BR102019008109A2 - RHIZOPHAGUS CLARUS ARBUSCULAR FUNGI INOCULANT PRODUCTION PROCESS - Google Patents
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Abstract
processo de produção de inóculante a base de fungos micorrízicos arbusculares rhizophagus clarus a presente invenção trata-se de um processo de multiplicação de fungos micorrízicos arbusculares rhizophagus clarus em condições axênicas. este processo permite a redução do tempo e o aumento da produção de propágulos, assim como a mistura de um substrato inerte de argila expandida ou vermiculita que funciona como veículo dos propágulos, otimizando o processo de inoculação para o uso em sistemas agrícolas intensivos. além de aumentar a produção e promover o crescimento da planta, a aplicação do inoculante permite a total ou parcial substituição do fósforo na adubação, com comprovada eficiência agronômica.Process for producing Rhizophagus clarus arbuscular mycorrhizal fungi based inoculum The present invention is a multiplication process of rhizophagus clarus arbuscular mycorrhizal fungi under axenic conditions. This process allows time reduction and increased seedling production, as well as the mixing of an inert expanded clay or vermiculite substrate that acts as a carrier of the seedlings, optimizing the inoculation process for use in intensive agricultural systems. In addition to increasing yield and promoting plant growth, the application of the inoculant allows the total or partial replacement of phosphorus in fertilization, with proven agronomic efficiency.
Description
PROCESSO DE PRODUÇÃO DE INÓCULANTE A BASE DE FUNGOS MICORRÍZICOS ARBUSCULARES RHIZOPHAGUS CLARUSPROCESS OF INOCULANT PRODUCTION BASED ON ARBUSCULAR MYCORRHIZAL FUNGI RHIZOPHAGUS CLARUS
CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção trata do estabelecimento de um processo de multiplicação de fungo micorrízico arbuscular da espécie Rhizophagus clarus associado a raízes de cenoura transformadas in vitro. Este processo inovador permite a redução do tempo e o aumento da multiplicação de propágulos por indução da diferenciação celular, assim como a introdução de um substrato inerte de argila expandida ou vermiculita que funciona como veículo do inoculante, otimizando o processo de inoculação para o cultivo intensivo agrícola de todas as plantas cultiváveis. Além destes benefícios, a inoculação com fungos micorrízicos arbusculares permite a total ou parcial substituição do fósforo da adubação com comprovada eficiência agronômica.FIELD OF THE INVENTION [001] The present invention deals with the establishment of a multiplication process of arbuscular mycorrhizal fungus of the species Rhizophagus clarus associated with carrot roots transformed in vitro. This innovative process allows the reduction of time and the increase of propagation multiplication by inducing cell differentiation, as well as the introduction of an inert substrate of expanded clay or vermiculite that works as an inoculant vehicle, optimizing the inoculation process for intensive cultivation of all cultivable plants. In addition to these benefits, inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi allows total or partial replacement of fertilizer phosphorus with proven agronomic efficiency.
[002] Segundo Souza, Stürmer, Carrenho e Trufem (2010), no artigo “Classificação e taxonomia de fungos micorrízicos arbusculares e sua diversidade e ocorrência no Brasil”, os fungos micorrízicos arbusculares (FMA) são organismos biotróficos obrigatórios, que se associam com raízes de plantas vasculares terrestres, epífitas, aquáticas e também com rizóides e de talos de briófias e outros vegetais formando uma relação mutualística denominada micorriza arbuscular (MA).[002] According to Souza, Stürmer, Carrenho and Trufem (2010), in the article “Classification and taxonomy of arbuscular mycorrhizal fungi and their diversity and occurrence in Brazil”, arbuscular mycorrhizal fungi (FMA) are mandatory biotrophic organisms, which are associated with roots of terrestrial, epiphytic, aquatic vascular plants and also with rhizoid and bryophytic stalks and other vegetables forming a mutualistic relationship called arbuscular mycorrhiza (MA).
[003] De acordo com Andrade (2004), no artigo “Role of functional groups of microorganisms on the rhizosphere microcosmo dynamics” e Giri, Giang, Kimari, Prasad, Varma (2005), no artigo “Microorganisms in solis: roles in genesis and functions”, a MA é a mais conhecida interação entre microrganismos e plantas e tem um papel muito importante na produtividade vegetal e na ciclagem dos nutrientes.[003] According to Andrade (2004), in the article “Role of functional groups of microorganisms on the rhizosphere microcosm dynamics” and Giri, Giang, Kimari, Prasad, Varma (2005), in the article “Microorganisms in solis: roles in genesis and functions ”, MA is the best known interaction between microorganisms and plants and has a very important role in plant productivity and nutrient cycling.
