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Functional and Statistical Validation of Nitrogen-Fixing Plant Growth–Promoting Bacteria for Ethylene Regulation and Seed Germination Under Osmotic Stress

Este estudio valida la eficacia funcional y estadística de bacterias fijadoras de nitrógeno seleccionadas, particularmente *Lactobacillus pasteurii* DSM 23907 y *Bacillus rugosus*, en la mitigación del estrés osmótico y en la mejora significativa de la germinación de semillas y el vigor de las plántulas mediante mecanismos que incluyen la producción de amoníaco, la actividad de la ACC desaminasa y la función de la nitrogenasa.

Autores originales: Gottumukkala Hiranmayee, Sarada Prasanna Mallick, Chinthalapudi Aravind, Gandu Harini, Koppula Akshay, Palnati Purna Mahesh, Kari Sree Ranga Mangala Deepika, Golamari Siva Reddy

Publicado 2026-08-10

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CC BY 4.0

Autores originales: Gottumukkala Hiranmayee, Sarada Prasanna Mallick, Chinthalapudi Aravind, Gandu Harini, Koppula Akshay, Palnati Purna Mahesh, Kari Sree Ranga Mangala Deepika, Golamari Siva Reddy

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el suelo como una ciudad bulliciosa donde las plantas son los residentes y los diminutos e invisibles microbios son los vecinos serviciales. Algunos de estos vecinos son como maestros chefs que pueden convertir el aire que respiramos —específicamente el gas nitrógeno, que es inútil para las plantas por sí solo— en una comida deliciosa y nutritiva llamada amoníaco. Este proceso se llama "Fijación Biológica de Nitrógeno", y es la forma en que el mundo de las plantas fabrica su propio fertilizante. Pero la vida en esta ciudad del suelo no siempre es fácil. A veces, el clima se vuelve demasiado caluroso y seco, creando "estrés osmótico", que es solo una forma elegante de decir que el agua es tan escasa o salada que las plantas no pueden beberla, lo que hace que se marchiten y tengan dificultades para crecer.

Entran en escena las "Bacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal" (PGPB, por sus siglas en inglés). Piensa en ellas como los guardaespaldas definitivos de las plantas. No solo traen comida; también tienen un truco especial para reducir los niveles de estrés de las plantas. Las plantas producen un químico llamado etileno cuando están asustadas o estresadas (como durante una sequía), el cual actúa como un botón de pánico que de hecho puede detener su crecimiento. Algunas bacterias poseen una herramienta llamada "ACC deaminasa", que actúa como un consejero de alivio del estrés, descomponiendo ese botón de pánico para que la planta pueda seguir creciendo incluso cuando las cosas se ponen difíciles. Los científicos siempre están en busca de los mejores vecinos bacterianos para ayudar a los agricultores a cultivar alimentos sin depender tanto de los fertilizantes químicos, especialmente a medida que el clima se vuelve más seco.

Este estudio es como un campamento de pruebas para cuatro candidatos bacterianos específicos: Corynebacterium accolens, Bacillus rugosus, Lactobacillus pasteurii DSM 23907 y Cytobacillus firmus. Los investigadores querían ver cuáles de estos microbios eran los verdaderos campeones en dos cosas: fabricar alimento de nitrógeno y calmar el estrés de las plantas. Los sometieron a una serie de pruebas, comenzando con la verificación de cuánto amoníaco podían producir. Los resultados mostraron que Corynebacterium accolens, Bacillus rugosus y Lactobacillus pasteurii fueron los pesos pesados, produciendo mucho amoníaco, mientras que los otros fueron un poco más débiles.

Después, el equipo probó sus habilidades de "alivio del estrés" midiendo la actividad de la ACC deaminasa. Esta es la enzima que reduce los niveles de pánico de la planta. Aquí, Lactobacillus pasteurii DSM 23907 fue la estrella clara, mostrando la mayor actividad con 1.487 ± 0.050 µmol α-KB mg⁻¹ proteína h⁻¹, seguida de cerca por Bacillus rugosus con 1.050 ± 0.044. Los otros dos bacterias tuvieron una actividad significativamente menor. Para verificar nuevamente sus poderes de fabricación de nitrógeno, los científicos utilizaron una prueba llamada Ensayo de Reducción de Acetileno, que mide cuánto gas etileno producen las bacterias como señal del trabajo de fijación de nitrógeno. Nuevamente, Lactobacillus pasteurii DSM 23907 se llevó la corona con la actividad más alta de 38.46 ± 3.59 nmol/OD/hr, superando significativamente a los demás.

