Bacterias y arqueas de la agroesfera

1.1. Procariotas: definición y lugar en el sistema del mundo orgánico

Para empezar, recordemos la definición clave. Los procariotas (del griego pro — antes, karyon — núcleo) son organismos cuyas células carecen de un núcleo verdadero rodeado de membrana. Su material genético (ADN) no está separado del citoplasma por una envoltura nuclear y está representado, por regla general, por una única molécula circular de ADN situada en el nucleoide (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

En esto se diferencian fundamentalmente de los eucariotas (plantas, animales, hongos), cuyas células contienen orgánulos verdaderos, incluidos el núcleo, las mitocondrias y, en las plantas, los cloroplastos. En el sistema del mundo orgánico, los procariotas ocupan una posición aislada, representando dos ramas independientes de la evolución: los dominios Bacteria (Bacterias) y Archaea (Arqueas).

¿En qué consiste su "base invisible" para la agroesfera? La respuesta está en su colosal abundancia y distribución ubicua. Si tomamos tan solo un gramo de suelo fértil, encontraremos en él desde varios miles de millones hasta cientos de miles de millones de células bacterianas (Weil, 2017). Su biomasa en la capa superior del suelo puede alcanzar varias toneladas por hectárea (alrededor de 400–5000 kg/ha en peso vivo), lo que es comparable a la biomasa de un gran rebaño de animales (Weil, 2017). Estas cifras nos permiten afirmar que son precisamente los procariotas, junto con los hongos, los principales "directores" de los procesos del suelo.

1.2. Papel funcional de los procariotas en los agroecosistemas

¿Qué trabajo realizan estos invisibles trabajadores? Sus funciones son imposibles de sobreestimar. En el contexto de nuestra disciplina, donde consideramos a los organismos como parte de un agroecosistema, el papel de los procariotas se reduce a varias direcciones clave.

En primer lugar, el ciclo de los elementos biogénicos. Los procariotas son los principales mediadores en los ciclos globales del carbono, nitrógeno, fósforo y azufre. Descomponen la materia orgánica, devolviendo al suelo formas de elementos disponibles para las plantas. Sin su actividad, la fertilidad del suelo sería imposible, ya que los principales nutrientes quedarían "encerrados" en la materia orgánica muerta (Huang et al., 2012; Scheffer et al., 2018).

En segundo lugar, la influencia directa sobre la fertilidad y la salud de las plantas. Las bacterias y arqueas no solo mineralizan la materia orgánica. Entablan relaciones complejas y, a veces, simbióticas con las plantas. Unas fijan el nitrógeno atmosférico, haciéndolo disponible para las plantas (Marschner, 2012), otras disuelven fosfatos de difícil acceso, y otras producen fitohormonas que estimulan el crecimiento (Glick, 2012; Lugtenberg & Kamilova, 2009). También hay algunas que protegen a las plantas de patógenos, actuando como agentes de biocontrol (Compant et al., 2005).

En tercer lugar, una diversidad que asombra. Entre los procariotas encontramos todo el espectro de relaciones con las plantas: desde patógenos despiadados que causan enfermedades y reducen el rendimiento (Agrios, 2005), hasta fieles simbiontes y beneficiosos socios asociativos. Esta diversidad es la garantía de la estabilidad y resiliencia del agroecosistema. Comprender esta diversidad es la clave para gestionar la salud del suelo y la productividad de las plantas.

1.3. Diversidad de procariotas: de patógenos a simbiontes

Detengámonos un poco más en este espectro. Tradicionalmente, cuando pensamos en bacterias en la agricultura, lo primero que nos viene a la mente son las enfermedades de las plantas. De hecho, patógenos como Pseudomonas syringae, Xanthomonas campestris o Ralstonia solanacearum causan enormes daños a la agricultura en todo el mundo (Agrios, 2005). Los estudiaremos en detalle en las secciones correspondientes.

Sin embargo, no hay que olvidar que los patógenos son solo la punta del iceberg. Un grupo mucho más numeroso e importante para la agronomía lo constituyen los microorganismos beneficiosos. Entre ellos se incluyen:

• Fijadores de nitrógeno simbióticos: por ejemplo, las bacterias noduladoras del género Rhizobium, que establecen una estrecha alianza con las leguminosas, proporcionándoles nitrógeno (Udvardi & Poole, 2013).
• Fijadores de nitrógeno asociativos y de vida libre: como Azospirillum y Azotobacter, que viven en la rizosfera (zona radicular) y también suministran nitrógeno a las plantas (Glick, 2012).
• Bacterias movilizadoras de fosfato: por ejemplo, Bacillus y Pseudomonas, capaces de convertir fosfatos insolubles en una forma disponible para las plantas.
• Agentes de biocontrol: por ejemplo, Bacillus subtilis o Pseudomonas fluorescens, que suprimen el crecimiento de fitopatógenos, protegiendo la cosecha (Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPB): un amplio grupo que mejora directa o indirectamente el crecimiento y desarrollo de las plantas (Compant et al., 2005; Glick, 2012).

Precisamente esta diversidad —de patógenos a simbiontes— constituye el objeto de nuestro estudio posterior. Veremos que la sistemática y la taxonomía de estos organismos no son un simple juego académico, sino una herramienta necesaria para comprender su ecología y su uso práctico.

2.1. El sistema de tres dominios: la revolución de Carl Woese

Durante mucho tiempo, en biología predominó un sistema de dos reinos o, más tarde, de cinco reinos, en el que todos los procariotas se consideraban un único reino Monera (o simplemente "bacterias"). Se contraponían a los eucariotas, que se dividían en animales, plantas, hongos y protozoos. Sin embargo, este sistema se basaba en caracteres morfológicos y fisiológicos que en los microorganismos son muy limitados y a menudo no reflejan su verdadero parentesco.

La revolución ocurrió en 1977, cuando el microbiólogo estadounidense Carl Woese y su colega George Fox propusieron un enfoque completamente nuevo. Decidieron comparar no los caracteres externos, sino las secuencias de ARN ribosómico (ARNr), en particular la subunidad pequeña (16S ARNr en procariotas y 18S en eucariotas). Esta elección no fue casual: el ARNr está presente en todos los organismos vivos, realiza una función vital y, lo más importante, su secuencia cambia muy lentamente. Esto lo convierte en un "cronómetro molecular" ideal para medir distancias evolutivas (Doolittle & Papke, 2006).

Los resultados fueron asombrosos. Woese descubrió que las llamadas "bacterias" en realidad se dividen en dos grupos que difieren entre sí tanto como cada uno de ellos difiere de los eucariotas. A un grupo lo llamó Bacteria (bacterias verdaderas), y al otro Archaea (arqueas, del griego archaios — antiguo). Junto con los eucariotas, formaron tres dominios fundamentales de la vida: el rango taxonómico más alto. Este sistema de tres dominios (Woese et al., 1990) es ampliamente aceptado hoy en día, aunque sus detalles continúan refinándose.

2.2. Diferencias fundamentales entre Bacteria y Archaea

Entonces, ¿qué distingue a estos dos dominios? Las diferencias son tan profundas que se pueden encontrar en todos los niveles de organización de la célula: desde la estructura de las membranas hasta el funcionamiento del aparato genético.

1. Pared celular. En la mayoría de las bacterias, la pared celular contiene peptidoglicano (mureína), un polímero complejo formado por cadenas de carbohidratos unidas por péptidos cortos. Es esto lo que da forma a la célula y la protege de la presión osmótica. Las arqueas carecen de peptidoglicano. Sus paredes celulares están construidas con otros polímeros, a menudo pseudopeptidoglicano (en metanógenos), o pueden estar representadas por capas proteicas o polisacáridas. Esta es una diferencia fundamental (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

2. Lípidos de membrana. Esta es, quizás, una de las diferencias más fiables. Las membranas de bacterias y eucariotas están construidas sobre ésteres complejos con residuos de ácidos grasos. Las membranas de las arqueas consisten en ésteres simples unidos a cadenas de hidrocarburos ramificadas (isoprenoides). Esta diferencia química hace que las membranas de las arqueas sean más resistentes a condiciones extremas (altas temperaturas, acidez), lo que explica por qué muchas arqueas son extremófilas (Weil, 2017).

