RT Dissertation/Thesis
T1 "Eucalyptus globulus" labill. for weed control in organic agriculture : from molecules to the field
A1 González Puig, Carolina Beatriz
K1 2417.19 Fisiología Vegetal
K1 5312.02 Servicios Comunitarios, Sociales E Individuales
AB Desde los comienzos de la agricultura, el control de malezas ha sido clave para laproducción vegetal, ya que éstas compiten con el cultivo principal por los recursos,convirtiéndolas en uno de los principales factores limitantes de la productividad. Esto hallevado al desarrollo y uso masivo de los fitosanitarios de síntesis, lo que ha contribuidonotablemente a la contaminación y al deterioro de los agroecosistemas. En consecuencia,la legislación europea (EC 1107/2009) ha eliminado del mercado algunos productos oingredientes activos considerados perjudiciales para el medio ambiente. En el caso de laAgricultura Ecológica (AE), donde se prohíbe el uso de fertilizantes y fitosanitarios desíntesis (EC 834/2007), la carencia de insumos apropiados para ciertos usos es todavíamás preocupante, lo que hace que los agricultores ecológicos deban recurrirnecesariamente a otros métodos de control de malezas.Este trabajo de Tesis Doctoral titulado “Eucalyptus globulus Labill. for weedcontrol in Organic Agriculture: from molecules to the field” nace como respuesta a lademanda de herramientas eficientes para el control de malas hierbas en AE, pero tambiéna la agricultura convencional, en la búsqueda de nuevas alternativas a los herbicidasconvencionales de síntesis, como herramientas complementarias, o incluso únicas, parauna producción agrícola de calidad sostenible, saludable, y más respetuosa con el medioambiente.En la búsqueda de nuevos bioherbicidas, la utilización de las interaccionesquímicas entre plantas se presenta como una de las estrategias alternativas para el controlde malezas. Las sustancias (aleloquímicos) que liberan las plantas en su entorno puedeninterferir en la germinación y el crecimiento de las plantas “adversarias”. Está demostradoque bajo condiciones naturales, los aleloquímicos liberados actúan de forma sinérgica yejercen su efecto inhibitorio como mezclas complejas. Por tanto, material vegetal yextractos crudos de nuevas especies con capacidad alelopática podrían ser utilizadoscomo cócteles naturales de aleloquímicos con efecto bioherbicida que, bajo determinadascondiciones y debidamente dosificados, y al ser aportados al suelo como abonos verdes oaplicados sobre las malas hierbas, controlasen su germinación y/o crecimiento.En los sistemas agroforestales de la Península Ibérica, existe una enorme variedadde plantas silvestres, biomasa y co-productos forestales, que tienen potencial paraconvertirse en herramientas apropiadas para el control de malezas. De este modo, surge lapregunta ‘¿Y si, en lugar de cultivar un abono verde alelopático, se aportase como tal Eucalyptus globulus Labill. for weed control in Organic Agriculture: from molecules to the fieldiibiomasa con potencial bioherbicida disponible en el agroecosistema?’. El servicioagroecosistémico del control de malezas se llevaría a cabo mediante un uso eficiente delos recursos agroforestales, facilitando el reciclado de nutrientes y sin ocupar tiempo niespacio en la hoja de cultivos, y por tanto, optimizando el rendimiento agrícola.El Capítulo 1 de esta Tesis describe la situación e importancia de la AE en losúltimos años, así como el uso potencial de especies alelopáticas para el control demalezas y las evidencias alelopáticas de E. globulus recogidas en la literatura científicaque justifican el presente estudio.El objetivo general de este trabajo (Capítulo 2) es caracterizar el potencialfitotóxico y las dosis activas del extracto acuoso y abono verde a base de filodios deeucalipto, así como evaluar su efectividad como bioherbicida e identificar los posiblescompuestos responsables de los efectos observados.Para alcanzar este objetivo general, se establecieron una serie de objetivosespecíficos, los cuales se llevaron a cabo mediante ensayos de laboratorio, invernadero ycampo desarrollados en los cuatro capítulos que se resumen a continuación.En el Capítulo 3, titulado “Valorization of agroforest species as