Introducción

La marchitez de Fusarium, producida por el hongo Fusarium oxysporum f. sp. cubense (FOC1; descubierto en 1874), devastó al sector bananero durante la primera mitad del siglo XX debido a la sensibilidad del clon Gros Michel; esto condujo a su reemplazo por el clon Gran Enano a partir de la década de 1950, el cual sigue siendo predominante a nivel mundial (^{Wang et al., 2012}). En la década de 1990, se identificó una nueva cepa de dicho hongo en el sudeste asiático llamada Fusarium oxysporum f. sp. cubense (FOC R4T), que afecta al cultivar Cavendish, los plátanos de cocción, los diploides comestibles y los plátanos verdes. Debido a la creciente diseminación de FOC, una de las bases para el manejo integrado de la enfermedad es el conocimiento del nicho que ocupa el nuevo patógeno y de la manera en que éste afecta las condiciones de vida del hospedero. Por ello, es vital conocer la microbiota del suelo y el fitobioma, especialmente las especies asociadas con las raíces. En este contexto, es importante analizar las comunidades de microorganismos que pueden interactuar con FOC bajo diferentes sistemas de cultivo (^{Shi et al., 2013}).

El suelo es un ecosistema con una gran variedad de poblaciones microbianas, las cuales influyen directamente en su actividad y en el crecimiento de las plantas. Los microorganismos son los primeros en reaccionar ante cambios físicos y químicos en el medioambiente, de ahí la importancia de analizar su comportamiento y sus interacciones, ya que permite establecer condiciones en las que se puede suprimir el FOC de la rizosfera del patosistema de cultivo de banano (^{Gryta, Frąc, & Oszust, 2014}). Se ha demostrado que la elaboración de perfiles fisiológicos de comunidades es muy eficaz para determinar los cambios espaciales y temporales en las comunidades de microorganismos del suelo. La evaluación de los datos generados a partir de pruebas metabólicas miniaturizadas incluye el desarrollo promedio del color (DPC), el índice de riqueza y la diversidad de Shannon (^{Frąc, Oszust, & Lipiec, 2012}). El DPC es un indicador general de la actividad metabólica de las comunidades microbianas, y se puede subdividir entre los grupos que tienen una naturaleza química similar, lo cual permite evaluar el potencial de la comunidad microbiana para degradar diferentes fuentes de carbono (^{Kenarova, Radeva, Traykov, & Boteva, 2014}). La identificación molecular de los indicadores que están presentes en las comunidades microbinas del suelo, así como su comparación, es una manera adecuada de encontrar diferencias entre las funciones de los agroecosistemas.

Los organismos del suelo son un componente integral de los ecosistemas, pero sus actividades son poco reconocidas en las estrategias de manejo. La intensidad en el uso de la tierra aumenta constantemente a escala mundial, con efectos adversos en los ecosistemas del suelo (^{Stavi & Lal, 2015}). Una cuarta parte del suelo a nivel mundial se enfrenta a la degradación, y cada vez más estudios muestran que el uso intensivo de la tierra amenaza la biodiversidad del suelo. Para aumentar la biodiversidad edáfica, los cambios específicos en la composición de la comunidad del suelo se pueden complementar entre sí para aumentar la sostenibilidad del ecosistema (^{Tsiafouli et al., 2015}) y mejorar la sanidad del suelo, esto en términos de promover su resiliencia y ser más supresivo contra algunos patógenos. En general, algunos estudios han demostrado que los microorganismos del suelo participan en los ciclos del nitrógeno y el carbono, y que también mejoran la nutrición de las plantas (^{Bommarco, Kleijn, & Potts, 2013}).

En los ecosistemas naturales, las plantas silvestres dependen de la actividad y la función de sus comunidades de la rizosfera para defenderse de las plagas y las enfermedades del suelo (^{Huang et al., 2013}). A lo largo del tiempo evolutivo, las plantas desarrollaron relaciones estrechas con algunos microorganismos del suelo, beneficiándose de su capacidad para inhibir patógenos de las plantas. Actualmente, existen muchas herramientas moleculares que permiten mejorar nuestro entendimiento del microbioma del suelo y las funciones de los microorganismos asociados a las plantas. La ingeniería de las interacciones de la biota planta-suelo (a través de la inoculación del suelo), la modificación del genoma, la secuenciación del metagenoma y la selección de los rasgos de las plantas ofrecen una vía prometedora para hacer frente de manera rápida a los desafíos futuros, tanto de los sistemas naturales como de los agrícolas (^{Mariotte et al., 2018}).