3. ARN polimerasas. La enzima responsable de la síntesis de ARN (transcripción) también difiere en bacterias y arqueas. La ARN polimerasa de las arqueas es mucho más cercana en estructura y composición a la eucariota que a la bacteriana. Este es uno de los argumentos clave a favor de que las arqueas y los eucariotas tienen un ancestro común (Weil, 2017).

4. Metabolismo. Aunque la diversidad metabólica es enorme en ambos dominios, también hay rasgos únicos. Por ejemplo, la capacidad de metanogénesis (formación de metano) es una característica única de las arqueas, que no se encuentra en las bacterias. Por otro lado, la fotosíntesis oxigénica (con liberación de oxígeno) es una característica única de las cianobacterias, pertenecientes al dominio Bacteria (Offre et al., 2013; Conrad, 2007).

Estas y otras diferencias (por ejemplo, en la estructura de los ribosomas, la sensibilidad a los antibióticos) delimitan claramente los dos dominios.

2.3. Transferencia horizontal de genes y su influencia en la filogenia

Sin embargo, como ya hemos mencionado, el cuadro no es tan simple. El árbol evolutivo clásico, donde los genes se transmiten solo "verticalmente" de ancestro a descendiente, no siempre funciona para los procariotas. Un papel enorme lo desempeña la transferencia horizontal de genes (THG). Este es el proceso por el cual un organismo recibe material genético no de un progenitor, sino de otro organismo, a menudo no relacionado.

La THG puede ocurrir por varias vías: mediante transformación (absorción de ADN "desnudo" del ambiente), conjugación (transferencia de ADN por contacto directo entre células a través de puentes especiales) y transducción (transferencia de ADN con la ayuda de bacteriófagos, virus que infectan bacterias) (Doolittle & Papke, 2006).

¿Qué significa esto para la sistemática? Significa que los genomas de los procariotas son mosaicos. Parte de los genes los heredaron de un ancestro común (este es el "núcleo" del genoma, responsable de procesos fundamentales), y otra parte la adquirieron de organismos completamente diferentes. Por ejemplo, los genes de resistencia a antibióticos o los genes responsables de la asimilación de algún sustrato inusual a menudo se transmiten horizontalmente (Doolittle & Papke, 2006; Heuer et al., 2008).

Debido a esto, la construcción de un árbol filogenético único y consistente basado en un solo gen (incluso el 16S ARNr) puede ser difícil. Los árboles construidos con diferentes genes pueden no coincidir. Esto ha llevado a la comprensión de que la evolución de los procariotas no es solo un "árbol", sino también una "red" (Doolittle & Papke, 2006). Para construir una filogenia más fiable, los científicos modernos utilizan no uno, sino muchos genes (secuencias concatenadas) o incluso genomas completos.

2.4. Bases de datos modernas para taxonomía y filogenia

Debido al crecimiento avalancha del número de genomas secuenciados, el trabajo del sistemático hoy en día es impensable sin poderosos recursos bioinformáticos. Es imposible comparar manualmente millones de secuencias. Por ello, se crearon bases de datos especializadas que acumulan, curan y proporcionan a los investigadores información sobre secuencias de ARNr y genomas.

Entre las más importantes para nuestra disciplina se encuentran:

• SILVA (del latín silva — bosque): Es una de las bases de datos más autorizadas y completas, que contiene secuencias alineadas de genes de ARNr (tanto 16S/18S como 23S/28S) para los tres dominios de la vida. SILVA proporciona no solo las secuencias en sí, sino también herramientas para su análisis, clasificación taxonómica y se actualiza constantemente (Quast et al., 2012). Para nosotros es importante que permite identificar con precisión microorganismos y estudiar su diversidad.

• EzBioCloud: Es una base de datos integrada que combina la jerarquía taxonómica, secuencias de 16S ARNr y ensamblajes genómicos completos para Bacteria y Archaea. Su característica clave es el uso de datos genómicos (como ANI — Average Nucleotide Identity) para la identificación precisa y delimitación de especies. Esta base es especialmente útil para identificar nuevos aislados y comprender su posición filogenética (Yoon et al., 2017).

• GTDB (Genome Taxonomy Database): Es una base de datos que construye la taxonomía exclusivamente sobre la base de la comparación de genomas completos, utilizando genes conservados codificantes de proteínas. Ofrece un sistema taxonómico estandarizado y, posiblemente, más objetivo, que a menudo difiere del tradicional basado en 16S ARNr, y permite revelar relaciones evolutivas profundas (Hug et al., 2016; Parks et al., 2018).

Estas bases de datos no son simples obras de referencia. Son herramientas de trabajo que nos permiten plantear preguntas: "¿A qué especie pertenece este aislado?", "¿Cuál es su relación evolutiva con patógenos conocidos?", "¿Qué genes adquirió como resultado de la THG?". Sin ellas, la sistemática y taxonomía modernas son impensables.

3.1. 16S ARNr — el "estándar de oro" de la filogenia molecular

Como ya mencionamos en la lección anterior, la revolución en la sistemática de procariotas ocurrió gracias al uso del gen 16S ARN ribosómico (16S ARNr) (Woese & Fox, 1977). ¿Por qué este gen en particular se convirtió en el principal marcador filogenético? Hay varias razones:

1. Universalidad. El gen 16S ARNr está presente en todas las bacterias y arqueas. Codifica la subunidad pequeña del ribosoma, necesaria para la síntesis de proteínas, un proceso fundamental para cualquier célula.

2. Conservación y variabilidad. Este gen consta de regiones alternas: conservadas, que son casi idénticas en todos los procariotas, y variables, que difieren entre taxones. Las regiones conservadas permiten diseñar cebadores universales para amplificar el gen en cualquier organismo, mientras que las variables permiten su uso para análisis filogenético e identificación (Weil, 2017).

3. Ausencia de transferencia horizontal. A diferencia de muchos otros genes, el 16S ARNr no está sujeto a transferencia horizontal. Esto significa que su evolución es estrictamente vertical, de ancestro a descendiente. Esto lo convierte en un "cronómetro molecular" fiable (Doolittle & Papke, 2006).

Durante décadas, la comparación de secuencias de 16S ARNr fue el método principal para construir árboles filogenéticos y determinar la posición taxonómica de los microorganismos. Bases de datos como SILVA y EzBioCloud contienen millones de secuencias de 16S ARNr, lo que permite identificar rápidamente un aislado desconocido simplemente comparando su secuencia con las conocidas (Quast et al., 2012; Yoon et al., 2017).

3.2. Problemas y limitaciones del análisis de un solo gen

Sin embargo, a medida que se acumulaban datos, se hizo evidente que el análisis de un solo gen, incluso uno tan fiable como el 16S ARNr, tiene serias limitaciones (Doolittle & Papke, 2006; Hug et al., 2016).

Primero, baja resolución a nivel de especie. El gen 16S ARNr es demasiado conservado para distinguir de manera fiable especies cercanamente relacionadas. Dos especies diferentes pueden tener secuencias de 16S ARNr idénticas, o sus diferencias pueden ser tan pequeñas que no permiten trazar un límite claro. Esto es especialmente relevante para taxones divergidos recientemente (Doolittle & Papke, 2006).

Segundo, mosaicismo del genoma. Como discutimos, los genomas de los procariotas son mosaicos debido a la THG. Un árbol construido con un solo gen reflejará la evolución solo de ese gen, no de todo el organismo. Los árboles construidos con diferentes genes pueden tener topologías diferentes. Este fenómeno se llama discordancia de árboles de genes (gene tree discordance) (Doolittle & Papke, 2006).

Tercero, presencia de plásmidos y fagos. Los plásmidos son moléculas circulares de ADN extracromosómico que a menudo portan genes útiles para la supervivencia en condiciones difíciles (por ejemplo, genes de resistencia a antibióticos o de capacidad de degradar contaminantes). Los plásmidos pueden transmitirse horizontalmente, y sus genes no reflejan la historia del genoma principal. De manera similar, los fagos (virus bacterianos) pueden integrarse en el genoma e introducir sus genes. Todo esto confunde aún más el cuadro filogenético (Doolittle & Papke, 2006).