bioherbicides”(Valorización de especies agroforestales como bioherbicidas), se evaluó el potencialfitotóxico de los extractos acuosos de quince especies agroforestales sobre la germinacióny el crecimiento de la especie modelo dicotiledónea Lactuca sativa y de lamonocotiledónea Agrostis stolonifera, con el fin de seleccionar la especie másprometedora. Aunque la mayoría de los extractos mostraron efectos fitotóxicos similareso mayores que el herbicida sintético de preemergencia metolacloro (usado como controlpositivo), Eucalyptus globulus fue seleccionada como la especie más prometedora para elcontrol de malezas en AE. Además, evidencias previas de su actividad alelopática, juntocon la abundancia de biomasa presente en el sistema agroforestal derivada de lasplantaciones destinadas a la industria papelera, nos llevó a plantearnos un uso potencialde los residuos forestales de eucalipto como bioherbicida.Para ello, se llevaron a cabo ensayos in vitro con el fin de caracterizar el extractoacuoso de filodios de E. globulus mediante (i) la evaluación de su efectividad en preemergenciasobre la germinación y crecimiento de las especies modelo, obteniendo laspautas dosis/respuesta y concentraciones de inhibición ED50 y ED80, (ii) la evaluación desu efectividad en pos-emergencia sobre parámetros fisiológicos (fotosíntesis, contenido Resumeniiide clorofilas y proteínas) y morfológicos (biomasa aérea y su relación ps/pf, y biomasa ylongitud de raíz) de plantas adultas de L. sativa, y (iii) el análisis cualitativo y cuantitativopor HPLC-DAD/UV de los compuestos potencialmente alelopáticos presentes en elextracto acuoso. Los resultados mostraron una clara relación dosis/respuesta sobre lagerminación y crecimiento temprano de las especies modelo. Sin embargo, la ausencia deefectos fitotóxicos sobre plantas adultas de lechuga, escogida como especie modelo porsu alta sensibilidad a los aleloquímicos, nos llevó a descartar el uso del extracto acuoso deeucalipto como bioherbicida de pos-emergencia, ya que estos efectos seríanagronómicamente irrelevantes en el contexto del control de malezas.El análisis químico del extracto acuoso reveló la presencia de 8 compuestosfenólicos y 5 ácidos orgánicos, demostrando la capacidad de las hojas de eucalipto deliberar aleloquímicos al medio ambiente. La mayoría de los compuestos identificados hansido reconocidos por otros autores como sustancias fitotóxicas. No obstante, aunquemuchas especies sean capaces de producir aleloquímicos, éstos podrían ser rápidamentedegradados por los microorganismos edáficos o por otras interacciones que tienen lugaren el suelo, convirtiendo a estas sustancias en moléculas no tóxicas, o reduciendo sufitotoxicidad sobre las especies diana. Por ello, uno de los mayores desafíos que nosencontramos a la hora de aplicar el uso de extractos acuosos o aceites esenciales para elcontrol de malezas, suele ser la obtención de un efecto fitotóxico a largo plazo. En estesentido, el uso de plantas alelopáticas incorporadas al suelo como abono verde sería unabuena estrategia para conseguirlo, especialmente el uso de aquellas con tasas bajas dedescomposición, como es el caso del eucalipto, lo que conllevaría la capacidad de liberarlentamente los aleloquímicos. Todo esto contribuyó al diseño de los experimentos deinvernadero, desarrollados en el Capítulo 4 de esta Tesis.En este Capítulo 4, titulado “Eucalyptus globulus leaves incorporated as greenmanure for weed control in maize: greenhouse experiments” (Filodios de Eucalyptusglobulus incorporados como abono verde para el control de malezas en maíz:experimentos de invernadero), se comprobó la efectividad de las hojas de eucaliptoincorporadas al suelo como abono verde sobre la germinación y crecimiento temprano delmaíz y de las especies arvenses más problemáticas asociadas a este cultivo, con el fin deestablecer pautas preliminares para su manejo como abono verde en ensayos de campo.Previamente, en ensayos in vitro, se evaluó el potencial fitotóxico del extracto acuoso deeucalipto sobre las especies diana de malas hierbas Amaranthus retroflexus y Echinochloa crus-galli, y sobre el maíz. Mediante curvas dosis/respuesta, se obtuvieronlas