Sin embargo, el verdadero drama ocurrió en el laboratorio de germinación de semillas. Los investigadores tomaron semillas de okra y las pusieron en un "simulador de sequía" usando una sustancia llamada Polietilenglicol (PEG) para crear estrés hídrico. Como era de esperar, las semillas estresadas sin ayuda estaban en problemas: sus tasas de germinación cayeron a alrededor del 40% o incluso al 34%, tardaban más en brotar y sus plántulas eran débiles y cortas. Pero cuando los investigadores añadieron las bacterias, la historia cambió por completo. Las semillas inoculadas con Bacillus rugosus o Lactobacillus pasteurii se recuperaron, con las tasas de germinación disparándose de nuevo hasta alrededor del 76–77%. No solo brotaron más, sino que también crecieron más rápido y fuertes. El "Índice de Vigor de la Plántula", una puntuación que combina cuántas semillas brotaron con qué tan grandes llegaron a ser, se más que duplicó para las semillas tratadas con bacterias en comparación con las semillas estresadas que no recibieron ayuda.

Los datos sugieren que, si bien todas las cuatro bacterias tenían buenos rasgos, Lactobacillus pasteurii DSM 23907 fue la más consistente en todos los aspectos, seguida de Bacillus rugosus. Estas dos demostraron que no solo podían fijar nitrógeno, sino también proteger eficazmente las semillas de los efectos severos de la sequía. El estudio concluye que estas bacterias son candidatas prometedoras para convertirse en "biofertilizantes": ayudantes naturales que podrían ayudar a los agricultores a cultivar cultivos en condiciones secas sin necesidad de tantos insumos químicos. Sin embargo, los autores señalan que estos resultados provienen de experimentos de laboratorio, y se necesitan más pruebas en invernaderos y campos reales para confirmar que funcionan igual de bien en el mundo real, que es desordenado e impredecible.

Resumen Técnico: Validación Funcional y Estadística de Bacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal con Capacidad de Fijación de Nitrógeno para la Regulación del Etileno y la Germinación de Semillas bajo Estrés Osmótico

Planteamiento del Problema
Las plantas requieren nitrógeno para procesos fisiológicos esenciales, sin embargo, el nitrógeno atmosférico (N₂) es inerte y debe convertirse en formas biodisponibles como el amonio. Aunque la fijación biológica de nitrógeno (FBN) por diazótrofos es una solución natural, la eficiencia de los fertilizantes sintéticos de nitrógeno sigue siendo baja (<50% de absorción), lo que provoca la degradación ambiental. Además, los estreses abióticos, particularmente el estrés osmótico causado por la sequía y la salinidad, inhiben severamente la germinación de las semillas, retrasan el tiempo de germinación y estancan el crecimiento de las plántulas al alterar el potencial hídrico y elevar los niveles de etileno. Existe la necesidad de identificar y validar aislados bacterianos autóctonos y no simbióticos que posean rasgos multifuncionales —específicamente la fijación de nitrógeno y la regulación del etileno— para servir como biofertilizantes sostenibles capaces de mitigar estos estreses.

Metodología
El estudio utilizó cuatro aislados bacterianos obtenidos previamente de la rizosfera de plantas en Tattiannaram, Telangana: Corynebacterium accolens, Bacillus rugosus, Lactobacillus pasteurii DSM 23907 y Cytobacillus firmus. El flujo de trabajo experimental consistió en tres fases principales:

Tamizaje Funcional:
- Producción de Amoníaco: Los aislados se cultivaron en caldo de peptona y se probaron con reactivo de Nessler para detectar amoníaco, un indicador de la capacidad de fijación de nitrógeno.
- Actividad de la ACC Deaminasa: Los aislados se cultivaron en medio mínimo DF con ACC como única fuente de nitrógeno. La actividad enzimática se cuantificó midiendo la producción de $\alpha$ -cetobutirato mediante detección colorimétrica (reactivo DNPH) tras la lisis celular.
- Actividad de la Nitrogenasa: Se realizó el Ensayo de Reducción de Acetileno (ARA) para medir la producción de etileno, lo que sirve como un indicador indirecto de la actividad de la nitrogenasa.
Ensayo de Germinación de Semillas bajo Estrés Osmótico:
- Semillas de Abelmoschus esculentus (okra/ocra) fueron esterilizadas superficialmente e inoculadas con suspensiones bacterianas ( $10^8$ CFU/ml).
- La germinación se probó bajo condiciones controladas utilizando Polietilenglicol (PEG-6000) para simular estrés osmótico a potenciales de -0.2 MPa (10% p/v) y -0.5 MPa (20% p/v).
- Los controles incluyeron semillas sin inocular en agua y semillas sin inocular en soluciones de PEG.
Análisis Estadístico:
- Los datos se analizaron mediante ANOVA de un factor para determinar diferencias significativas entre los tratamientos.
- Se realizaron comparaciones pareadas post-hoc utilizando la prueba de Tukey HSD ( $p < 0.05$ ).
- Se empleó un análisis de mapa de calor (heatmap) para visualizar las tendencias en múltiples parámetros de crecimiento.