3.3. Genes concatenados (MLSA) y métodos de genoma completo

Para superar las limitaciones del análisis de un solo gen, se desarrollaron enfoques más potentes.

MLSA (Multilocus Sequence Analysis — análisis de secuencias multilocus). Es un método en el que para construir un árbol se utiliza no uno, sino varios (generalmente 5–7) genes conservados "de mantenimiento" que no están sujetos a THG. Las secuencias de estos genes se concatenan (se combinan en una sola secuencia larga), y el árbol se construye a partir de este conjunto de datos combinado. Esto aumenta significativamente la resolución y fiabilidad de la filogenia (Hug et al., 2016).

Métodos de genoma completo (Whole-Genome Sequencing). Con el desarrollo de las tecnologías de secuenciación, surgió la posibilidad de comparar no genes individuales, sino genomas completos de organismos. El enfoque más moderno es la construcción de filogenias basadas en secuencias concatenadas de genes conservados codificantes de proteínas (por ejemplo, proteínas ribosómicas). Este método se utiliza en la base de datos GTDB (Genome Taxonomy Database). Permite reconstruir relaciones evolutivas con una resolución mucho mayor que el análisis de 16S ARNr, y a menudo revela relaciones de parentesco completamente inesperadas (Hug et al., 2016; Parks et al., 2018).

3.4. El concepto de "especie" en procariotas: de la hibridación ADN-ADN al ANI

Ahora hemos llegado a la cuestión quizás más compleja y debatida en la sistemática de procariotas: ¿qué es una especie?

En eucariotas (animales, plantas), una especie a menudo se define por la capacidad de cruzarse y producir descendencia fértil (concepto biológico de especie). Pero los procariotas no tienen reproducción sexual, por lo que este concepto es inaplicable (Doolittle & Papke, 2006; Yoon et al., 2017).

Durante mucho tiempo, para delimitar especies se utilizó la hibridación ADN-ADN (DNA-DNA hybridization, DDH). Este es un método laborioso y difícilmente reproducible que medía el grado de similitud de los genomas de dos cepas. Si la similitud era superior al 70%, se asignaban a una misma especie; si era inferior, a especies diferentes. Sin embargo, este método distaba mucho de ser ideal y no permitía crear una base de datos universal.

Con la llegada de la genómica, la DDH fue reemplazada por un indicador mucho más preciso y estandarizado: el ANI (Average Nucleotide Identity — identidad media de nucleótidos). El ANI se calcula mediante la comparación por pares de todos los genes homólogos en dos genomas. Sobre la base de numerosos estudios, se estableció el umbral de especie: ANI ≥ 95–96%. Esto significa que si dos cepas tienen un ANI del 95% o superior, pertenecen a la misma especie. Si el ANI es inferior al 95%, son especies diferentes (Yoon et al., 2017; Richter & Rosselló-Móra, 2009).

Este umbral se ha convertido en el "estándar de oro" de la taxonomía moderna de procariotas. La base de datos EzBioCloud utiliza activamente el ANI para la identificación y validación de nuevas especies (Yoon et al., 2017).

3.5. Bases de datos y software modernos

Como ya hemos dicho, el trabajo del sistemático moderno es impensable sin poderosos recursos bioinformáticos. Recordemos los clave en el contexto de la construcción de filogenias:

• SILVA: Proporciona alineamientos de secuencias de ARNr, necesarios para construir árboles basados en 16S ARNr (Quast et al., 2012).
• EzBioCloud: Ofrece herramientas para la identificación basada en 16S ARNr y ANI, y también contiene taxonomía curada (Yoon et al., 2017).
• GTDB: Proporciona taxonomía estandarizada basada en datos de genoma completo y árboles filogenéticos construidos con proteínas concatenadas. Es el recurso más moderno e integral para comprender la evolución de los procariotas (Parks et al., 2018).

También existen muchos programas para análisis filogenético, como RAxML, MEGA, IQ-TREE, que permiten construir árboles basados en diversos modelos de evolución.

4.1. Pseudomonadota (Proteobacteria) — el filo más diverso

Históricamente, este grupo se conoce como Proteobacteria. Sin embargo, en la taxonomía moderna basada en datos genómicos, a menudo se le llama Pseudomonadota. Es, sin duda, el filo más grande y diverso de bacterias. Sus representantes muestran una diversidad metabólica colosal: desde la fotosíntesis hasta la fijación de nitrógeno, desde la patogénesis hasta la simbiosis.

Clásicamente, las proteobacterias se dividían en cinco clases nombradas con letras del alfabeto griego: Alpha-, Beta-, Gamma-, Delta- y Epsilonproteobacteria. Esta división sigue siendo conveniente para la orientación, aunque no es estrictamente filogenética.

Alphaproteobacteria

Esta clase incluye muchos organismos críticamente importantes para la agricultura.

• Rhizobiales (Rizobios): Este es, quizás, el grupo más conocido. Incluye bacterias noduladoras de los géneros Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium y otros. Forman simbiosis con plantas leguminosas, fijando nitrógeno atmosférico y suministrándolo a la planta huésped. Esta es la base de la agricultura biológica y un factor importantísimo de la fertilidad del suelo (Udvardi & Poole, 2013; Marschner, 2012).
• Agrobacterium: Aunque Agrobacterium tumefaciens es un patógeno que causa la agalla de la corona, también se ha convertido en una herramienta importantísima de la ingeniería genética de plantas. Su plásmido Ti se utiliza para transferir genes a las plantas (Agrios, 2005).
• Azospirillum: Fijadores de nitrógeno asociativos que viven en la rizosfera de cultivos de cereales. No forman nódulos, pero estimulan el crecimiento de las plantas fijando nitrógeno y produciendo fitohormonas (Glick, 2012).

Betaproteobacteria

Esta clase incluye varios grupos importantes asociados con el ciclo del nitrógeno.

• Nitrosomonadales: Bacterias oxidantes de amonio (AOB), como Nitrosomonas. Realizan la primera etapa de la nitrificación: oxidación de amonio a nitrito. Este es un proceso clave en el ciclo del nitrógeno en el suelo (Prosser, 2008; Scheffer et al., 2018).
• Burkholderiales: Este orden incluye tanto patógenos (por ejemplo, Ralstonia solanacearum — agente causal del marchitamiento bacteriano) como rizobacterias beneficiosas que estimulan el crecimiento de las plantas (Agrios, 2005; Compant et al., 2005).

Gammaproteobacteria

Esta clase también es increíblemente diversa e incluye muchos patógenos y organismos beneficiosos.

• Pseudomonadales: El género Pseudomonas es uno de los más estudiados. Entre ellos hay patógenos (por ejemplo, Pseudomonas syringae, que causa manchas y quemaduras), potentes agentes de biocontrol y bacterias movilizadoras de fosfato (Agrios, 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Xanthomonadales: El género Xanthomonas incluye muchos fitopatógenos que causan manchas, quemaduras y enfermedades vasculares (por ejemplo, la podredumbre negra de las crucíferas). También incluye a Xylella fastidiosa, que causa la enfermedad de Pierce en la vid (Agrios, 2005).
• Enterobacterales: Este orden incluye tanto patógenos (por ejemplo, Erwinia amylovora — agente causal del fuego bacteriano de los frutales) como fijadores de nitrógeno asociativos beneficiosos (por ejemplo, Pantoea agglomerans) (Agrios, 2005; Glick, 2012).
• Metanótrofos: Las gammaproteobacterias también incluyen metanótrofos aerobios (por ejemplo, Methylococcus, Methylomonas), que oxidan metano, reduciendo su emisión desde el suelo. Este es un aspecto importante de la regulación de los gases de efecto invernadero (Conrad, 2007).

Deltaproteobacteria

Esta clase incluye organismos con vías metabólicas únicas.

• Mixobacterias: Depredadores del suelo que forman cuerpos fructíferos y cazan otras bacterias. Desempeñan un papel en la regulación de las comunidades microbianas (Weil, 2017).
• Bacterias reductoras de sulfato: Por ejemplo, Desulfovibrio. Reducen el sulfato a sulfuro de hidrógeno en condiciones anaerobias, participando en el ciclo del azufre (Huang et al., 2012).