concentraciones de inhibición ED50 y ED80 del extracto para las tres especies,permitiendo establecer la concentración en el suelo óptima para el control de las malashierbas en los posteriores ensayos de maceta. El extracto acuoso fue capaz de inhibir lagerminación de A. retroflexus y de reducir el crecimiento de E. crus-galli, sin llegar aafectar al desarrollo del maíz.Una vez esclarecido el potencial bioherbicida de preemergencia del extractoacuoso de eucalipto sobre las especies diana, y establecida la dosis necesaria en suelopara el control de malezas, se llevaron a cabo dos experimentos en maceta bajocondiciones de invernadero. En el primer experimento, las hojas de eucalipto seincorporaron al suelo en dos dosis diferentes, 1% y 2% (proporción de peso seco de hojaspor peso seco de suelo), con el fin de evaluar el efecto fitotóxico del eucalipto sobre lagerminación, establecimiento y crecimiento temprano del maíz y de las especies arvensesmás problemáticas asociadas a este cultivo. Treinta días después de la incorporación deleucalipto como abono verde, se observaron reducciones de la biomasa aérea, tanto de lasespecies de malas hierbas dicotiledóneas como monocotiledóneas, con un efecto similarentre ambas dosis. El hecho de que la dosis más baja fuera igualmente efectiva que ladosis más alta, nos llevó a seleccionar la primera como la óptima para controlar lasmalezas en los siguientes ensayos de campo, reduciéndose así la carga de trabajo y loscostes.En el segundo experimento de maceta, se evaluó el efecto fitotóxico temporal delabono verde a base de eucalipto con el fin de determinar la duración del efecto sobre lagerminación y el crecimiento temprano del maíz y de dos especies diana de malashierbas. Los resultados obtenidos mostraron inhibición de la germinación y delcrecimiento de la dicotiledónea A. retroflexus en todos los tiempos ensayados. Sinembargo, el abono verde de eucalipto no pudo controlar la monocotiledónea E. crus-galli.Se observó reducción de la biomasa aérea del maíz al inicio del ensayo, dando lugar alestablecimiento de un periodo de seguridad para la siembra del maíz de 12 a 15 días trasla incorporación del eucalipto al suelo, que posteriormente se adoptó en los experimentosde campo. Según estos resultados, se estableció la hipótesis de un modelo de dos fases enla dinámica de los efectos del eucalipto sobre el crecimiento del maíz. La primera fase,correspondiente a un periodo inhibitorio de 12 días tras la incorporación del eucalipto, serelacionó con la acumulación de compuestos volátiles en la atmósfera del suelo. Esta Resumenv‘fase volátil’ daría paso a una fase estimulatoria o ‘fase soluble’, relacionada con elprincipio de la descomposición del material vegetal y con la liberación de nutrientes alsuelo.Hasta ahora, se había demostrado la actividad fitotóxica del abono verde a base dehojas de eucalipto. Sin embargo, cuestiones como ‘¿Qué está ocurriendo exactamente anivel químico?’ o ‘¿Cuáles son los compuestos potencialmente responsables de losefectos fitotóxicos observados en los ensayos de maceta?’ seguían sin resolver.Para responder a estas preguntas, se llevaron a cabo ensayos in vitro desarrolladosen el Capítulo 5, titulado “The consistency between phytotoxic effects and thedynamics of allelochemicals release” (Consistencia entre los efectos fitotóxicos y ladinámica de liberación de aleloquímicos). El objetivo de este capítulo fue validar elmodelo de dos fases hipotetizado en los ensayos previos, a través del estudio del efectodel suelo en la evolución de los compuestos alelopáticos tras la incorporación del materialvegetal. Se realizaron análisis secuenciales de fenoles y flavonoides por HPLC-DAD y decompuestos volátiles por HS-SPME/GC-IT-MS, junto con bioensayos in vitro de ambasfracciones soluble y volátil sobre la germinación y crecimiento de la especie modelo. Losresultados de este capítulo esclarecieron los patrones de la dinámica de fitotoxicidad yliberación de aleloquímicos durante el proceso de descomposición de las hojas deeucalipto incorporadas al suelo durante 30 días. El análisis químico reveló la presencia de6 compuestos fenólicos y 10 compuestos volátiles, siendo el eucaliptol