Uso de bacteriófagos como herramientas de biocontrol en la agricultura

Abstract

[spa] La intensificación de la agricultura ha permitido aumentar la productividad en las últimas décadas; sin embargo, prácticas como el uso intensivo de fitosanitarios han contribuido a la pérdida de biodiversidad, al cambio climático, a la contaminación ambiental y a la sobreexplotación de recursos como el suelo. En este contexto, la agricultura actual afronta importantes retos que requieren soluciones sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Esta tesis aborda, desde una perspectiva de biocontrol basada en bacteriófagos, dos problemáticas de gran relevancia: las enfermedades causadas por bacterias fitopatógenas y las pérdidas de nitrógeno derivadas de la nitrificación del suelo. El fuego bacteriano, provocado por Erwinia amylovora, es una enfermedad cuarentenaria que afecta gravemente a perales y manzanos, mientras que la podredumbre negra, causada por Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc), representa una seria amenaza para los cultivos de crucíferas. Las estrategias tradicionales de control, basadas en antibióticos y compuestos cúpricos, están total o parcialmente restringidas debido a sus efectos adversos. Por ello, en este trabajo se aislaron tres nuevos fagos virulentos (ΦEF1 y ΦEF2 frente a E. amylovora y ΦXF1 frente a Xcc) que fueron caracterizados y evaluados como potenciales agentes de control biológico, mostrando eficacia tanto in vitro como en modelos vegetales. Además, la combinación de ΦEF1 y ΦEF2 presentó un efecto sinérgico. Paralelamente, la tesis aborda la necesidad de mejorar la eficiencia en el uso del nitrógeno. El uso excesivo de fertilizantes nitrogenados provoca acidificación de suelos, eutrofización de aguas y emisiones de gases de efecto invernadero, mientras que los inhibidores de la nitrificación convencionales presentan eficacia limitada y potencial toxicidad. En este contexto, el uso de fagos constituye una aproximación innovadora para modular la nitrificación. En este trabajo se aisló y caracterizó ΦNF1, el primer fago virulento descrito capaz de infectar bacterias oxidantes de amonio (AOB). ΦNF1 mostró un amplio rango de hospedador y fue capaz de reducir la tasa de nitrificación tanto en microcosmos de suelos inoculados como de suelos naturales, demostrando el potencial de los fagos como herramientas biotecnológicas para mejorar la eficiencia en el uso del nitrógeno. La persistencia y estabilidad de los fagos se evaluó como aspecto clave para su potencial aplicación en agricultura. Todos los fagos aislados mantuvieron su infectividad durante al menos seis meses en condiciones de pH neutro-alcalino y temperatura refrigerada y ambiente, mientras que las condiciones ácidas redujeron su viabilidad. Asimismo, ΦNF1 mostró capacidad de persistencia en suelo, y las formulaciones con fotoprotectores basados en carbonato de calcio mejoraron la estabilidad de todos los fagos frente a la radiación solar en diferentes matrices. En conjunto, los resultados obtenidos evidencian el potencial de estos bacteriófagos como herramientas biotecnológicas para el desarrollo de estrategias sostenibles aplicables en agricultura.

