Desarrollo de nuevos bioestimulantes agrícolas, a partir de la combinación de microorganismos y extractos vegetales, contra el estrés abiótico en cultivos de cereales y leguminosas

Abstract

Los cultivos de cereales y de leguminosas han sido, históricamente, esenciales para la alimentación humana y el desarrollo socio-económico. Sin embargo, en los últimos años, estos cultivos se han enfrentado a diversos retos debido principalmente a los cambios en las políticas agrarias, fluctuaciones en las demandas del mercado y consecuencias del cambio climático. En un contexto donde la seguridad alimentaria es una preocupación global debido al crecimiento poblacional y al impacto del cambio climático en la producción agrícola, se buscan alternativas sostenibles para mejorar el rendimiento de los cultivos sin depender excesivamente de fertilizantes de síntesis química y otros productos agrícolas convencionales. Los bioestimulantes se presentan como una herramienta alternativa sostenible, que pueden incluir microorganismos beneficiosos y/o extractos vegetales que mejoran la fisiología y el desarrollo de los cultivos. Este trabajo de investigación se centra en el desarrollo y evaluación de bioestimulantes microbianos y vegetales, y su combinación, para mejorar la productividad agrícola y la resistencia de los cultivos al estrés abiótico. Se realizaron ensayos en condiciones controladas y pruebas en campo. En primer lugar, se seleccionó Bacillus velezensis A6, entre varias cepas bacterianas, depositadas en colecciones internacionales; por su capacidad de esporulación, su estabilidad, su resistencia a condiciones extremas y su poder bioestimulante. Asimismo, se analizaron diversos bioestimulantes a base de extractos vegetales, mediante técnicas cromatográficas para caracterizar su perfil fitoquímico, entre los que destacaron compuestos bioactivos como polifenoles y fitohormonas, en particular en el bioestimulante 377/21. En paralelo, se detectaron y aislaron bacterias tras una caracterización microbiológica de los bioestimulantes vegetales, entre las que destacaron Priestia megaterium, Bacillus altitudinis, Microbacterium hominis y Staphylococcus warneri por su capacidad de solubilización de fósforo, producción de ácido indolacético y sideróforos. La combinación de B. velezensis A6 con los bioestimulantes a base de extractos vegetales, mostró interacciones sinérgicas y antagónicas en términos de crecimiento y viabilidad. Se observó que algunos favorecieron el crecimiento de B. velezensis A6, mientras que otros limitaron su supervivencia, siendo el bioestimulante 377/21 el que presentó mayor estabilidad microbiana. De la combinación entre los aislados bacterianos y 377/21, M. hominis mostró un crecimiento representativo que podría alterar la composición del bioestimulante vegetal, mientras que P. megaterium mostró mayor neutralidad. Estos resultados destacan la importancia de optimizar las combinaciones para garantizar su eficacia y estabilidad a largo plazo. En los ensayos en condiciones controladas, se estudiaron tanto los bioestimulantes microbianos como los vegetales en cultivos modelo de hortícolas, sometidos a estrés hídrico. Se tomaron datos de indicadores fisiológicos como la acumulación de peróxido de hidrógeno, la cuantificación de pigmentos fotosintéticos, biomasa total y los parámetros agronómicos de las plantas tratadas. Los resultados mostraron que la aplicación de B. velezensis A6 mejoró significativamente la tolerancia al estrés hídrico en comparación con las cepas aisladas, mientras que el bioestimulante vegetal 377/21 mostró la mayor capacidad de retirar especies reactivas oxígeno del tejido vegetal y un efecto positivo en la recuperación del metabolismo vegetal. La combinación de ambos bioestimulantes se evaluó en condiciones de sequía en garbanzo, como cultivo representativo de leguminosas, resultando una solución beneficiosa. La aplicación combinada, incrementó el crecimiento de las plantas, mostró un mejor contenido hídrico relativo en los tejidos vegetales y una menor pérdida de agua en comparación con el testigo no tratado, mitigando los efectos de la sequía y mejorando la resistencia de las plantas frente al estrés abiótico. Las pruebas en campo se realizaron en cultivos de maíz y trigo para evaluar la efectividad de los bioestimulantes en condiciones reales. En el maíz, la combinación de B. velezensis A6 y 377/21 aumentó el peso de la mazorca, el rendimiento total del cultivo y mejoró el perfil nutricional de las hojas. Además, se observó una reducción en la presencia de fumonisinas en los granos, lo que implica beneficios adicionales en términos de seguridad alimentaria. En el trigo, el mismo tratamiento combinado, mejoró el contenido nutricional de los granos y el rendimiento del cultivo, lo que confirma su potencial para optimizar la producción agrícola sin necesidad de aumentar la fertilización convencional. Los resultados del estudio demuestran que el uso de bioestimulantes microbianos y vegetales representa una estrategia efectiva para mejorar el crecimiento de los cultivos y aumentar su resistencia a condiciones adversas. La cepa B. velezensis A6 destacó por su capacidad de para formar esporas de resistencia, lo que le otorga ventajas en términos de estabilidad y almacenamiento, mientras que el bioestimulante vegetal 377/21 aporta un perfil fitoquímico que potencia la respuesta de las plantas al estrés ambiental. La combinación de estos bioestimulantes no solo mejora la producción agrícola, sino que también ofrece una alternativa más sostenible y respetuosa con el medio ambiente frente a los métodos tradicionales de fertilización. Dado el éxito de los ensayos tanto en condiciones controladas como en campo, la combinación de estos bioestimulantes tiene un alto potencial para su comercialización y aplicación a gran escala. Sin embargo, se recomienda continuar con estudios adicionales para optimizar las formulaciones, evaluar su eficacia en distintos tipos de suelo y condiciones climáticas, y asegurar su compatibilidad con otros insumos agrícolas. El desarrollo de soluciones bioestimulantes basadas en la combinación de microorganismos y extractos vegetales representa un paso importante hacia una agricultura más sostenible, capaz de responder a los desafíos actuales de productividad, seguridad alimentaria y cambio climático