el compuestomayoritario. Según los resultados obtenidos, tanto los compuestos fenólicos comovolátiles mostraron una liberación continua y simultánea durante todo el periodo dedescomposición de las hojas en el suelo, rechazando la hipótesis del modelo de dos fasesdescrito previamente. La fracción soluble pudo inhibir la germinación de la especiemodelo L. sativa a lo largo del tiempo, pero no afectó a su crecimiento. Esta observaciónpodría estar relacionada con la inhibición continua de la germinación de A. retroflexusobservada en el ensayo temporal de macetas del Capítulo 4. Por otro lado, la fracciónvolátil no pudo inhibir la germinación de la especie modelo, sin embargo su crecimientose vio afectado durante todo el periodo ensayado. Esto podría explicar las reducciones delcrecimiento de E. crus-galli y maíz a medio plazo, observadas en el primer experimentode macetas del capítulo anterior. Hay que tener en cuenta que estas relaciones sonespeculativas, ya que el efecto fitotóxico de cada tipo de compuesto sobre ambos procesos (germinación y crecimiento) se ha estudiado sobre la especie modelo L. sativa,por lo que estos efectos podrían no ser extrapolables a otras especies diana.Cabe señalar que, tanto los compuestos fenólicos como volátiles identificados ycuantificados en este trabajo fueron obtenidos mediante métodos de extracción ‘natural’,ya que en todos los análisis químicos se usó agua destilada como disolvente de extracciónpara los compuestos solubles, o técnicas donde se extraen y detectan solo aquellosvolátiles que se liberan en la atmósfera (headspace trapping techniques). Es probable que,por esta razón, el número de compuestos obtenidos en este estudio haya sido menor encomparación con otras referencias en la literatura científica, donde usan métodos deextracción de alto rendimiento. Por tanto, cabe suponer que los compuestos identificadosen este trabajo son los que realmente se encuentran en la atmósfera del suelo.Finalmente, en el Capítulo 6 titulado “On the suitability of Eucalyptus globulusgreen manure for field weed control” (Sobre la adecuación de Eucalyptus globuluscomo abono verde para el control de malezas en campo) se llevaron a cabo experimentosde campo. Los objetivos de este capítulo fueron demostrar la eficacia bioherbicida de losresiduos de eucalipto incorporados al suelo como abono verde en parcelasexperimentales, mediante la descripción de sus efectos sobre la diversidad y abundanciade la flora arvense y sobre parámetros agronómicos del cultivo, así como evaluar el efectodel eucalipto sobre las propiedades físico-químicas y microbiológicas del suelo a lo largodel ensayo. Los experimentos se llevaron a cabo en dos localidades distintas durante dosaños consecutivos. Los resultados obtenidos demostraron la capacidad del eucaliptoincorporado como abono verde para reducir la biomasa de las especies de malas hierbasdicotiledóneas y monocotiledóneas, en ocasiones llegando a mostrar igual efectividad quela escarda manual. Y, a pesar de ser campos de experimentación con una alta infestaciónde malas hierbas, se obtuvieron valores de biomasa de maíz superiores a las parcelascontrol. Los análisis sobre las propiedades físico-químicas y microbiológicas del suelomostraron que los restos de eucalipto incorporados como abono verde no producenefectos negativos sobre la calidad del suelo.Derivadas de la “Discusión general” realizada en el Capítulo 7 (Generaldiscussion), de esta Tesis surgen las siguientes “Conclusiones generales”, que seexponen en el Capítulo 8 (General conclusions): (1) El extracto acuoso de hojas deEucalyptus globulus reveló efectos fitotóxicos sobre la germinación, el crecimiento yotras variables medidas en especies modelo. A pesar de que se encontraron efectos Resumenviifitotóxicos sobre algunos parámetros fisiológicos en plantas adultas de lechuga, sedescartó el uso del extracto acuoso como bioherbicida de pos-emergencia; sin embargo,su uso como bioherbicida de pre-emergencia se mostró prometedor. Se concluye que E.globulus posee un cóctel de compuestos fitotóxicos (compuestos fenólicos y ácidosorgánicos) que podrían ser liberados por los residuos de hoja incorporados al suelo