Un desafío actual es ir más allá de predecir la función del genoma, basándose en el genoma y el metagenoma, para comprender las funciones reales que realiza el microbioma del suelo in situ. Algunos científicos descubrieron que para controlar o manejar el FOC R4T es necesario aplicar estrategias de manejo más eficientes y eficaces (como el control biológico), siendo, posiblemente, necesario usar hongos micorrícicos arbusculares (HMA) y rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (RPCV) para superar la enfermedad (^{Siamak & Zheng, 2018}). Otros autores sugieren que el éxito de la colonización de las rizosferas hospederas es muy importante para el control eficaz de los patógenos transmitidos por el suelo, y han demostrado que la aplicación combinada de cepas de bacterias endófitas y rizosféricas conduce a una supresión eficaz del FOC (^{Ploetz, 2006}; ^{Thangavelu & Gopi, 2015}).

El futuro de la lucha contra el FOC está basado en el conocimiento completo de los microbios naturales del suelo, los cuales desempeña un papel muy importante en el control de patógenos y mejoran el crecimiento de las plantas, la sanidad del suelo y su resiliencia frente a todos los cambios climáticos. Las poblaciones y las comunidades microbianas hacen que el suelo sea supresor de enfermedades, y son benéficas para el ciclo de nutrientes del suelo y el crecimiento de las plantas (^{Xinqi et al., 2015}). Por lo anterior, el objetivo de este estudio fue establecer las diferencias entre las comunidades microbianas asociadas con los cultivos de banano clon Gros Michel, así como sus perfiles bioquímicos, en plantaciones bajo diferentes condiciones agronómicas, para comprender los factores que contribuyen al control efectivo de la fusariosis del bananero.

Materiales y métodos

Resultados

Perfil bioquímico de las comunidades microbianas asociadas a FOC R1

Los valores del DPC se transformaron utilizando el log₁₀, y mostraron cambios en la abundancia microbiana y la actividad metabólica (Figura 1). Se observó un aumento en la absorbancia conforme avanzó el tiempo de incubación. Las plantaciones abandonadas (5 y 6) mostraron la reacción más rápida, y la plantación testigo (7), la más lenta.

Figura 1 Desarrollo promedio del color (DPC) de las siete plantaciones estudiadas durante las 108 h de incubación. Plantaciones 1 y 2 = orgánicas; Plantaciones 3 y 4 = manejo agronómico convencional intermedio; Plantaciones 5 y 6 = abandonadas; Plantación 7 = bosque (testigo negativo). 

La plantación 6 presentó los mayores valores de absorbancia entre las 20 y 108 h, lo cual indica una respuesta metabólica alta a los sustratos. Las plantaciones 1, 2 y 5 mostraron comportamientos similares en los perfiles a lo largo del experimento, y las plantaciones 3 y 7 presentaron un perfil menor a 1 en el valor de absorbancia.

El número total de fuentes de carbono metabolizadas por los microorganismos del suelo en relación con el número total de sustratos se observa mediante la riqueza específica (Figura 2), en donde el mayor número de sustratos metabolizados se obtuvo a las 108 h con la plantación 6 (abandonada). En términos de diversidad, los resultados muestran que la plantación 2 tuvo la mayor diversidad funcional a las 108 h de incubación (Figura 3).

Figura 2 Índice de riqueza de las comunidades microbianas de las siete plantaciones estudiadas a las 108 h de incubación en placas EcoPlates a 26 °C. Plantaciones 1 y 2 = orgánicas; Plantaciones 3 y 4 = manejo agronómico convencional intermedio; Plantaciones 5 y 6 = abandonadas; Plantación 7 = bosque (testigo negativo). ^zLetras iguales entre barras no difieren estadísticamente (Kruskal-Wallis, P ≤ 0.001). 

Figura 3 Índice de Shannon-Weaver de las comunidades microbianas de las siete plantaciones estudiadas a 108 h de incubación en placas EcoPlates a 26 °C. Plantaciones 1 y 2 = orgánicas; Plantaciones 3 y 4 = manejo agronómico convencional intermedio; Plantaciones 5 y 6 = abandonadas; Plantación 7 = bosque (testigo negativo). ^zLetras iguales entre barras no difieren estadísticamente (Kruskal-Wallis, P ≤ 0.004). 