[cat] La intensificació de l’agricultura ha permès augmentar la productivitat en les darreres dècades; tanmateix, pràctiques com l’ús intensiu de fitosanitaris han contribuït a la pèrdua de biodiversitat, al canvi climàtic, a la contaminació ambiental i a la sobreexplotació de recursos com el sòl. En aquest context, l’agricultura actual afronta importants reptes que requereixen solucions sostenibles i respectuoses amb el medi ambient. Aquesta tesi aborda, des d’una perspectiva de biocontrol basada en bacteriòfags, dues problemàtiques de gran rellevància: les malalties causades per bacteris fitopatògens i les pèrdues de nitrogen derivades de la nitrificació del sòl. El foc bacterià, provocat per Erwinia amylovora, és una malaltia quarantenària que afecta greument pereres i pomeres, mentre que la podridura negra, causada per Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc), representa una greu amenaça per als cultius de crucíferes. Les estratègies tradicionals de control, basades en antibiòtics i compostos cúprics, estan totalment o parcialment restringides a causa dels seus efectes adversos. Per això, en aquest treball es van aïllar tres nous fags virulents (ΦEF1 i ΦEF2 contra E. amylovora i ΦXF1 contra Xcc) que van ser caracteritzats i avaluats com a potencials agents de control biològic, mostrant eficàcia tant in vitro com en models vegetals. A més, la combinació de ΦEF1 i ΦEF2 va presentar un efecte sinèrgic. Paral·lelament, la tesi aborda la necessitat de millorar l’eficiència en l’ús del nitrogen. L’ús excessiu de fertilitzants nitrogenats provoca acidificació dels sòls, eutrofització de les aigües i emissions de gasos d’efecte hivernacle, mentre que els inhibidors de la nitrificació convencionals presenten una eficàcia limitada i una potencial toxicitat. En aquest context, l’ús de fags constitueix una aproximació innovadora per modular la nitrificació. En aquest treball es va aïllar i caracteritzar ΦNF1, el primer fag virulent descrit capaç d’infectar bacteris oxidants d’amoni (AOB). ΦNF1 va mostrar un ampli rang d’hostes i va ser capaç de reduir la taxa de nitrificació tant en microcosmos de sòls inoculats com de sòls naturals, demostrant el potencial dels fags com a eines biotecnològiques per millorar l’eficiència en l’ús del nitrogen. La persistència i l’estabilitat dels fags es van avaluar com un aspecte clau per a la seva potencial aplicació en agricultura. Tots els aïllats van mantenir la seva infectivitat durant almenys sis mesos en condicions de pH neutre-alcalí i a temperatura refrigerada i ambient, mentre que les condicions àcides en van reduir la viabilitat. Així mateix, ΦNF1 va mostrar capacitat de persistència al sòl, i les formulacions amb fotoprotectors basats en carbonat de calci van millorar l’estabilitat de tots els fags davant la radiació solar en diferents matrius. En conjunt, els resultats obtinguts evidencien el potencial d’aquests bacteriòfags com a eines biotecnològiques per el desenvolupament d’estratègies sostenibles aplicables en agricultura.

[eng] The intensification of agriculture has increased productivity over recent decades; however, practices such as the intensive use of plant protection products have contributed to biodiversity loss, climate change, environmental pollution, and the overexploitation of resources such as soil. In this context, modern agriculture faces major challenges that require sustainable and environmentally friendly solutions. This thesis addresses, from a bacteriophage-based biocontrol perspective, two highly relevant issues: diseases caused by phytopathogenic bacteria and nitrogen losses resulting from soil nitrification. Fire blight, caused by Erwinia amylovora, is a quarantine disease that severely affects pear and apple trees, whereas black rot, caused by Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc), represents a serious threat to cruciferous crops. Traditional control strategies based on antibiotics and copper compounds are totally or partially restricted due to their adverse effects. Therefore, in this work, three new virulent phages (ΦEF1 and ΦEF2 against E. amylovora and ΦXF1 against Xcc) were isolated, characterized, and evaluated as potential biological control agents, showing effectiveness both in vitro and in plant models. In addition, the combination of ΦEF1 and ΦEF2 showed a synergistic effect. At the same time, the thesis addresses the need to improve nitrogen use efficiency. Excessive use of nitrogen fertilizers leads to soil acidification, water eutrophication, and greenhouse gas emissions, while conventional nitrification inhibitors show limited efficacy and potential toxicity. In this context, the use of phages constitutes an innovative approach to modulating nitrification. In this work, ΦNF1, the first described virulent phage capable of infecting ammonia-oxidizing bacteria (AOB), was isolated and characterized. ΦNF1 displayed a broad host range and was able to reduce nitrification rates both in inoculated and natural soils, demonstrating the potential of phages as biotechnological tools to improve nitrogen use efficiency. The persistence and stability of the phages were evaluated as key aspects for their potential application in agriculture. All isolates maintained their infectivity for at least six months under neutral-to-alkaline pH conditions and at refrigerated and room temperatures, whereas acidic conditions reduced their viability. Likewise, ΦNF1 showed persistence capacity in soil, and formulations containing calcium carbonate-based photoprotectants improved the stability of all phages against solar radiation in different matrices. Overall, the results obtained highlight the potential of these bacteriophages as biotechnological tools for the development of sustainable strategies applicable to agriculture.