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2/6 [004] Esta associação mutualística simbionte ocorre nas raízes das plantas com o fungo colonizando as células corticais formando arbúsculos no interior das células. Segundo Dubel e Merbach (2005), no artigo “Influence of microorganisms on phosphorus biovailability in soils”, o fungo absorve fotossintatos das células radiculares e transfere principalmente fósforo dos solos para a planta através do micélio. Por sua vez, a planta proporciona ao fungo simbionte (heterotrófico) compostos carbonados provenientes da fotossíntese, assim como um habitat protegido, de acordo com Harrison (1999), no artigo “Molecular and cellular aspects of the arbuscular mycorrhizal symbiosis”.2/6 [004] This symbiotic mutualistic association occurs in the roots of plants with the fungus colonizing the cortical cells forming arbuscules within the cells. According to Dubel and Merbach (2005), in the article “Influence of microorganisms on phosphorus biovailability in soils”, the fungus absorbs photosynthesis from the root cells and mainly transfers phosphorus from the soil to the plant through the mycelium. In turn, the plant provides the symbiotic (heterotrophic) fungus with carbonaceous compounds from photosynthesis, as well as a protected habitat, according to Harrison (1999), in the article “Molecular and cellular aspects of the arbuscular mycorrhizal symbiosis”.
[005] De acordo com Sylvia, Fuhrmann, Hartel e Zuberer (1999), no artigo “Principles and applications of soil microbiology”. as MAs geram uma série de benefícios para as plantas hospedeiras, pois melhoram a nutrição, o crescimento e produção de biomassa ou grãos, aumentam a tolerância frente ao estresse hídrico e aos agentes patogênicos e facilitam sua adaptação em solos com baixa disponibilidade de nutrientes. Estes benefícios são a base fundamental que permite às plantas uma melhor adaptação ao meio, maior competitividade e maior produtividade.[005] According to Sylvia, Fuhrmann, Hartel and Zuberer (1999), in the article “Principles and applications of soil microbiology”. AMs generate a series of benefits for host plants, as they improve nutrition, growth and production of biomass or grains, increase tolerance to water stress and pathogens and facilitate their adaptation in soils with low nutrient availability. These benefits are the fundamental basis that allows plants to better adapt to the environment, greater competitiveness and greater productivity.
[006] O benefício das MAs no crescimento vegetal está relacionado com uma maior absorção de nutrientes do solo. Os FMA podem ajudar as plantas a incrementar a captação de nutrientes de forma direta ou indireta. De forma direta, as micorrizas aumentam a absorção de nutrientes e água do solo através do seu micélio externo que explora um maior volume de solo além das raízes. Segundo Barea, Azcón e Aguilar (2005), no artigo “Interactions between mycorrhizal fungi and bactéria to improve plant nutriente cycling and soil structure”, o fungo estende o campo de absorção da raiz além da zona de influência radicular e permite incrementar a sua superfície de captação.[006] The benefit of MAs in plant growth is related to a greater absorption of nutrients from the soil. FMA can help plants increase nutrient uptake directly or indirectly. Directly, mycorrhizae increase the absorption of nutrients and water from the soil through its external mycelium which explores a larger volume of soil beyond the roots. According to Barea, Azcón and Aguilar (2005), in the article “Interactions between mycorrhizal fungi and bacteria to improve plant nutrient cycling and soil structure”, the fungus extends the root absorption field beyond the zone of root influence and allows it to increase its surface catchment.