En cuanto al ACP, los dos primeros comprendieron el 88.8 % de la varianza (Figura 4). El CP1 muestra una importante correlación positiva con los aminoácidos, polímeros y ácidos carboxílicos y, al mismo tiempo, existe una fuerte correlación negativa con las aminas. El CP2 tiene una correlación alta y positiva con los carbohidratos, una importancia media con las aminas y una fuerte correlación negativa con los fenoles. Las plantaciones 3 y 7 están influenciadas positivamente por el CP1, mientras que las plantaciones 2 y 3 están influenciadas positivamente por el CP2. El resto de las plantaciones (1, 6, 5 y 4) están muy cerca del valor 0, o del eje del gráfico, aunque la plantación 4 también parece estar un poco asociada con los compuestos fenólicos (Figura 4).

Figura 4 Diagrama Biplot del análisis de componentes principales obtenido del análisis del desarrollo promedio del color (DPC) a las 54 h de incubación en placas EcoPlates. Plantaciones 1 y 2 = orgánicas; Plantaciones 3 y 4 = manejo agronómico convencional intermedio; Plantaciones 5 y 6 = abandonadas; Plantación 7 = bosque (testigo negativo). 

Discusión

El análisis metabólico de las comunidades microbianas implica la caracterización de patrones bioquímicos que permiten establecer el consumo de las fuentes de carbono en un tiempo determinado. En términos generales, la relación diversidad-función se puede determinar a partir de la comunidad microbiana presente (^{Arteaga-Garibay, Gómez-Estrada, Martínez-Peña, Cadena-Zamudio, & Avendaño-Arrazate, 2016}).

El perfil metabólico obtenido mostró que el abandono y la intervención agronómica son condiciones que hacen que las comunidades microbiana sean diferentes. En este caso, los niveles más altos de DPC estuvieron presentes en las plantaciones de manejo convencional (4) y la abandonada (6). No obstante, en términos de riqueza y diversidad, las plantaciones orgánicas (1 y 2) se mantuvieron entre los índices más altos junto con la plantación abandonada (6) y la testigo (7).

El DPC de las plantaciones orgánicas es similar en ambas, aunque son muy diferentes de los otros sistemas (sistemas convencionales y abandonados). Algunos autores como ^{Liu, Tu, Hu, Gumpertz, y Beagle-Ristaino (2006)} indican que las plantaciones orgánicas son las que muestran las mayores diferencias en relación con otros tipos de manejo, lo cual coincide con lo encontrado en este trabajo, en donde la plantación 4 presentó valores más altos en el DPC en comparación con el comportamiento de las plantaciones orgánicas. No obstante, esto se puedo deber al alcance de la intervención en cada plantación.

^{Liu et al. (2006)} encontraron diferencias significativas en cuanto a la riqueza funcional de las comunidades microbianas, obteniendo valores de riqueza más altos en las plantaciones orgánicas al realizar análisis comparativos entre los distintos tipos de sistemas de manejo agronómico. En este trabajo, se obtuvieron valores de riqueza altos en las plantaciones orgánicas (1 y 2), observándose diferencias estadísticas con la plantación 3 (Figura 2).

Las similitudes encontradas en el índice de Shannon sugieren que las prácticas de manejo no ejercen una influencia importante en la estructura funcional de las comunidades microbianas del suelo (^{Lopes et al., 2010}). Los bajos valores del índice de Shannon-Weaver sugieren que los miembros de las diferentes comunidades son muy similares entre sí, lo cual no les permite tener niveles altos de diversidad funcional.

^{Deltour et al. (2017)} analizaron el impacto del FOC en diferentes lugares de una plantación manejada bajo un sistema agroforestal basado en principios agroecológicos (sin el uso de fertilizantes sintéticos), y encontraron que el área con los niveles más altos de supresión de FOC era la manejada sobre la base de un sistema agroforestal total desde 1995. Dichas áreas tenían algunas características específicas, como valores más altos del contenido de arcilla en el suelo, del pH y de conductividad eléctrica (CE). Estos autores también observaron que las áreas con un mayor grado de supresión presentaban una mayor diversidad de otros cultivares de banano, una menor cobertura del suelo y una mayor abundancia de árboles adultos (^{Deltour et al., 2017}).

Se ha comprobado que una combinación de al menos dos variedades de banano, con diferentes niveles de resistencia a la marchitez por Fusarium, se asocia con un mayor grado de supresión de la enfermedad (^{Karangwa, Blomme, Beedd, Niyongere, & Viljoen, 2016}). Dado que los bananos difieren en la composición bioquímica de sus raíces y en la exudación de las mismas, estos pueden ser colonizados por diferentes comunidades microbianas y, por lo tanto, modular los patógenos edáficos (^{Wuyts et al., 2007}).