y, portanto, interferir en la germinación y desarrollo de otras especies. (2) La combinación deensayos in vitro con experimentos de maceta sobre los efectos fitotóxicos de las hojas deE. globulus fue muy útil para valorar su uso potencial para el control de malezas encampo. Se establece así una metodología adecuada y novedosa de bioensayos deinvernadero en maceta para el estudio del potencial bioherbicida de cultivos y plantassilvestres. Se demuestra que el abono verde a base de filodios de eucalipto tienecapacidad herbicida sobre las especies arvenses Amaranthus retroflexus, Solanumnigrum, Echinochloa crus-galli y Digitaria sanguinalis. Para las especies ensayadas, sedescriben distintos procesos afectados según sea la especie diana dicotiledónea omonocotiledónea, con la inhibición de la germinación o del crecimiento a medio plazo,respectivamente. Se hipotetiza un modelo de dos fases en función de la dinámica de losefectos fitotóxicos observados sobre el crecimiento del maíz y, por tanto, se recomiendaun periodo de seguridad para la siembra del maíz tras el enterramiento del abono verde deentre 12 y 15 días. Los resultados evidencian que la incorporación de hojas de E. globulusal suelo a la dosis más baja, puede ser una práctica viable para el control de malezas enensayos de campo. (3) El estudio en profundidad del destino de los aleloquímicospresentes en hojas de E. globulus, reveló una dinámica de liberación continua ysimultánea de los diferentes compuestos fenólicos y volátiles durante un periodo de 30días de descomposición, rechazándose así el modelo de dos fases establecidopreviamente. La obtención de los compuestos fenólicos y volátiles se llevó a cabomediante métodos de extracción ‘naturales’, llegando a identificar y a cuantificar 6 y 10compuestos, respectivamente. El uso de esta metodología permite asumir que loscompuestos identificados en este trabajo son aquellos que realmente se encuentranpresentes en la atmósfera del suelo. La dinámica de liberación de este cóctel dealeloquímicos en el ambiente edáfico puede ser la responsable de los patrones defitotoxicidad observados en los experimentos de laboratorio e invernadero. Ambos tiposde compuestos tuvieron efectos fitotóxicos durante todo el periodo de ensayo, siendo losresponsables de la inhibición de la germinación, en el caso de los compuestos solubles, ode la reducción del crecimiento en el caso de los volátiles. (4) Mediante un estudio integral de campo, se demostró que los residuos de cosecha de E. globulus incorporadosal suelo como abono verde ejercieron un control a medio y largo plazo sobre las malashierbas. El eucalipto pudo reducir significativamente las malas hierbas más dominantes yproblemáticas como D. sanguinalis y Chenopodium álbum. Además, mostró unaefectividad general sobre las malezas, en ocasiones llegando a ser incluso igual deefectivo que el tratamiento de escarda, lo que implicaría reducciones en carga de trabajo ycostes. (5) Los resultados obtenidos sobre las propiedades físico-químicas ymicrobiológicas del suelo de las parcelas de campo demostraron que el modo deincorporar los residuos de eucalipto como abono verde no deteriora la calidad del suelo.Y, (6) nuestros resultados ofrecen evidencias positivas sobre el uso de residuos deeucalipto incorporados al suelo como abono verde, siendo una herramienta barata,sostenible y respetuosa con el medio ambiente para el control de malas hierbas enproducción ecológica de maíz, y potencialmente en otros cultivos tolerantes. Así, tambiénse sugiere su uso como un método para reducir la excesiva dependencia de herbicidas desíntesis en la agricultura convencional.En esta Tesis, el uso de los residuos de Eucalyptus globulus incorporados al suelocomo abono verde para el control de malezas ha sido estudiado por primera vez,aportando valor a un sub-producto forestal como recurso para la sostenibilidad de laproducción agrícola, especialmente en Agricultura Ecológica.
YR 2017
FD 2017-12-19
LK http://hdl.handle.net/11093/916
UL http://hdl.handle.net/11093/916
LA eng
NO Ministerio de Educación, Cultura y Deporte. Programa Nacional de Formación de Profesorado Universitario (FPU 2009-4809)
DS Investigo
RD 11-sep-2024