Resultados Clave

Potencial de Fijación de Nitrógeno:
- Producción de Amoníaco: C. accolens, B. rugosus y L. pasteurii DSM 23907 exhibieron cambios de color intensos que indican una alta producción de amoníaco, comparable o superior al control positivo (Azotobacter).
- Actividad de la ACC Deaminasa: El control positivo exhibió la mayor actividad enzimática (1.62 ± 0.01 $\mu$ mol $\alpha$ -KB mg⁻¹ proteína h⁻¹). Entre los aislados, L. pasteurii DSM 23907 demostró la mayor actividad (1.487 ± 0.050 $\mu$ mol $\alpha$ -KB mg⁻¹ proteína h⁻¹), seguida de B. rugus (1.050 ± 0.044). C. accolens y C. firmus mostraron actividades significativamente menores pero estadísticamente similares.
- Actividad de la Nitrogenasa (ARA): El control positivo exhibió la mayor actividad específica (63.70 ± 13.90 nmol/OD/hr). Entre los aislados, L. pasteurii DSM 23907 registró la mayor actividad específica (38.46 ± 3.59 nmol/OD/hr), superando significativamente a B. rugosus (27.98 ± 2.08), C. firmus (24.09 ± 2.64) y C. accolens (20.49 ± 1.51). Todos los aislados mostraron una actividad significativamente menor que el control positivo, pero distinta del control negativo.
Germinación de Semillas y Mitigación del Estrés:
- Impacto del Estrés: El estrés por sequía inducido por PEG redujo significativamente los porcentajes de germinación (cayendo a ~40% a -0.2 MPa y ~35% a -0.5 MPa), aumentó el Tiempo Medio de Germinación (MGT) y redujo las longitudes de raíz/tallo y el Índice de Vigor de la Plántula (SVI).
- Efectos de la Inoculación Bacteriana: La inoculación con B. rugosus y L. pasteurii DSM 23907 mitigó notablemente el estrés.
  - Bajo estrés de -0.2 MPa, la inoculación restauró la germinación a ~76–81% y el SVI a ~1390–1660.
  - Bajo estrés de -0.5 MPa, la inoculación restauró la germinación a ~77–79% y el SVI a ~1400–1414.
- Desempeño Comparativo: L. pasteurii DSM 23907 mostró generalmente una eficacia superior en la promoción del desarrollo de raíz/tallo y del SVI en comparación con B. rugosus. Las plántulas inoculadas bajo estrés exhibieron valores de SVI más del doble que las plántulas sin inocular bajo estrés.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que los aislados investigados, particularmente Lactobacillus pasteurii DSM 23907 y Bacillus rugosus, poseen rasgos de promoción del crecimiento vegetal multifuncionales. Específicamente, demuestran:

Dualidad Funcional: La capacidad de fijar nitrógeno (vía nitrogenasa y producción de amoníaco) y regular las hormonas de estrés de las plantas (vía actividad de la ACC deaminasa).
Mitigación del Estrés: Una capacidad probada para mitigar los efectos adversos del estrés osmótico sobre la germinación de las semillas y el vigor temprano de la plántula en Abelmoschus esculentus.
Potencial de Biofertilizante: Estos aislados se identifican como candidatos prometedores para el desarrollo de biofertilizantes destinados a apoyar la agricultura sostenible, reduciendo potencialmente la dependencia de los insumos de nitrógeno sintético y mejorando la resiliencia de los cultivos en condiciones de limitación hídrica.

Los autores concluyen que, si bien estas cepas muestran un fuerte potencial en los ensayos funcionales y de germinación de semillas, se requiere una validación adicional en invernadero y a nivel de campo para confirmar su eficacia bajo condiciones ambientales naturales. El estudio enfatiza que la eficiencia de la nitrogenasa no siempre se correlaciona con la densidad celular, lo que destaca la necesidad de la evaluación de rasgos funcionales para la selección de cepas específicas.

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