^{Shen et al. (2019)} estudiaron el uso de fertilizantes sintéticos y plaguicidas químicos (como el amoníaco) en el manejo agronómico convencional y encontraron que los suelos fumigados presentaban una menor abundancia de microbios fúngicos y de FOC; sin embargo, hubo una diferencia no significativa en la comunidad bacteriana en ambos casos: suelos fumigados y suelos no fumigados. Además, la diversidad de Shannon no mostró ningún efecto significativo en la comunidad microbiana de ambos suelos.

La aplicación de biofertilizantes después de fumigar el suelo modifica la comunidad microbiana del suelo perturbada por el monocultivo de banano, lo cual da lugar a una comunidad microbiana única. Esto indica que, en algunos casos, los mejoradores orgánicos (como los biofertilizantes) aplicados al suelo después de la fumigación pueden ser benéficos para la diversificación de la comunidad microbiana, lo que da lugar a una reducción del FOC en el suelo (^{Shen et al., 2019}; ^{Wang et al., 2012}).

El ACP mostró una alta correlación positiva de los ácidos carboxílicos, polímeros y aminoácidos en el CP1, lo que denota la importancia de estas sustancias en la dinámica microbiana del suelo. Estos compuestos forman parte de la materia orgánica, que está constituida por residuos animales y vegetales en diferentes grados de descomposición; la mayoría de estos compuestos son carbohidratos, celulosa, lignina, proteínas, aminoácidos y ceras. Todas estas sustancias son fuente primaria de nutrientes para macro- y microorganismos (^{Schmidt et al., 2011}). Los ácidos carboxílicos también pueden ser exudados por las plantas a través de las raíces (esto puede ocurrir debido al estrés causado por la falta de nutrientes); estos exudados, a su vez, proporcionan alimento y energía para los microorganismos en el suelo (^{López-Reyes et al., 2012}). En los procesos de renovación del suelo se metabolizan principalmente los polímeros más complejos, los ácidos carboxílicos y los aminoácidos (^{Food and Agriculture Organization of the United Nations [FAO], 2006}).

En cuanto a las aminas, en el CP1 no son consumidas, pero en el CP2 son el segundo factor de consumo. Esto sitúa los puntos muy cercanos del eje central del gráfico, lo que puede sugerir que las plantaciones situadas cerca de él no muestran una predilección clara por un determinado sustrato. Las plantaciones orgánicas (1 y 2) no mostraron diferencias estadísticas significativas entre sí, tanto en el análisis del perfil fisiológico como en algunos de los CP; por lo tanto, se puede decirse que tienen un comportamiento bioquímico muy homogéneo.

La plantación 7 (testigo) muestra un comportamiento altamente influenciado por los ácidos carboxílicos, aminoácidos y polímeros; por ende, tiende a los valores positivos del CP1. ^{Jangid et al. (2008)} detallaron las diferencias químicas y biológicas de bosques que se utilizan frecuentemente como testigos en estudios agronómicos de plantaciones. Se han encontrado diferencias en el uso de fuentes de carbono por parte de los microorganismos forestales en comparación con los de suelos agrícolas, y se ha observado un mayor consumo de sustratos menos energéticos como los ácidos carboxílicos y los aminoácidos. Lo anterior debido, probablemente, a que la cobertura forestal tiene altas concentraciones de materia orgánica, y sin alteración mecánica del suelo se presentan valores de pH más bajos; por tanto, los microorganismos presentes tienen una mayor preferencia por sustratos ácidos (^{Brackin, Robinson, Lakshmanan, & Schmidt, 2013}).

En cuanto a las diversas funciones desempeñadas por los microorganismos en el suelo, se eligieron los grupos de mayor importancia para las plantaciones bananeras. Los resultados muestran la presencia de la bacteria Bacillus en todos los sitios, situación que han informado otros investigadores (^{Fu, Ruan, Tao, Rong, & Shen 2016}), donde Bacillus spp. está catalogada como una de las especies más predominantes en los suelos de explotaciones bananeras, incluso bajo diferentes tipos de manejo agronómico (orgánico y convencional). Una de las funciones principales de Bacillus spp. es degradar la celulosa; sin embargo, algunos autores indican que estas bacterias también pueden desempeñar otras funciones vitales en los suelos, como la solubilización de la urea, la oxidación de compuestos nitrogenados y la producción de antibióticos (^{Chaparro, Sheflin, Manter, & Vivanco, 2011}).