Epsilonproteobacteria

Este grupo incluye principalmente patógenos humanos y animales (por ejemplo, Campylobacter, Helicobacter), y su papel en la agroesfera es limitado. Lo mencionamos para completar el cuadro.

4.2. Bacillota (Firmicutes) — grampositivas, formadoras de esporas

Este filo, anteriormente conocido como Firmicutes, incluye bacterias grampositivas con bajo contenido de GC en el ADN. Muchas de ellas son capaces de formar endosporas, lo que les permite sobrevivir en condiciones extremas.

1) Bacillus: El género Bacillus es uno de los más importantes para la agroesfera. Incluye:

• PGPB y agentes de biocontrol: Bacillus subtilis, B. amyloliquefaciens — productores de antibióticos, estimuladores del crecimiento vegetal (Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Patógenos: Bacillus cereus puede causar deterioro de alimentos.
• Entomopatógenos: Bacillus thuringiensis (Bt) — fuente de toxinas utilizadas para el control de insectos plaga (Weil, 2017).

2) Clostridium: Bacterias anaerobias formadoras de esporas. En el suelo participan en la descomposición de materia orgánica y en la fijación de nitrógeno (fijadores de nitrógeno de vida libre). Algunas especies son patógenas para animales y humanos (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

3) Lactobacillus: Bacterias lácticas utilizadas para el ensilado de forrajes y en la industria alimentaria. En el suelo son menos comunes, pero desempeñan un papel en la descomposición de materia orgánica (Weil, 2017).

4.3. Actinomycetota (Actinobacteria) — grampositivas, miceliales

Este filo, anteriormente conocido como Actinobacteria, incluye bacterias grampositivas con alto contenido de GC. Muchas de ellas forman micelio similar al de los hongos, pero sus células tienen estructura procariota.

• Streptomyces: El género más importante. Son saprófitos del suelo que descomponen compuestos orgánicos complejos (celulosa, quitina, lignina). También son productores de la mayoría de los antibióticos conocidos (estreptomicina, tetraciclina, etc.). En la agroesfera desempeñan un papel en la descomposición de materia orgánica y en el biocontrol (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).
• Frankia: Actinobacterias que forman simbiosis con algunas plantas leñosas (aliso, espino amarillo), fijando nitrógeno. Es un componente importante de los ecosistemas forestales y agroforestales (Marschner, 2012).
• Mycobacterium: Algunas especies son patógenas para humanos y animales, pero en el suelo participan en la descomposición de materia orgánica (Weil, 2017).
• Clavibacter: Fitopatógenos que causan la podredumbre anular de la patata y el marchitamiento bacteriano del tomate (Agrios, 2005).

4.4. Bacteroidota (Bacteroidetes) — del suelo e intestinales

Este filo incluye bacterias gramnegativas que habitan diversos ambientes.

• Flavobacterium: Bacterias del suelo y del agua que participan en la descomposición de materia orgánica. Algunas especies pueden ser patógenas de peces (Weil, 2017).
• Cytophaga: Bacterias del suelo que descomponen celulosa y quitina. Importantes para la descomposición de residuos vegetales (Weil, 2017).
• Bacteroides: Habitantes del intestino de animales y humanos, que participan en la descomposición de polisacáridos complejos. En el suelo son menos comunes (Weil, 2017).

4.5. Otros filos significativos

• Cyanobacteria: Bacterias fotosintéticas que realizan fotosíntesis oxigénica. En la agroesfera son importantes como fijadoras de nitrógeno (en simbiosis con Azolla en arrozales) y como componentes de costras biológicas (Weil, 2017; Belyakova, 2006).
• Chloroflexi: Bacterias verdes no sulfurosas; algunas fotosintetizan, otras son termófilas aerobias. En el suelo participan en la descomposición de materia orgánica (Huang et al., 2012).
• Acidobacteria: Un grupo muy extendido pero poco estudiado de bacterias del suelo. Dominan en algunos suelos y desempeñan un papel importante en la descomposición de materia orgánica (Weil, 2017).
• Verrucomicrobia: Bacterias del suelo que participan en la descomposición de polisacáridos. Su papel en la agroesfera aún se está estudiando (Weil, 2017).
• Nitrospirota: Incluyen bacterias nitrificantes (por ejemplo, Nitrospira), que realizan la segunda etapa de la nitrificación: oxidación de nitrito a nitrato (Prosser, 2008).

5.1. PGPB (Plant Growth-Promoting Bacteria) — bacterias promotoras del crecimiento vegetal

Comencemos con el grupo de mayor interés práctico. Las PGPB son bacterias que mejoran directa o indirectamente el crecimiento y desarrollo de las plantas. Se pueden dividir en dos grandes categorías: rizosféricas (que viven en la zona radicular) y endófitas (que viven dentro de los tejidos de la planta) (Compant et al., 2005; Glick, 2012).

Los mecanismos de acción de las PGPB son diversos:

• Síntesis de fitohormonas: Por ejemplo, Azospirillum produce auxinas (ácido indolacético), que estimulan el crecimiento de las raíces. Esto aumenta el área de absorción de agua y nutrientes (Glick, 2012).
• Reducción de los niveles de etileno: Algunas bacterias, por ejemplo Pseudomonas putida, contienen la enzima ACC desaminasa. Esta enzima descompone el precursor del etileno (ACC), reduciendo el efecto de estrés del etileno sobre la planta. Esto es especialmente importante en condiciones de sequía, salinidad o infección por patógenos (Glick, 2012).
• Mejora de la nutrición: Muchas PGPB son capaces de movilizar fosfatos (convertir fosfatos insolubles en forma disponible) o producir sideróforos, moléculas que quelan el hierro y lo hacen disponible para la planta (Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Biocontrol: Las PGPB pueden suprimir fitopatógenos mediante la producción de antibióticos, la competencia por nutrientes o la inducción de resistencia sistémica (ISR) en las plantas (Compant et al., 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).

Representantes típicos de PGPB incluyen los géneros Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas y Rhizobium.

5.2. Fijadores de nitrógeno — la base de la nutrición nitrogenada

El nitrógeno es el elemento más importante para la vida, pero el nitrógeno atmosférico (N₂) es inerte e inaccesible para la mayoría de los organismos. La fijación de nitrógeno es el proceso de reducción de N₂ a amoníaco (NH₃), que solo pueden realizar los procariotas que poseen la enzima nitrogenasa (Marschner, 2012; Udvardi & Poole, 2013).

Los fijadores de nitrógeno se dividen en varios grupos:

• Fijadores de nitrógeno simbióticos: Son bacterias que forman simbiosis con plantas. El ejemplo más conocido son los rizobios (Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium), que forman nódulos en las raíces de las leguminosas. Dentro de los nódulos reducen N₂ a amoníaco, suministrando nitrógeno a la planta. Esta es la base de la agricultura biológica (Udvardi & Poole, 2013; Marschner, 2012). Otro ejemplo son las Frankia (Frankia), que forman simbiosis con algunas plantas leñosas (aliso, espino amarillo) (Marschner, 2012).
• Fijadores de nitrógeno de vida libre: Estas bacterias viven en el suelo de forma independiente y fijan nitrógeno sin entrar en simbiosis. Ejemplos: Azotobacter (aerobio), Clostridium (anaerobio). Su contribución al balance de nitrógeno del suelo suele ser menor que la de los simbiontes, pero son importantes en ecosistemas naturales (Weil, 2017).
• Fijadores de nitrógeno asociativos: Estas bacterias viven en la rizosfera o en la superficie de las raíces, pero no forman nódulos. Ejemplo: Azospirillum. Fijan nitrógeno utilizando la energía de los exudados radiculares y pueden proporcionar hasta el 30% de los requerimientos de nitrógeno de la planta (Glick, 2012).

5.3. Metanótrofos — consumidores de metano

Los metanótrofos son bacterias aerobias que utilizan el metano (CH₄) como única fuente de carbono y energía. Desempeñan un papel clave en la reducción de las emisiones de metano —un potente gas de efecto invernadero— desde el suelo a la atmósfera (Conrad, 2007).

