24 de octubre de 2019
Respuestas de la estructura comunitaria bacteriana y fúngica a diferentes tasas de 1,3-dicloropropeno a la fumigación
Yuan Zeng, Zaid Abdo, Amy Charkowski, Jane E. Stewart y Kenneth Frost
Afiliaciones
Publicado en línea:12 ago 2019https://doi.org/10.1094/PBIOMES-11-18-0055-R
En las últimas décadas, los pesticidas, incluidos los insecticidas, fungicidas, nematicidas y herbicidas, se han utilizado cada vez más para mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos. Sin embargo, la adopción y el uso generalizados de plaguicidas pueden tener impactos negativos imprevistos en los organismos no objetivo y los ecosistemas circundantes Dennis; Pisa et al. 2015; Sugita et al. 2018; Van der Sluijs et al. 2015; Zaller et al. 2018
Por ejemplo, estudios anteriores informaron que varios plaguicidas y sus productos de degradación pueden actuar como contaminantes del suelo (Sivanesan et al. 2004; Zhang et al. 2016) y las aplicaciones de plaguicidas pueden alterar directa o indirectamente los procesos biológicos en el suelo, así como afectar a las poblaciones microbianas del suelo (Ahmed y Ahmad 2006; Imfeld y Vuilleumier 2012; 2009; 2014). Las comunidades microbianas del suelo apoyan una amplia gama de servicios ecosistémicos necesarios para mantener la estructura y la fertilidad del suelo, apoyar el ciclo de carbono, nitrógeno y fósforo, y eliminar los contaminantes del suelo (Aislabie y Lloyd-Jones 1995; 2007; 2017; Larkin 2003; 2015). Por lo tanto, los cambios en la comunidad microbiana del suelo que se producen como resultado de las prácticas de gestión agrícola pueden utilizarse como indicadores sensibles de los procesos del suelo para la evaluación de la función del suelo (Hernández-Allica et al. 2006; 2018). Por lo tanto, la investigación de la estructura y diversidad de la comunidad microbiana del suelo en respuesta a diferentes estrategias de gestión de cultivos, incluida la aplicación de plaguicidas, puede ayudar a los agricultores a mejorar la sostenibilidad de sus prácticas de gestión (Maul et al. 2014).
La retirada del bromuro de metilo (MeBr), un producto químico que durante mucho tiempo se ha utilizado como uno de los principales fumigantes del suelo para la gestión de plagas transmitidas por el suelo, llevó a la investigación a encontrar alternativas ecológicamente aceptables y eficaces (Liu et al. 2015). Varios fumigantes, incluidos 1,3-dicloropropeno (1,3-D), cloropicrina y generadores de isotiocianato de metilo han sido registrados como reemplazos de MeBr en muchos países (Ajwa et al. 2003; 2011; 2009). Como un conocido nematicida con actividad fungicida e insecticida, 1,3-D se utiliza en múltiples cultivos. Los efectos de 1,3-D, cuando se aplican solos o en combinación con otros productos, sobre el rendimiento de los cultivos, las características de degradación de 1,3-D y la distribución y emisión de 1,3-D han sido ampliamente estudiados (Dungan et al. 2003; 2013; 2013; 2017; 2010, 2011; 2013a, b; 2010).
3-D puede persistir en suelos de unos días a varias semanas (Dungan et al. 2003; 2010) y puede presentar toxicidad para los organismos no objetivo debido a su amplia actividad biocida. Sin embargo, hay relativamente pocos estudios que hayan analizado los efectos de la fumigación 1,3-D en la comunidad microbiana del suelo no objetivo en comparación con el número de estudios que informan de efectos en sus plagas objetivo específicas. Un estudio anterior utilizó electroforesis de gel gradiente desnaturalización de PCR anidada para monitorear la estructura comunitaria de hongos en suelos a granel y suelo de rizosfera de espinacas después de la fumigación 1,3-D. Encontraron que el perfil de la comunidad de hongos y la diversidad cambiaron 2 meses después de la fumigación, pero se recuperaron dentro de los 6 meses posteriores a la fumigación (Hoshino y Matsumoto 2007). Sin embargo, otro estudio investigó comunidades bacterianas en suelos fumigados con 1,3-D utilizando 454 técnicas de pirosecuencia; los autores informaron que el tratamiento 1,3-D sólo aumentó la diversidad bacteriana y tuvo un efecto supresor sobre las poblaciones bacterianas del suelo autóctono o la abundancia al comienzo de los tratamientos en los campos de tomate (Liu et al. 2015).
