microbianas y se ha informado que es el lugar donde ocurre con mayor frecuencia la
transferencia horizontal de genes entre bacterias (Kan et al., 2007).
Los rizobios son un grupo polifilético distribuido principalmente en la subclase Alfa-
proteobacteria que incluye los géneros Rhizobium, Mesorhizobium, Ensifer, Bradyrhizobium,
Phyllobacterium, Microvirga, Azorhizobium, Ochrobactrum, Methylobacterium, Devosia, Shinella;
Aminobacter, Allorhizobium y Neorhizobium pertenecientes a las familias Rhizobiaceae,
Phyllobacteriaceae, Brucellaceae, Methylobacteriaceae, Bradyrhizobiaceae,
Xanthobacteraceae e Hyphomicrobiaceae. Otros tres géneros fijadores de N2,
Paraburkholderia, Cupriavidus y Trinickia, pertenecen a la familia Burkholderiaceae de la
subclase Beta-proteobacteria (de Lajudie et al., 2019).
En los últimos años se han incrementado los estudios conducentes a investigar y descifrar las
poblaciones endofíticas, distintas a los rizobios, radicando en el interior de nódulos sanos de
leguminosas (Martínez-Hidalgo & Hirsch, 2017; Velázquez et al., 2017; Ríos-Ruiz et al., 2019). El
objetivo de esta revisión es dar a conocer un nicho adicional de estudio para los biotecnólogos
agrícolas ya que los nódulos permiten estudiar no solo la mirada a lo que constituye una nueva
fuente de recursos microbianos de interés biotecnológico, las Bacterias Endofíticas No
Nodulantes (BENN) (Etesami, 2022).
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2. BACTERIAS ENDÓFITAS NO NODULANTES (BENN)
Técnicamente, las BENN son todas aquellas bacterias que, habiendo sido aisladas de nódulos
cuidadosamente desinfectados en su superficie son incapaces de formar nódulos en las
leguminosas de las que se aislaron. Durante mucho tiempo el estudio de los BENN pasó
desapercibido ya que, al no ser rizobios, se consideraron como bacterias “contaminantes” sin
participación alguna en la simbiosis leguminosa-rizobio (Somasegaran & Hoben, 1994).
Posteriormente, se comprobó que muchos de ellos poseen características propias de las
denominadas bacterias promotoras del crecimiento vegetal (Plant Growth Promoter
Rhizobacteria, PGPR), lo que renovó el interés por su estudio (Martínez-Hidalgo & Hirsch, 2017;
Velázquez et al., 2017; Ríos-Ruiz et al., 2019).
3. TÉCNICAS DE ESTUDIO
En el estudio de las BENN, lo primero que se debe comprobar es la eficiencia de esterilización
de la superficie de los nódulos para que las bacterias que aparezcan proceden del interior y
no de la superficie del nódulo. Para ello, se pueden emplear tres técnicas:
Incubación de los nódulos en placas Petri conteniendo el medio denominado Agar-Extracto
de Levadura Manitol (AELM).
Plaquear la última agua del enjuague de los nódulos esterilizados (Valdez-Nuñez et al.,
2019).
Rodar los nódulos esterilizados en placas Petri con medios de cultivo apropiados para el
crecimiento bacteriano (De Meyer et al., 2015).
Aquellas bacterias aisladas de nódulos que no presenten contaminación superficial, podrían
ser consideradas como posibles BENN. La inoculación de estas bacterias en la planta huésped
y la ausencia de nodulación confirmaría, de manera parcial, la naturaleza endofítica de las
BENN. Ensayos de co-inoculación empleando posibles BENN y rizobios verdaderos, y su
posterior re-aislamiento a partir de nódulos formados bajo condiciones gnotobióticas,
confirmarían su identidad como verdaderos BENN. Técnicas como la Microscopia Láser
Confocal permiten el seguimiento de los procesos de infección e identificar el lugar específico
de colonización en el interior del nódulo (Pandya et al., 2013).
4. DIVERSIDAD DE ENDÓFITOS EN NÓDULOS DE LEGUMINOSAS
Hasta el momento se han descrito BENN en una ínfima cantidad de nódulos de leguminosas,
entre ellas las de grano (Zhao et al., 2018), forrajeras (Wigley et al., 2017), recuperadoras de
suelos (Zineb et al., 2016), y de algunos endemismos en peligro de extinción (Safronova et al.,
2015). Los géneros bacterianos conocidos como BENN y las leguminosas de interés económico
de las que se aislaron se detallan en la Tabla 1.
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Tabla 1.