Los metanótrofos habitan en la frontera entre las zonas aerobias y anaerobias, donde el metano formado en condiciones anaerobias se encuentra con el oxígeno. En los agroecosistemas son especialmente importantes en los arrozales y en suelos anegados. Representantes típicos: Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus (Conrad, 2007; Weil, 2017).

5.4. Metanógenos (Archaea) — productores de metano

Los metanógenos son arqueas estrictamente anaerobias que producen metano como producto final de su metabolismo energético. Habitan en condiciones anaerobias: suelos anegados, arrozales, intestino de rumiantes, sedimentos de cuerpos de agua (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).

Los metanógenos utilizan varios sustratos:

• Hidrógeno y dióxido de carbono (metanógenos hidrogenotróficos): 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O.
• Acetato (metanógenos acetoclásticos): CH₃COOH → CH₄ + CO₂.
• Compuestos metilados (metanol, metilaminas): metanógenos metilotróficos.

En la agroesfera, los metanógenos desempeñan un doble papel. Por un lado, producen metano, un gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático. Por otro lado, forman parte del ciclo natural del carbono en ecosistemas anaerobios. Géneros típicos: Methanosarcina, Methanobacterium, Methanococcus (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).

5.5. Arqueas oxidantes de amonio (AOA) — nitrificantes clave

Este es, quizás, el grupo de arqueas más importante para la agroesfera después de los metanógenos. Las arqueas oxidantes de amonio (AOA) pertenecen al filo Thaumarchaeota y realizan la primera etapa de la nitrificación: oxidación de amonio (NH₄⁺) a nitrito (NO₂⁻) (Leininger et al., 2006; Prosser & Nicol, 2008).

Historia del descubrimiento: Durante mucho tiempo se creyó que la nitrificación era un proceso exclusivamente bacteriano. Sin embargo, en 2005, un grupo de científicos dirigido por Christof Schleper descubrió que en los suelos las arqueas, y no las bacterias, dominan entre los procariotas oxidantes de amonio (Leininger et al., 2006). Este descubrimiento cambió radicalmente nuestras ideas sobre el ciclo del nitrógeno.

Ecología de las AOA:

• Distribución: Las AOA están presentes ubicuamente en los suelos, incluidos los suelos agrícolas. Se han encontrado en 12 suelos diferentes de tres zonas climáticas, y su abundancia superó la de los oxidantes de amonio bacterianos (AOB) en 3000 veces en algunas muestras (Leininger et al., 2006).
• Fisiología: Las AOA están mejor adaptadas a bajas concentraciones de amonio que las AOB. Tienen una mayor afinidad por el sustrato (valores bajos de Km) y pueden dominar en suelos oligotróficos (Prosser & Nicol, 2008).
• Papel en los suelos: Las AOA desempeñan un papel clave en la nitrificación, especialmente en suelos ácidos y suelos con bajo contenido de amonio. Su contribución a la nitrificación puede alcanzar el 80% en algunos ecosistemas (Prosser & Nicol, 2008; Leininger et al., 2006).

Importancia para la agronomía: La nitrificación es un proceso clave en el ciclo del nitrógeno. Determina qué forma de nitrógeno está disponible para las plantas (amonio o nitrato) y con qué rapidez el nitrógeno puede perderse del suelo por lixiviación o desnitrificación. Comprender el papel de las AOA es importante para desarrollar estrategias de manejo de fertilizantes nitrogenados y reducir las pérdidas de nitrógeno (Prosser & Nicol, 2008).

5.6. Nitrificantes y desnitrificantes — el ciclo del nitrógeno

La nitrificación es un proceso de dos etapas:

1. Bacterias oxidantes de amonio (AOB) y AOA oxidan el amonio a nitrito. Ejemplos de AOB: Nitrosomonas, Nitrosospira (Prosser, 2008).

2. Bacterias oxidantes de nitrito (NOB) oxidan el nitrito a nitrato. Ejemplos: Nitrobacter, Nitrospira (Prosser, 2008).

La desnitrificación es un proceso anaerobio en el que el nitrato (NO₃^-) se reduce a nitrógeno gaseoso (N₂) a través de productos intermedios (NO₂⁻, NO, N₂O). Los desnitrificantes son bacterias anaerobias facultativas como Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus. Este proceso es importante para devolver el nitrógeno a la atmósfera, pero también puede provocar pérdidas de nitrógeno del suelo y emisión de N₂O, un gas de efecto invernadero (Huang et al., 2012; Scheffer et al., 2018).

5.7. Bacterias movilizadoras de fosfato y potasio

El fósforo y el potasio son nutrientes esenciales para las plantas, pero en el suelo a menudo se encuentran en forma no disponible. Las bacterias movilizadoras de fosfato son capaces de convertir fosfatos insolubles (por ejemplo, fosfatos de calcio, hierro, aluminio) en forma soluble disponible para las plantas. Los mecanismos incluyen la producción de ácidos orgánicos (glucónico, cítrico) que disuelven los minerales, o enzimas (fosfatasas) que hidrolizan los fosfatos orgánicos (Glick, 2012; Scheffer et al., 2018).

Las bacterias movilizadoras de potasio (por ejemplo, Bacillus mucilaginosus) son capaces de liberar potasio de minerales silicatados, haciéndolo disponible para las plantas (Scheffer et al., 2018).

5.8. Productores de sideróforos — competencia por el hierro

El hierro es necesario para la vida, pero en suelos aerobios se encuentra en forma de Fe³⁺, que es extremadamente insoluble. Los sideróforos son compuestos de bajo peso molecular que quelan el Fe³⁺ con muy alta afinidad y lo hacen disponible para las bacterias. Algunas PGPB producen sideróforos que pueden suprimir fitopatógenos al privarlos de hierro. Este es uno de los mecanismos de biocontrol (Lugtenberg & Kamilova, 2009; Glick, 2012).

6.1. ¿Quiénes son las arqueas? Breve panorama del dominio

Recordemos que el dominio Archaea fue distinguido por Carl Woese en 1977 sobre la base de la comparación de secuencias de 16S ARNr (Woese & Fox, 1977). Las arqueas son procariotas, pero se diferencian fundamentalmente de las bacterias:

• Pared celular: Las arqueas carecen de peptidoglicano (mureína). Sus paredes celulares están construidas con pseudopeptidoglicano, proteínas o polisacáridos (Weil, 2017).
• Lípidos de membrana: Las membranas de las arqueas consisten en ésteres simples con cadenas de hidrocarburos ramificadas (isoprenoides), en lugar de ésteres complejos con ácidos grasos, como en bacterias y eucariotas. Esto las hace más resistentes a condiciones extremas (Weil, 2017).
• ARN polimerasa: En estructura y composición es más cercana a la eucariota que a la bacteriana (Weil, 2017).
• Metabolismo: Las arqueas poseen vías metabólicas únicas, incluida la metanogénesis, que no se encuentra en las bacterias (Offre et al., 2013).

La filogenia moderna divide el dominio Archaea en varios filos principales. Tradicionalmente se distinguían dos grandes filos: Euryarchaeota y Crenarchaeota. Sin embargo, con el desarrollo de la genómica y la metagenómica, se describieron nuevos filos, como Thaumarchaeota, Korarchaeota, Aigarchaeota, Geoarchaeota y otros (Offre et al., 2013; Hug et al., 2016). Para la agroesfera, los más importantes son Euryarchaeota (metanógenos) y Thaumarchaeota (arqueas oxidantes de amonio).

6.2. Metanógenos — productores de metano

Los metanógenos son arqueas estrictamente anaerobias que producen metano (CH₄) como producto final de su metabolismo energético. Pertenecen principalmente al filo Euryarchaeota e incluyen varios órdenes: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales y Methanopyrales (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).

Vías metabólicas de la metanogénesis:

1. Metanogénesis hidrogenotrófica: Reducción de CO₂ utilizando H₂ como donante de electrones:

4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O.

Esta es la vía más extendida, característica de la mayoría de los metanógenos.

2. Metanogénesis acetoclástica: Escisión del acetato:

CH₃COOH → CH₄ + CO₂.

Esta vía es característica de representantes de los géneros Methanosarcina y Methanosaeta. En los arrozales, la metanogénesis acetoclástica representa hasta dos tercios de la producción total de metano (Conrad, 2007).