Otros organismos, como Azospirillum spp. y Nostoc spp., presentaron resultados variables en cuanto a su presencia en diferentes áreas de muestreo. Los resultados muestran que no hay uniformidad entre las comunidades microbianas de los sitios bajo el mismo manejo agronómico, lo cual coincide con otros estudios que describen diferencias microbiológicas en plantaciones orgánicas. ^{Wessén, Hallin, y Philippot (2010)} encontraron que realizar actividades diferentes y aplicar diferentes mejoradores orgánicos a esta modalidad de cultivo causan efectos distintos en el suelo, lo que promueve la actividad metabólica en algunos casos, pero en otros no. Por lo tanto, bajo el mismo tipo de manejo agronómico, las actividades agrícolas podrían marcar una diferencia importante en términos de la composición del microbioma.

Los resultados muestran que la plantación con mayor presencia de microorganismos indicadores benéficos es una de manejo convencional (plantación 4), en la cual se destacaron los microorganismos Azospirillum spp., Nostoc spp. y Bacillus spp. (Cuadro 3), mientras que no se detectó la presencia de Ralstonia spp. La ausencia de este patógeno podría ser una señal de prácticas eficaces de protección del cultivo, y la presencia de numerosos indicadores benéficos podría indicar un buen manejo del suelo. Nostoc spp. se caracteriza por ser un fotosintetizador con capacidad para fijar nitrógeno atmosférico; estas características le permiten ser uno de los primeros colonizadores de la materia en descomposición, al proporcionar oxígeno al medioambiente por medio de la fotosíntesis, y con ello permitir el crecimiento de otras bacterias aeróbicas (^{Obana, Miyamoto, Morita, Ohmori, & Inubushi, 2007}). Por su parte, Azospirillum spp. se asocia con compuestos ricos en fósforo, solubilización y fijación de nitrógeno atmosférico, y secreción de reguladores de crecimiento vegetal (^{García-Orenes et al., 2010}; ^{Méndez-Gómez, Castro-Mercado, & García-Pineda, 2014}).

Debido a la alta incidencia de Bacillus en la rizosfera de todas las plantaciones muestreadas, se considera que es un microorganismo muy importante para la sanidad del suelo, ya que promueve el crecimiento vegetativo y, al mismo tiempo, tiene un efecto antibiótico contra fitopatógenos. Sorpresivamente, la plantación 7 (testigo) presenta Ralstonia sp. y no la mayoría de los indicadores de ciclo.

Los resultados obtenidos en el análisis químico del suelo muestran que todas las plantaciones tienen una CICE más alta que el valor teórico establecido para un nivel de fertilidad alto (^{Estrada-Herrera et al., 2017}). En las plantaciones con labranzas cero (abandonadas), se pueden apreciar valores altos de CICE. Esta característica favorece la concentración de materia orgánica y compuestos de nitrógeno; además, evita la erosión, disminuye la lixiviación de minerales en el suelo y las condiciones microbiológicas generales (^{Sadzawka, 2011}). La acidificación que se produce en los sistemas de labranza cero no necesariamente significa un aumento del aluminio intercambiable, ya que no se altera la estructura física del suelo y el contenido de compuestos orgánicos aumenta, los cuales son capaces de atrapar iones de Al y disminuir la toxicidad de este compuesto para las plantas.

Conclusiones

El perfil metabólico, la diversidad y la riqueza de cada plantación se vieron afectados por el tipo de manejo agronómico utilizado, aunque la composición de las comunidades en la rizosfera de las plantas de banano parece estar determinada por una serie de factores sumamente complejos. La plantación 4 (convencional intermedia) presentó los valores más favorables en todos los factores analizados; dichos valores indican que se trata de un suelo metabólicamente activo bajo la presencia de poblaciones benéficas.

Se observaron diferencias en los factores químicos y físicos, y en las comunidades microbianas del suelo en los diferentes sistemas de manejo agronómico. El análisis de secuenciación determinó que el género Bacillus es el grupo que predominó en todas las plantaciones, pero se encontraron diferencias en cuanto a la presencia de otros microorganismos indicadores. Existen importantes grupos de microorganismos que reflejan la sanidad del suelo y la resistencia a patógenos (Baccillus, Azospirrillum, Nostoc, y Streptomyces). Las comunidades microbianas establecidas en la rizosfera del banano y los factores que las afectan son algunos de los aspectos menos conocidos en el desarrollo de buenas prácticas agrícolas.