Diversidad de BENN aisladas de nódulos de leguminosas de importancia económica
Género
Leguminosa
Género de BENN
Acacia
Acinetobacter, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacillus, Herbaspirillum,
Ochrobactrum, Paenibacillus, Pseudomonas, Rhizobium
Mimosa
Pantoea
Prosopis
Paenibacillus
Arachis
Enterobacter, Klebsiella, Pseudomonas
Cicer
Ochrobactrum, Agrobacterium, Paenibacillus
Crotalaria
Agrobacterium, Bacillus, Burkholderia, Enterobacter, Pantoea, Rhizobium
Glycine
Bacillus, Burkholderia, Serratia, Enterobacter, Ochrobactrum, Proteus
Indigofera
Enterobacter, Paenibacillus, Rhizobium
Medicago
Endobacter, Micromonospora, Paenibacillus, Bacillus, Shinella
Phaseolus
Agrobacterium, Achromobacter, Enterobacter, Serratia, Pseudomonas,
Pantoea, Herbaspirillum, Phyllobacterium, Rhizobium
Pisum
Micromonospora, Ochrobactrum, Enterobacter
Vicia
Agrobacterium, Shinella, Bacillus, Methylobacterium, Phyllobacterium,
Rhizobium, Pseudomonas
Vigna
Bacillus, Brevibacillus, Paenibacillus, Enterobacter, Herbaspirillum,
Chryseobacterium
5. ¿CÓMO INGRESAN LAS BENN AL INTERIOR DEL NÓDULO?
Se han postulado diferentes mecanismos de infección. Según Pandya et al. (2013) las BENN
invaden el canal de infección producido por los rizobios a los que acompañan hasta colonizar
el interior del nódulo. Benito et al. (2017) sugirieren una interacción tripartita entre la
leguminosa, la BENN Micromonospora y los rizobios específicos de las leguminosas empleadas
en el estudio, ya que solo se encontró Micromonospora cuando se llevó a cabo su co-
inoculación con el rizobio correspondiente a cada planta huésped.
También se ha reportado que una mezcla de la BENN Agrobacterium y el rizobio Sinorhizobium
meliloti dio lugar a una nodulación inespecífica de las leguminosas Trifolium (trébol) y Medicago
(alfalfa) (Liu et al., 2010). La investigación realizada no ha permitido definir con exactitud, la
manera en que las BENN penetran en el interior de los nódulos.
6. ¿QUÉ BENEFICIOS APORTAN LAS BENN A LA SIMBIOSIS?
Hasta hace unos años la función de las BENN era desconocida. Uno de los primeros estudios
realizados para definir su papel en el nódulo se debe a Sturz et al. (1997), quienes demostraron
que Bacillus megaterium, Bordetella avium y Curtobacterium luteum promovían de manera
consistente el crecimiento de Trifolium pratense cuando se inoculaban individualmente o en
combinación con R. leguminosarum biovar trifolii.
La investigación realizada ha permitido demostrar que las BENN poseen y expresan
actividades promotoras del crecimiento de las plantas tales como la fijación de N2, actividad
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ACC desaminasa, producción de sideróforos (Zhao et al., 2018), solubilización de fosfato
inorgánico (Li et al., 2008), producción de fitohormonas y de amonio (Saini et al., 2015), etc.,
además de incrementar la formación de biopelículas en la superficie radicular. Así mismo, se
ha descrito su capacidad para producir enzimas hidrolíticas extracelulares (Egamberdieva et
al., 2017) y poseer actividad antifúngica y nematicida (Zhao et al., 2018).
El estudio pionero que relacionó la simbiosis tripartita entre las BENN, las leguminosas y los
rizobios con la mejora del crecimiento de las plantas fue publicado por Li et al. (2008) quienes
demostraron que la co-inoculación de Bacillus sp. CCBAU 15518, aislada de nódulos de soya
(Glycine max), con Bradyrhizobium japonicum B15 incrementó la altura, el peso fresco y el
número de nódulos un 11%, 18,3% y 15,2% respectivamente en comparación con las plantas
inoculadas.
Como integrantes del microbioma del nódulo, cabe considerar que las BENN desempeñan un
papel específico en su funcionamiento, ya que proporcionan a la leguminosa diversas ventajas.
Así, las BENN podrían aumentar, de alguna manera, la actividad de la enzima nitrogenasa,
responsable de la reducción de N2 a NH4+, la actividad solubilizadora de fosfato inorgánico lo
que resultaría en un mejor abastecimiento de fósforo (P) disponible para la producción de ATP,
o la adquisición de fierro (Fe) y otros elementos esenciales para el funcionamiento del nódulo
(Magadlela et al., 2016).
7. POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO DE LAS BENN
El potencial de las BENN no solo se limita al sector agropecuario, sino que se puede extender
a otros como la biomedicina, dada la posibilidad de aprovechar los metabolitos producidos
por las BENN. Estas bacterias podrían emplearse en:
Inoculantes para leguminosas: Probablemente este sea el campo, donde podrían tener un
mejor desempeño. Diversos autores han descrito los beneficios de la co-inoculación de BENN
y rizobios específicos de la leguminosa en cultivo (Brígido et al., 2019; Mehrasa et al., 2022).