3. Metanogénesis metilotrófica: Reducción de compuestos metilados (metanol, metilaminas) utilizando H₂:

CH₃OH + H₂ → CH₄ + H₂O.

Ecología de los metanógenos en la agroesfera:

Los metanógenos habitan exclusivamente en condiciones anaerobias donde faltan aceptores de electrones alternativos (O₂, NO₃^-, Fe³⁺, SO₄^2-). En los agroecosistemas se encuentran en:

• Arrozales: Los arrozales inundados son una de las mayores fuentes antropogénicas de metano. Los metanógenos trabajan activamente en la capa anaerobia del suelo, utilizando sustancias orgánicas liberadas por las raíces del arroz y la paja de arroz (Conrad, 2007; Kimura, 2000).
• Intestino de rumiantes: Los metanógenos forman parte de la microflora normal del rumen, donde producen metano, que se libera por eructación. Esta es una fuente significativa de emisión de metano en la ganadería (Conrad, 2007).
• Suelos anegados y turberas: En humedales naturales y agrícolas, los metanógenos desempeñan un papel clave en la descomposición de la materia orgánica.

Importancia para la agronomía: Los metanógenos tienen un doble interés. Por un lado, producen metano, un potente gas de efecto invernadero (su potencial de calentamiento global es 25 veces mayor que el del CO₂). Por otro lado, forman parte del ciclo natural del carbono en ecosistemas anaerobios. El manejo de los arrozales (por ejemplo, el drenaje periódico) puede reducir las emisiones de metano (Conrad, 2007).

6.3. Metanótrofos — consumidores de metano

A diferencia de los metanógenos, los metanótrofos son bacterias aerobias que oxidan el metano, utilizándolo como fuente de carbono y energía. Ya los mencionamos en el contexto de los grupos ecológicos de bacterias, pero aquí es importante destacar su papel en el balance de gases de efecto invernadero.

Los metanótrofos habitan en la frontera entre las zonas aerobias y anaerobias, donde el metano formado en condiciones anaerobias se encuentra con el oxígeno. En los agroecosistemas son especialmente importantes en los arrozales, donde consumen una parte significativa del metano producido por los metanógenos, evitando que llegue a la atmósfera (Conrad, 2007; Weil, 2017).

Géneros típicos de metanótrofos: Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus, Methylocystis.

6.4. Arqueas oxidantes de amonio (AOA) — nitrificantes clave

Este es, quizás, el grupo de arqueas más importante para la agroesfera después de los metanógenos. Las arqueas oxidantes de amonio (AOA) pertenecen al filo Thaumarchaeota y realizan la primera etapa de la nitrificación: oxidación de amonio (NH₄⁺) a nitrito (NO₂⁻) (Leininger et al., 2006; Prosser & Nicol, 2008).

Historia del descubrimiento: Durante mucho tiempo se creyó que la nitrificación era un proceso exclusivamente bacteriano. Sin embargo, en 2005, un grupo de científicos dirigido por Christof Schleper descubrió que en los suelos las arqueas, y no las bacterias, dominan entre los procariotas oxidantes de amonio (Leininger et al., 2006). Este descubrimiento cambió radicalmente nuestras ideas sobre el ciclo del nitrógeno.

Ecología de las AOA:

• Distribución: Las AOA están presentes ubicuamente en los suelos, incluidos los suelos agrícolas. Se han encontrado en 12 suelos diferentes de tres zonas climáticas, y su abundancia superó la de los oxidantes de amonio bacterianos (AOB) en 3000 veces en algunas muestras (Leininger et al., 2006).
• Fisiología: Las AOA están mejor adaptadas a bajas concentraciones de amonio que las AOB. Tienen una mayor afinidad por el sustrato (valores bajos de Km) y pueden dominar en suelos oligotróficos (Prosser & Nicol, 2008).
• Papel en los suelos: Las AOA desempeñan un papel clave en la nitrificación, especialmente en suelos ácidos y suelos con bajo contenido de amonio. Su contribución a la nitrificación puede alcanzar el 80% en algunos ecosistemas (Prosser & Nicol, 2008; Leininger et al., 2006).

Importancia para la agronomía: La nitrificación es un proceso clave en el ciclo del nitrógeno. Determina qué forma de nitrógeno está disponible para las plantas (amonio o nitrato) y con qué rapidez el nitrógeno puede perderse del suelo por lixiviación o desnitrificación. Comprender el papel de las AOA es importante para desarrollar estrategias de manejo de fertilizantes nitrogenados y reducir las pérdidas de nitrógeno (Prosser & Nicol, 2008).

6.5. Arqueas halófilas en suelos salinos

Las arqueas halófilas son un grupo de arqueas que prosperan en condiciones de alta salinidad. Pertenecen al filo Euryarchaeota, clase Halobacteria. Estos organismos requieren altas concentraciones de sal (generalmente 1.5–5 M NaCl) para crecer y se encuentran a menudo en lagos salados, estanques salinos y suelos salinos (Offre et al., 2013).

Ecología e importancia:

• Suelos salinos: En regiones áridas y semiáridas, donde la agricultura de regadío está muy extendida, la salinización secundaria del suelo es un problema grave. Las arqueas halófilas pueden dominar las comunidades microbianas de dichos suelos (Offre et al., 2013).
• Metabolismo: La mayoría de las arqueas halófilas son aerobias, heterótrofas. Algunas son capaces de fotosíntesis utilizando bacteriorrodopsina (halobacterias), pero no es fotosíntesis oxigénica.
• Papel en la agroesfera: Su papel en suelos salinos aún se está estudiando. Pueden participar en la descomposición de materia orgánica, pero su contribución a la fertilidad del suelo es limitada. Sin embargo, son indicadores de salinización y pueden utilizarse para monitorear el estado del suelo (Offre et al., 2013).

6.6. Arqueas termófilas y acidófilas en hábitats extremos

Aunque estos grupos no son típicos de la agroesfera, merecen mención, ya que demuestran la asombrosa adaptación de las arqueas a condiciones extremas.

• Arqueas termófilas: Habitan fuentes termales, chimeneas hidrotermales, suelos volcánicos. Las temperaturas óptimas de crecimiento son de 65–110 °C. Ejemplos: Pyrococcus, Thermococcus, Sulfolobus (Offre et al., 2013).
• Arqueas acidófilas: Habitan ambientes ácidos (pH < 3), como aguas ácidas de minas, suelos volcánicos. Ejemplo: Ferroplasma acidiphilum, Sulfolobus acidocaldarius (Offre et al., 2013).

Importancia para la agroesfera: Aunque estas arqueas no son típicas de los suelos agrícolas, son importantes para comprender la evolución de la vida y pueden ser una fuente de enzimas únicas (por ejemplo, ADN polimerasas termoestables utilizadas en la PCR). Además, las arqueas acidófilas pueden participar en la formación de drenajes ácidos de minas a partir de rocas, lo que puede ser un problema ambiental (Offre et al., 2013; Weil, 2017).

6.7. Papel de las arqueas en los ciclos biogeoquímicos

En resumen, las arqueas desempeñan un papel clave en varios ciclos biogeoquímicos globales:

1. Ciclo del carbono: Los metanógenos producen metano, los metanótrofos lo consumen. Las arqueas también participan en la descomposición de materia orgánica en condiciones anaerobias.

2. Ciclo del nitrógeno: Las AOA realizan la primera etapa de la nitrificación, desempeñando un papel clave en la conversión de amonio a nitrato.

3. Ciclo del azufre: Algunas arqueas (por ejemplo, Sulfolobus) oxidan el azufre, otras (por ejemplo, Archaeoglobus) reducen el sulfato.

4. Ciclo del hierro: Algunas arqueas participan en la oxidación y reducción del hierro.

7.1. Biofertilizantes y preparados microbianos

Una de las direcciones más prometedoras es el uso de biofertilizantes (o preparados microbianos). Son preparados que contienen microorganismos vivos que, al ser introducidos en el suelo o aplicados a las semillas, mejoran la nutrición de las plantas y estimulan su crecimiento (Glick, 2012; Compant et al., 2005).