Petição 870190037847, de 22/04/2019, pág. 7/20Petition 870190037847, of 22/04/2019, p. 7/20
3/6 [007] Além disso, a absorção mais eficiente das raízes micorrizadas é devida também a uma aceleração da solubilização de fosfatos insolúveis no solo, assim como outros elementos de baixa mobilidade. Os benefícios dos fungos micorrízicos na captação de Fósforo (P) são de essencial importância, pois este é um elemento limitante por sua baixa disponibilidade e mobilidade no solo, especialmente em solos ácidos tropicais.3/6 [007] In addition, the more efficient absorption of mycorrhizal roots is also due to an acceleration of the solubilization of insoluble phosphates in the soil, as well as other elements of low mobility. The benefits of mycorrhizal fungi in capturing phosphorus (P) are of essential importance, as this is a limiting element due to its low availability and mobility in the soil, especially in tropical acid soils.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [008] Apesar do grande número de estudos sobre o efeito benéfico dos FMA no desenvolvimento vegetal, seu uso ao nível comercial e sua aplicação na agricultura em grande escala são bastante limitados devido a sua natureza biotrófica obrigatória. No Brasil a produção de inoculantes micorrízicos é limitada a uma pequena escala em universidades e centros de pesquisa aonde normalmente se utiliza a multiplicação de MA em vasos com variados tipos de plantas hospedeiras, dentro das quais as gramíneas são as mais usadas. De acordo com Barreto e Siqueira (2009), no artigo “Aplicação de formonetina na colonização e esporulação de fungos micorrízicos em braquiparia”, estas são plantadas em substratos ou misturas de substratos como solo, areia, vermiculita, turfa, entre outros.BACKGROUND OF THE INVENTION [008] Despite the large number of studies on the beneficial effect of FMA on plant development, their use at the commercial level and their application in large-scale agriculture are quite limited due to their mandatory biotrophic nature. In Brazil, the production of mycorrhizal inoculants is limited to a small scale in universities and research centers, where the multiplication of MA is normally used in pots with different types of host plants, within which grasses are the most used. According to Barreto and Siqueira (2009), in the article “Application of formonetin in the colonization and sporulation of mycorrhizal fungi in brachy plants”, they are planted in substrates or mixtures of substrates such as soil, sand, vermiculite, peat, among others.
[009] Vários métodos foram desenvolvidos para a propagação de fungos micorrizícos em condições axênicas, associados com raízes de cenoura Ri TDNA transformadas como órgãos hospedeiros, possibilitando a obtenção de culturas axênicas com potencial para a produção em grande escala de inoculantes de MA.[009] Several methods have been developed for the propagation of mycorrhizal fungi in axenic conditions, associated with Ri TDNA carrot roots transformed as host organs, making it possible to obtain axenic cultures with potential for the large-scale production of MA inoculants.
[010] A cultura axênica de FMA tem sido bastante melhorada desde os estudos pioneiros feitos no começo da década de 60 por Mosse (1962), no artigo The establishment of vesicular arbuscular mycorrhiza under aseptic conditions”.[010] The axenic culture of FMA has been greatly improved since the pioneering studies done in the early 1960s by Mosse (1962), in the article The establishment of arbuscular vesicular mycorrhiza under aseptic conditions ”.
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4/6 [011] Esse estudo foi seguido por vários outros nas décadas de 70 e 80, como os de Mosse e Hepper (1975), no artigo Vesicular-arbuscular infections in rootorgan cultures”; Strullu e Romand (1986, 1987), nos artigos Méthode d’obtention d’endomycohizes à vésicules et arbuscules em conditions axéniques” e Culture axénique de vésicules isolées partir d’endomycohizes et ré-association in vitro à des racines de tomate”; e Bécard e Fortin (1988), no artigo Early events os vesicular-arbuscular mycorrhiza formation in Ri T-DNA transformed roots”.4/6 [011] This study was followed by several others in the 70s and 80s, such as those by Mosse and Hepper (1975), in the article Vesicular-arbuscular infections in rootorgan cultures ”; Strullu and Romand (1986, 1987), in the articles Méthode d'obtention d'endomycohizes à vésicules et arbuscules in axéniques conditions ”and Culture axénique de vésicules isolées from d'endomycohizes et ré-association in vitro to tomato races”; and Bécard and Fortin (1988), in the article Early events the vesicular-arbuscular mycorrhiza formation in Ri T-DNA transformed roots ”.
[012] Esta metodologia traz várias vantagens sobre os métodos convencionais de cultivo em vaso, permitindo a produção de inóculos puros, estéreis, com alta quantidade de massa fungica (hifas e esporos) e livres de fitopatógenos contaminantes, segundo Adholeya, Tiwari e Singh (2005), no artigo Largescale inoculums production of arbuscular mycorrhizal fungi on root organs and inoculation strategies”.[012] This methodology has several advantages over conventional methods of cultivation in pot, allowing the production of pure, sterile inoculants, with a high amount of fungal mass (hyphae and spores) and free of contaminating phytopathogens, according to Adholeya, Tiwari and Singh ( 2005), in the article Largescale inoculums production of arbuscular mycorrhizal fungi on root organs and inoculation strategies ”.