Las bacterias mencionadas podrían emplearse en la misma formulación del inoculante
biológico para mejorar el rendimiento tanto de leguminosas de grano como de cobertura
(abonos verdes), así como en promover una mayor adaptabilidad y tolerancia a estreses por
factores ambientales. Existen reportes que informan que el uso de las BENN alivia el estrés
ocasionado por factores abióticos como la salinidad, temperatura, pH, entre otros (Etesami &
Adl, 2020; Mehrasa et al., 2022). La salinidad es uno de los problemas más importantes en la
agricultura costeña ya que limita el empleo de los suelos afectados y la producción de los
cultivos, especialmente, el de las leguminosas de grano. El empleo de las BENN como
inoculantes mixtos junto con los rizobios lograría una mejor tolerancia a suelos salinos para
obtener mejores rendimientos. Aunque no existen antecedentes, es probable que también
puedan ayudar a tolerar otros factores como el pH y la temperatura.
Recuperación de suelos degradados: Las leguminosas son plantas colonizadoras en la
sucesión vegetal. Estas plantas tienen la ventaja de crecer en suelos áridos, de escasa fertilidad
ya que son capaces de establecer simbiosis fijadoras de N2 con los rizobios y de captar fósforo
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(P), mediante la simbiosis con hongos micorrícicos arbusculares. El empleo de las BENN en co-
inoculación con rizobios efectivos puede, por tanto, ayudar en la recuperación de suelos
degradados al permitir un mejor desarrollo y adaptación de las leguminosas nativas o
introducidas, y por consiguiente mejorar sus propiedades biológicas y físico-químicas de
manera indirecta (Ríos-Ruiz et al., 2019).
Biorremediación: El empleo de las BENN también mejora la tolerancia de las leguminosas
que se cultivan en suelos con elevadas concentraciones de metales pesados y xenobióticos.
Esta capacidad de actuar en procesos de biorremediación se explica por la capacidad de
producir sideróforos y actividad ACC desaminasa, permitiendo la tolerancia y/o capacidad para
translocar al interior de las plantas metales pesados (Fan et al., 2018) y/o degradar pesticidas
del suelo (Bhatt et al., 2022).
Producción de metabolitos secundarios y enzimas: Se ha demostrado que las BENN poseen
una importante capacidad de producción de metabolitos secundarios como sideróforos,
auxinas, giberelinas, entre otros (Etesami & Adl, 2020); así como una serie de enzimas como la
ACC desaminasa, proteasas, lipasas, pectinasas, celulasas, xilanasas, amilasas, fosfatasas,
quitinasas, etc., que de una u otra manera están involucradas en el establecimiento de la
simbiosis (Etesami, 2022)
Nuevos compuestos antifúngicos: Las BENN han demostrado un gran potencial de
biocontrol contra patógenos vegetales eucariotas (hongos), aunque no se ha observado
contra procariotas aún. No obstante, el descubrimiento de nuevos metabolitos con
propiedades antimicrobianas es un campo poco explorado en la biotecnología de las BENN, lo
que debe estimular la investigación en este aspecto (Tokgöz et al., 2020; Etesami, 2022).
8. PERSPECTIVAS FUTURAS
Aunque se ha avanzado en el estudio y conocimiento de las BENN, quedan por resolver
numerosos aspectos de su función en el interior de los nódulos de las leguminosas. La
investigación del microbioma empleando técnicas de secuenciamiento de nueva generación
en los nódulos representa un elemento clave para comprender la función que realizan las
BENN en su interior y cómo y en qué extensión intervienen en el mantenimiento del
homeostasis de la planta leguminosa y así contribuir a su mejor crecimiento y desarrollo. Es
de esperar que aquellas cepas con potencial biotecnológico puedan incluirse en la formulación
de bioinoculantes a base de rizobios para mejorar su eficiencia. Debe llevarse a cabo, por otra
parte, la inoculación no solo de leguminosas, sino también de otros cultivos, con el objetivo de
ampliar el potencial biotecnológico de las BENN.
FINANCIAMIENTO
Investigación financiada por la Universidad Nacional de Barranca mediante Resolución de
Comisión Organizadora N° 483-2021-UNAB.
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CONFLICTO DE INTERESES
No existe ningún tipo de conflicto de interés relacionado con la materia del trabajo.
CONTRIBUCIÓN DE AUTORÍA
Conceptualización: Valdez-Nuñez, R. A., Ríos-Ruiz, W. F. y Bedmar, E. J.
Curación de datos: Ríos-Ruiz, W. F. y Bedmar, E. J.
Análisis formal: Valdez-Nuñez, R. A. y Ríos-Ruiz, W. F.
Investigación: Valdez-Nuñez, R. A., Ríos-Ruiz, W. F. y Bedmar, E. J.
Metodología: Valdez-Nuñez, R. A. y Bedmar, E. J.
Supervisión: Valdez-Nuñez, R. A., Ríos-Ruiz, W. F. y Bedmar, E. J.
Redacción-borrador original: Valdez-Nuñez, R. A.
Redacción-revisión y edición: Ríos-Ruiz, W. F. y Bedmar, E. J.
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