Tipos principales de biofertilizantes:

1. Biofertilizantes fijadores de nitrógeno:

• Preparados con rizobios: A base de bacterias noduladoras (Rhizobium, Bradyrhizobium). Se utilizan para la inoculación de semillas de leguminosas (soja, guisante, alfalfa, trébol). Esto permite reducir o abandonar por completo los fertilizantes nitrogenados, ya que las bacterias fijan el nitrógeno atmosférico y lo suministran a la planta (Udvardi & Poole, 2013; Marschner, 2012). Por ejemplo, la inoculación de la soja puede aportar hasta 200 kg de nitrógeno por hectárea (Marschner, 2012).
• Fijadores asociativos de nitrógeno: A base de Azospirillum para cereales (trigo, maíz, arroz). No forman nódulos, pero viven en la rizosfera y fijan nitrógeno, además de producir fitohormonas (Glick, 2012).
• Fijadores de vida libre: A base de Azotobacter para diversos cultivos. Son menos eficaces que los simbiontes, pero pueden mejorar la nutrición nitrogenada (Weil, 2017).

2. Biofertilizantes movilizadores de fosfato:

• A base de bacterias capaces de transformar los fosfatos insolubles en forma disponible. Ejemplos: Bacillus, Pseudomonas. Estos preparados permiten aumentar la eficacia de los fertilizantes fosfatados y reducir sus dosis (Glick, 2012; Scheffer et al., 2018).

3. Biofertilizantes complejos:

• Contienen una mezcla de varios microorganismos: fijadores de nitrógeno, movilizadores de fosfato y movilizadores de potasio. Esto permite mejorar integralmente la nutrición de las plantas (Glick, 2012).

Ventajas de los biofertilizantes:

• Son ecológicamente seguros, no contaminan el suelo ni el agua.
• Reducen los costos de los fertilizantes minerales.
• Mejoran la estructura del suelo y su actividad biológica.
• Aumentan la resistencia de las plantas a los estreses (sequía, salinidad, patógenos) (Glick, 2012; Compant et al., 2005).

Limitaciones:

• La eficacia depende de las condiciones edafoclimáticas.
• Requieren un almacenamiento y aplicación correctos.
• No siempre son competitivos frente a la microflora autóctona (Compant et al., 2005).

7.2. Biocontrol de fitopatógenos

El biocontrol es el uso de organismos vivos (o sus productos) para suprimir fitopatógenos. Las bacterias y arqueas desempeñan aquí un papel clave (Lugtenberg & Kamilova, 2009; Compant et al., 2005).

Mecanismos de biocontrol:

1. Antibiosis: Las PGPB producen antibióticos que matan o inhiben el crecimiento de los patógenos. Ejemplos: Bacillus subtilis produce subtilina, Pseudomonas fluorescens — fenazina (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

2. Competencia por nutrientes y nichos: Las PGPB colonizan rápidamente el sistema radical, ocupando los lugares que podrían ser ocupados por los patógenos. También compiten por los nutrientes, privando a los patógenos de recursos (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

3. Parasitismo y lisis: Algunas bacterias (por ejemplo, Streptomyces) producen enzimas (quitinasas, glucanasas) que destruyen las paredes celulares de los patógenos fúngicos (Compant et al., 2005).

4. Inducción de resistencia sistémica (ISR): Las PGPB pueden «activar» los mecanismos de defensa de la planta, haciéndola más resistente a los patógenos. Esto ocurre sin contacto directo entre la bacteria y el patógeno (Compant et al., 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).

5. Sideróforos: Las PGPB producen sideróforos que quelan el hierro, haciéndolo inaccesible para los patógenos (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

Ejemplos de preparados de biocontrol:

• A base de Bacillus subtilis — para la protección contra podredumbres radicales y oídio.
• A base de Pseudomonas fluorescens — para la protección contra patógenos bacterianos y fúngicos.
• A base de Trichoderma (hongo) — para la protección contra un amplio espectro de patógenos (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

7.3. Indicadores de la salud del suelo

Los microorganismos pueden servir como bioindicadores del estado del suelo. Su número, diversidad y actividad reflejan la salud del suelo y su capacidad de cumplir sus funciones (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

Principales indicadores microbianos:

1. Biomasa microbiana: Masa total de microorganismos en el suelo. Una biomasa alta generalmente indica un suelo sano y fértil (Weil, 2017).

2. Respiración microbiana: Liberación de CO₂ por el suelo. Refleja la actividad metabólica general de la comunidad microbiana (Weil, 2017).

3. Actividad enzimática: Actividad de las enzimas del suelo (deshidrogenasas, fosfatasas, ureasas) — indicador de la intensidad de los procesos bioquímicos (Huang et al., 2012).

4. Diversidad de la comunidad microbiana: Se evalúa mediante métodos moleculares (secuenciación del ARNr 16S). Una alta diversidad es signo de un suelo resiliente (Weil, 2017).

5. Relación hongos/bacterias: Diferentes relaciones son características de distintos tipos de suelo y sistemas agrícolas. Por ejemplo, los sistemas de siembra directa (No-till) favorecen el aumento de la proporción de hongos (Weil, 2017).

6. Presencia de grupos específicos: Por ejemplo, la presencia de AOA (arqueas oxidadoras de amonio) puede indicar una nitrificación activa (Prosser & Nicol, 2008).

7.4. Biorremediación de contaminantes

Los microorganismos son capaces de descomponer o neutralizar contaminantes ambientales. Esto se utiliza en la biorremediación, una tecnología de limpieza de suelos y aguas con agentes biológicos (Weil, 2017; Glick, 2012).

Direcciones principales:

1. Degradación de contaminantes orgánicos: Algunas bacterias (por ejemplo, Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus) son capaces de degradar derivados del petróleo, pesticidas e hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) (Weil, 2017; Huang et al., 2012).

2. Detoxificación de metales pesados: Las bacterias pueden inmovilizar o transformar los metales pesados, reduciendo su toxicidad. Por ejemplo, las bacterias sulfato-reductoras precipitan los metales en forma de sulfuros (Huang et al., 2012).

3. Fitorremediación con PGPB: Uso conjunto de plantas y PGPB para la limpieza de suelos. Las bacterias estimulan el crecimiento de las plantas que acumulan contaminantes y les ayudan a hacer frente al estrés (Glick, 2012).

4. Biorremediación con arqueas: Los metanógenos y otras arqueas pueden participar en la degradación de contaminantes orgánicos en condiciones anaerobias (Offre et al., 2013).

7.5. Influencia de las agrotecnologías en las comunidades microbianas

Comprender cómo las agrotecnologías influyen en las comunidades microbianas permite gestionarlas para aumentar la fertilidad y la resiliencia de los agroecosistemas (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

Principales factores de influencia:

1. Laboreo del suelo:

• Tradicional (arado): Destruye las comunidades microbianas, reduce la diversidad y favorece la pérdida de carbono orgánico (Weil, 2017).
• No-till (siembra directa): Conserva la estructura del suelo, aumenta la biomasa microbiana y la diversidad, y favorece la acumulación de carbono orgánico (Weil, 2017).

2. Aplicación de fertilizantes:

• Fertilizantes minerales: Pueden estimular el crecimiento de determinados grupos de microorganismos, pero en exceso reducen la diversidad y provocan la acidificación del suelo (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).
• Fertilizantes orgánicos: Aumentan la biomasa y la actividad microbianas, y mejoran la estructura del suelo (Weil, 2017).

3. Pesticidas:

• Pueden ejercer un efecto tóxico sobre microorganismos no objetivo, reduciendo la diversidad y la actividad (Weil, 2017).
• Algunos pesticidas pueden ser degradados por microorganismos, pero al mismo tiempo pueden acumularse en las cadenas tróficas (Weil, 2017).

4. Rotación de cultivos:

• Las rotaciones diversas favorecen el aumento de la diversidad microbiana y la resiliencia del suelo (Weil, 2017).
• El monocultivo reduce la diversidad y puede conducir a la acumulación de patógenos (Weil, 2017).

5. Riego:

• Influye en la humedad del suelo, que determina la actividad de los microorganismos. El exceso de agua puede provocar condiciones anaerobias y el desarrollo de metanógenos (Conrad, 2007).