El uso de técnicas avanzadas de secuenciación de alto rendimiento ha dado lugar a una acumulación explosiva de datos de investigación y ha mejorado enormemente nuestra comprensión de la microflora, incluidos los datos de especies de microorganismos incultos en el suelo (Bai et al. 2014). Sin embargo, a pesar del uso generalizado de 1,3-D como una práctica común para reducir el impacto de los nematodos en muchos cultivos diferentes, hay relativamente pocos estudios recientes que hayan documentado el impacto de 1,3-D en la comunidad microbiana del suelo utilizando métodos libres de cultivo. El objetivo de este estudio fue evaluar la respuesta de las comunidades microbianas del suelo a la aplicación de cuatro tasas de 1,3-D (103, 122, 140 y 187 litros/ha), y la perturbación del suelo asociada, en un campo de papa de Oregón en relación con un control no tratado, y para determinar si los impactos de 1,3-D en la estructura de la comunidad microbiana variaron entre dos profundidades del suelo.
La microflora del suelo es vital para el suelo sano y es una fuente de diversidad genética y metabólica (Wang et al. 2015), pero la aplicación de fumigantes se ha convertido en una práctica esencial para proteger muchos cultivos de patógenos transmitidos por el suelo, nematodos y malecieras. Los microorganismos del suelo experimentan perturbaciones (es decir, efectos transitorios o transitorios) tras la aplicación de fumigantes, modificaciones del suelo y otras prácticas agrícolas (Singh et al. 2015), pero el suelo puede ser un ecosistema robusto y los fumigantes pueden no tener un impacto en la comunidad microbiana en general. Diseñamos nuestro experimento para determinar si podíamos detectar el impacto de 1,3-D en la comunidad del suelo aproximadamente 1 mes de postfumigación, cuando se incluyó el tratamiento de 1,3-D como parte de las operaciones agrícolas típicas.
Observamos que los suelos de postratamiento tenían mayor riqueza bacteriana y fúngica y diversidad que los suelos de pretratamiento, incluso en las parcelas previas y posteriores al control (Tabla 1). Esto sugiere que perturbaciones moderadas como la incorporación de cultivos de cobertura en toda la parcela experimental, y el riego y la precipitación que ocurrieron antes del muestreo post-suelo, tiene un mayor impacto en las comunidades bacterianas y fúngicas en este suelo ecosistema que la fumigación (Galand et al. 2016; Lancaster et al. 2010). Investigaciones anteriores informaron que la aplicación de 1,3-D sólo tuvo efectos supresores transitorios en las bacterias autóctonas (Ibekwe et al. 2001; 2015); sin embargo, en el presente estudio, el aumento de las tasas de 1,3-D a 122 y 140 litros/ha dio lugar a una mayor riqueza bacteriana en suelos que no se observó en tratamientos que recibieron 1,3-D a tasas de 103 y 187 litros/ha en comparación con las parcelas de control al mismo tiempo de muestreo. Estos resultados sugieren que 1,3-D y otros factores ambientales podrían impulsar colectivamente el cambio de la estructura de la comunidad bacteriana (Santoyo et al. 2017). Por el contrario, los índices de diversidad y riqueza de las comunidades de hongos no se vieron afectados por la fumigación 1,3-D que está de acuerdo con los resultados obtenidos por Hoshino y Matsumoto (2007), quienes estudiaron el impacto del 1,3-D en la comunidad de hongos en un Districo-Silic Andisal, campo de espinacas de arcilla ligera.