Cereal and legume crops have historically been essential for human nutrition and socio-economic development. However, in recent years, these crops have faced various challenges primarily due to changes in agricultural policies, market demand fluctuations and the consequences of climate change. In a context where food security is a global concern due to population growth and the impact of climate change on agricultural production, sustainable alternatives are being sought to improve crop yields without relying excessively on synthetic fertilizers and other conventional agricultural products. Biostimulants emerge as a sustainable alternative tool, including beneficial microorganisms and/or plant extracts that enhance crop physiology and development. This research focuses on the development and evaluation of microbial and plant-based biostimulants, as well as their combination, to improve agricultural productivity and crop resilience to abiotic stress. Trials were conducted under controlled conditions and in field tests. First, Bacillus velezensis A6 was selected among several deposited bacteria strains, in international institutions, due to its sporulation capacity, stability, resistance to extreme conditions and biostimulant properties. Additionally, various plant-based biostimulants were analyzed using chromatographic techniques to characterize their phytochemical profile. Bioactive compounds such as polyphenols and phytohormones were particularly notable, especially in biostimulant 377/21. In parallel, bacteria were detected and isolated following a microbiological characterization of the plant-based biostimulants. Among them, Priestia megaterium, Bacillus altitudinis, Microbacterium hominis and Staphylococcus warneri stood out for their ability to solubilize phosphorus, produce indole-3-acetic acid and synthesize siderophores. The combination of Bacillus velezensis A6 with plant extract-based biostimulants exhibited both synergistic and antagonistic interactions in terms of growth and viability. Some biostimulants promoted the growth of B. velezensis A6, while others limited its survival, with biostimulant 377/21 showing the highest microbial stability. Among the combinations of bacterial isolates and 377/21, Microbacterium hominis exhibited significant growth, which could alter the composition of the plant-based biostimulant, whereas Priestia megaterium showed greater neutrality. These results highlight the importance of optimizing combinations to ensure their long-term efficacy and stability. In controlled-condition trials, both microbial and plant-based biostimulants were studied in model horticultural crops subjected to water stress. Physiological indicators such as hydrogen peroxide accumulation, quantification of photosynthetic pigments, total biomass and agronomic parameters of treated plants were recorded. The results showed that the application of Bacillus velezensis A6 significantly improved tolerance to water stress compared to the isolated strains, while the plantbased biostimulant 377/21 demonstrated the highest ability to remove reactive oxygen species from plant tissue and had a positive effect on plant metabolism recovery. The combination of both biostimulants was evaluated under drought conditions in chickpea (Cicer arietinum), as a representative legume crop, resulting in a beneficial solution. The combined application enhanced plant growth, improved relative water content in plant tissues and reduced water loss compared to the untreated control, mitigating the effects of drought and increasing plant resistance against abiotic stress. Field trials were conducted in maize and wheat crops to evaluate the effectiveness of the biostimulants under real conditions. In maize, the combination of Bacillus velezensis A6 and 377/21 increased cob weight, overall crop yield and improved the nutritional profile of the leaves. Additionally, a reduction in fumonisin presence in the grains was observed, providing further benefits in terms of food safety. In wheat, the same combined treatment enhanced the nutritional content of the grains and increased crop yield, confirming its potential to optimize agricultural production without the need to increase conventional fertilization. The study results demonstrate that the use of microbial and plant-based biostimulants is an effective strategy to enhance crop growth and increase their resilience to adverse conditions. The Bacillus velezensis A6 strain stood out for its ability to form resistant spores, providing advantages in terms of stability and storage, while the plant-based biostimulant 377/21 contributed a phytochemical profile that enhances plant responses to environmental stress. The combination of these biostimulants not only improves agricultural production but also offers a more sustainable and environmentally friendly alternative to traditional fertilization methods. Given the success of the trials under both controlled and field conditions, the combination of these biostimulants has high potential for commercialization and large-scale application. However, further studies are recommended to optimize formulations, evaluate their efficacy across different soil types and climatic conditions and ensure their compatibility with other agricultural inputs. The development of biostimulant solutions based on the combination of microorganisms and plant extracts represents a significant step toward more sustainable agriculture, capable of addressing current challenges related to productivity, food security and climate change.