8.1. Los procariotas: fundamento de los agroecosistemas

La conclusión principal que debemos extraer es que los procariotas son el fundamento de los agroecosistemas. Su papel no puede sobreestimarse. Recordemos las cifras y los hechos clave:

• En un gramo de suelo hay desde varios miles de millones hasta cientos de miles de millones de células bacterianas (Weil, 2017).
• La biomasa de microorganismos en la capa superior del suelo puede alcanzar varias toneladas por hectárea, lo que es comparable a la biomasa de un gran rebaño de animales (Weil, 2017).
• Los procariotas dominan en los procesos de descomposición de la materia orgánica, el ciclo del nitrógeno, el fósforo y el azufre (Huang et al., 2012; Scheffer et al., 2018).
• Sin su actividad, la fertilidad del suelo sería imposible, ya que los principales elementos nutritivos quedarían «encerrados» en la materia orgánica muerta.

Precisamente los procariotas proporcionan los servicios ecosistémicos de los que depende la agricultura: mineralización de la materia orgánica, fijación de nitrógeno, movilización de fósforo, biocontrol de patógenos y mucho más.

8.2. Diversidad taxonómica y sistemática moderna

Hemos visto que el mundo de los procariotas es enorme y diverso. Se divide en dos dominios fundamentales: Bacteria y Archaea, que divergieron en la evolución hace miles de millones de años (Woese & Fox, 1977). Conocimos los principales filos relevantes para la agrosfera:

• Pseudomonadota (Proteobacteria): el filo más diverso, que incluye rizobios, pseudomonas, xantomonas y enterobacterias (Agrios, 2005; Udvardi & Poole, 2013).
• Bacillota (Firmicutes): bacterias grampositivas esporuladas, incluidos Bacillus y Clostridium (Weil, 2017).
• Actinomycetota (Actinobacteria): bacterias miceliales, incluidos Streptomyces y Frankia (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).
• Bacteroidota: bacterias del suelo e intestinales que participan en la descomposición de la materia orgánica (Weil, 2017).
• Cyanobacteria, Acidobacteria, Verrucomicrobia y otros (Huang et al., 2012; Weil, 2017).

También discutimos que la sistemática moderna de los procariotas se basa en datos moleculares. El gen 16S ARNr fue durante mucho tiempo el «estándar de oro», pero hoy es sustituido por métodos de genoma completo (ANI, genes concatenados), que permiten construir árboles filogenéticos más precisos y determinar los límites de las especies (Doolittle & Papke, 2006; Yoon et al., 2017; Parks et al., 2018). Las bases de datos SILVA, EzBioCloud y GTDB se han convertido en herramientas indispensables para la identificación y clasificación de microorganismos (Quast et al., 2012; Yoon et al., 2017; Parks et al., 2018).

8.3. Grupos ecológicos y su papel en la agrosfera

Hemos examinado los principales grupos ecológicos de procariotas que determinan el funcionamiento de los agroecosistemas:

• PGPB (Plant Growth-Promoting Bacteria): Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas, Rhizobium — estimulan el crecimiento de las plantas mediante la síntesis de fitohormonas, la mejora de la nutrición y el biocontrol (Glick, 2012; Compant et al., 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Fijadores de nitrógeno: simbióticos (rizobios, frankia), de vida libre (Azotobacter, Clostridium), asociativos (Azospirillum) — proporcionan la nutrición nitrogenada de las plantas (Marschner, 2012; Udvardi & Poole, 2013).
• Metanótrofos: consumen metano, reduciendo la emisión de gases de efecto invernadero (Conrad, 2007).
• Metanógenos (Archaea): producen metano en condiciones anaerobias — arrozales, intestino de rumiantes (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).
• Arqueas oxidadoras de amonio (AOA): nitrificantes clave, dominantes en los suelos (Leininger et al., 2006; Prosser & Nicol, 2008).
• Nitrificantes y desnitrificantes: aseguran el ciclo del nitrógeno (Prosser, 2008; Huang et al., 2012).
• Bacterias movilizadoras de fosfato y potasio: transforman los elementos en forma disponible para las plantas (Glick, 2012; Scheffer et al., 2018).
• Productores de sideróforos: compiten por el hierro, suprimiendo a los patógenos (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

También nos detuvimos en detalle en las arqueas, que, como resultó, no son un grupo exótico, sino que están ubiquitousmente presentes en los suelos y desempeñan un papel clave en los ciclos biogeoquímicos (Offre et al., 2013; Leininger et al., 2006).

8.4. Importancia práctica para la agronomía

Hemos discutido cómo se aplican en la práctica los conocimientos sobre los procariotas:

• Biofertilizantes: preparados a base de fijadores de nitrógeno, movilizadores de fosfato y PGPB permiten reducir la dependencia de los fertilizantes minerales y aumentar el rendimiento (Glick, 2012).
• Biocontrol: uso de microorganismos para suprimir fitopatógenos mediante antibiosis, competencia, parasitismo e inducción de resistencia sistémica (Lugtenberg & Kamilova, 2009; Compant et al., 2005).
• Indicadores de la salud del suelo: la biomasa microbiana, la respiración, la actividad enzimática y la diversidad se utilizan para evaluar el estado de los suelos (Weil, 2017; Huang et al., 2012).
• Biorremediación: los microorganismos degradan contaminantes (derivados del petróleo, pesticidas) y detoxifican metales pesados (Weil, 2017; Glick, 2012).
• Influencia de las agrotecnologías: el laboreo, los fertilizantes, los pesticidas y la rotación de cultivos ejercen una influencia significativa sobre las comunidades microbianas, lo que debe tenerse en cuenta al gestionar los agroecosistemas (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

8.5. Limitaciones y perspectivas

A pesar del enorme progreso, nuestros conocimientos sobre los procariotas están lejos de ser completos. La mayoría de los microorganismos (más del 99 %) no pueden cultivarse en condiciones de laboratorio, y solo los conocemos por datos moleculares (Weil, 2017). Esto crea serias limitaciones para el estudio de su fisiología y ecología.

Además, la transferencia horizontal de genes y la mosaicidad de los genomas hacen que la construcción de un árbol evolutivo único sea una tarea compleja (Doolittle & Papke, 2006). Los métodos de metagenómica, metatranscriptómica y metabolómica abren nuevas posibilidades para el estudio de los microorganismos no cultivables y sus funciones en condiciones naturales (Hug et al., 2016).

Las perspectivas de investigaciones futuras incluyen:

• El desarrollo de nuevos métodos de cultivo para acceder a la «materia oscura microbiana».
• El uso de isótopos estables (SIP) para identificar microorganismos activos en el suelo (Huang et al., 2012).
• La aplicación de la biología sintética para crear consorcios microbianos eficaces para la agronomía.
• El estudio de la interacción de bacterias y arqueas con las plantas y otros microorganismos en el marco del holobionte (Huang et al., 2012).

8.6. Observaciones finales

Estimados estudiantes, hemos concluido el primer módulo de nuestro curso. Han recibido conocimientos fundamentales sobre el grupo más antiguo, numeroso y metabólicamente diverso de organismos de la Tierra: los procariotas. Han aprendido que las bacterias y las arqueas no son simplemente «microbios», sino sistemas complejos y altamente organizados que determinan la vida en nuestro planeta.

Para el agrónomo, estos conocimientos tienen una importancia práctica directa. Comprender la microbiología del suelo permite:

• Gestionar eficazmente la fertilidad, reduciendo los costos de fertilizantes.
• Proteger las plantas de enfermedades mediante métodos biológicos.
• Evaluar la salud del suelo y predecir su productividad.
• Desarrollar sistemas agrícolas sostenibles que conserven los recursos para las generaciones futuras.

La sistemática y la taxonomía modernas no son simplemente «la ciencia de los nombres». Son una herramienta que nos permite comprender las relaciones evolutivas, predecir las propiedades de los organismos y utilizarlos eficazmente con fines prácticos. Las bases de datos, como SILVA, EzBioCloud y GTDB, no son manuales, sino herramientas de trabajo que le acompañarán a lo largo de toda su actividad profesional.