Los índices de riqueza de los índices de comunidad bacteriana y diversidad de la comunidad de hongos fueron diferentes en muestras de suelo recogidas a dos profundidades, con índices más altos que se produjeron a 30,5 cm. Se llevó a cabo NMDS para examinar el efecto del tiempo de muestreo, profundidad y 1,3-D fumigación en la estructura general de la comunidad microbiana a nivel familiar. Las separaciones claras entre el pre- y el post-tratamiento, a las dos profundidades, y sus interacciones indican que la comunidad microbiana del suelo varió interactivamente en función del tiempo de muestreo y la profundidad. Por el contrario, la fumigación 1,3-D no tuvo ningún impacto en los perfiles generales de la comunidad microbiana en comparación con las gráficas de control no tratadas (Figs. 2 y 4), aunque algunas familias mostraron abundancias alteradas en respuesta a la fumigación 1,3-D. Estos hallazgos son consistentes con las relaciones observadas utilizando un mapa de calor agrupado jerárquicamente, excepto que los perfiles de comunidad microbiana en parcelas de muestras previas y posteriores se mezclaron que podrían atribuirse a propiedades físicas similares del suelo entre pre y post-muestras. También es posible que los gradientes de temperatura y humedad, así como la biomasa vegetal, influyan en la estructura de la comunidad microbiana del suelo a diferentes profundidades (Mandakovic et al. 2018; 2015; 2017).
Similar a algunos estudios previos que analizaron la composición de la comunidad microbiana en diversos ambientes o en respuesta a diferentes tratamientos (Dong et al. 2017; 2015; 2015; 2016; 2015; España y otros 2009), tres fila, entre ellas Proteobacterias, Firmicutes y Actinobacterias, predominaban en todas las muestras de suelo. No es de extrañar que Proteobacterias, una metamética y metabólicamente diversa, ambientalmente extendida y ecológicamente importante phylum fuera más abundante en nuestras muestras de suelo (Liu et al. 2015). Dentro de este filo, Gammaproteobacterias son responsables de la utilización de propionato, butatrato, y acetato, y Alphaproteobacterias, que podrían descomponer la glucosa eran dominantes (Garcia-Peña et al. 2011; 2018). Firmicutes fue el filo dominante clasificado sólo en segundo lugar a Proteobacterias. Muchas Firmicutes producen endosporas para sobrevivir a condiciones extremas (por ejemplo, Bacilli, Clostridia), y a menudo se encuentran en el suelo (Fimlaid y Shen 2015; Janssen 2006). Actinobacterias, que desempeñan un papel importante relacionado con la rotación de materiales orgánicos y el ciclo de carbono también fueron omnipresentes en nuestras parcelas (Nielsen et al. 2014).
Entre los hongos, el phylum dominante fue asignado a Ascomycota en todas las muestras de suelo. Esto está de acuerdo con estudios anteriores, que mostraron que Ascomycota representaba más secuencias totales en muestras de suelo como lo demostró el secuenciador Illumina HiSeq (Dong et al. 2017; 2013). Tres clases dominantes dentro de Ascomycota, Sordariomycetes, Eurotiomycetes y Saccharomycetes, desempeñan un papel crítico en la descomposición y el ciclo de nutrientes, y las altas abundancias de este filo en las muestras del suelo pueden estar asociadas con una enfermedad más alta capacidad de supresión (Shen et al. 2015).
En este estudio, demostramos que la fumigación 1,3-D no afectó significativamente a los perfiles generales de la comunidad microbiana ni a la riqueza microbiana y diversidad, aunque la riqueza bacteriana aumentó tras la aplicación de 1,3-D a 140 litros/ha. Las especies de la familia bacteriana Enterobacteriaceae, que pueden ser capaces de metabolizar rápidamente los invertebrados muertos, y las especies de la familia Ophiocordycipitaceae, que pueden ser patógenos invertebrados, fueron alteradas en abundancia en respuesta a diferentes tasas de tratamiento de fumigación. Sobre la base de los resultados, proponemos que la fumigación 1,3-D sólo tenga un efecto general menor en la estructura de la comunidad microbiana en suelos francoares arenosos. Sin embargo, los estudios futuros que determinan si las disminuciones de posibles patógenos fúngicos de invertebrados en las Ophiocordycipitaceae permiten que las poblaciones de nematodos se recuperen rápidamente después de la fumigación pueden estar justificados.
Agradecemos a Kristen Otto en la Universidad Estatal de Colorado por la asistencia de laboratorio, y al editor y el revisor anónimo por sus excelentes comentarios que mejoraron significativamente este artículo.
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