[013] A partir desta técnica foram desenvolvidos inoculantes a base de fungos micorrízicos arbusculares como nas patentes WO 2007/014974, um inoculante de MA a base de Rhizophagus irregularis e suas respectivas aplicações in vitro e ex vitro e; WO 2013/098829, que descreve o processo de produção biofertilizante a base de micorrizas ne entanto utilizando diferentes concentrações de gel.[013] From this technique, inoculants based on arbuscular mycorrhizal fungi were developed as in the patents WO 2007/014974, an MA inoculant based on Rhizophagus irregularis and its respective in vitro and ex vitro applications; WO 2013/098829, which describes the process of biofertilizer production based on mycorrhizae however using different concentrations of gel.
SUMARIO DA INVENÇÃO [014] Em termos gerais, a principal inovação desta invenção é o estabelecimento de um processo de multiplicação de fungos micorrízicos arbusculares em condições axênicas misturado com um substrato inerte a base de vermiculita ou argila expandida, que permite a redução do tempo, o aumento da produção de propágulos e serve como veículo dos propágulos otimizando o processo de inoculação para o cultivo intensivo agrícola. Isso permite a substituição total ou parcial do fósforo da adubação pela a inoculação com fungos micorrízicos arbusculares com comprovada eficiência agronômica, promovendo o crescimento e produção da planta.SUMMARY OF THE INVENTION [014] In general terms, the main innovation of this invention is the establishment of a multiplication process of arbuscular mycorrhizal fungi in axenic conditions mixed with an inert substrate based on vermiculite or expanded clay, which allows the reduction of time, the increase in the production of propagules and serves as a vehicle for propagules, optimizing the inoculation process for intensive agricultural cultivation. This allows the total or partial replacement of fertilizer phosphorus by inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi with proven agronomic efficiency, promoting plant growth and production.
Petição 870190037847, de 22/04/2019, pág. 9/20Petition 870190037847, of 22/04/2019, p. 9/20
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DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [015] O inóculo objeto desta invenção contém especialmente propágulos do fungo micorrízico arbuscular de Rhizophagus clarus.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [015] The inoculum object of this invention contains especially propagules of the arbuscular mycorrhizal fungus of Rhizophagus clarus.
[016] De acordo com Bécard e Piché (1988), no artigo “Early events of vesicular-arbuscular mycorrhiza formation in Ri T-DNA transformed roots”, a adaptação deste fungo às condições de multiplicação in vitro consiste numa série de etapas propostas na metodologia já existente para o estabelecimento de culturas axênicas de fungos MA, utilizando raízes de cenoura transformadas com o plasmídeo Ri T-DNA.[016] According to Bécard and Piché (1988), in the article “Early events of vesicular-arbuscular mycorrhiza formation in Ri T-DNA transformed roots”, the adaptation of this fungus to the in vitro multiplication conditions consists of a series of steps proposed in existing methodology for the establishment of axenic cultures of MA fungi, using carrot roots transformed with plasmid Ri T-DNA.
[017] O processo de produção do inóculo inclui a adaptação do fungo micorrízico R. clarus em um meio bifásico (uma fase solidificada e uma fase líquida) em recipientes de vidro com tampa hermética com capacidade entre 100 e 500 mL. A fase sólida consiste na combinação dos sais e as vitaminas do meio MRS com a modificação do substrato sólido (vermiculita e/ou argila expandida), sendo que sua concentração pode variar entre 0,8 % - 1,5 %. A fase líquida consiste na combinação dos sais e as vitaminas do meio MRS. Neste meio de crescimento, o fungo alcança um maior desenvolvimento de propágulos (hifas-esporos) em comparação com o método convencional (meio semi-solidificado) em um período de 30 a 90 dias, diminuindo assim o tempo requerido para a obtenção de uma alta quantidade de massa fúngica (Figura 1).[017] The inoculum production process includes the adaptation of the mycorrhizal fungus R. clarus in a biphasic medium (a solidified phase and a liquid phase) in glass containers with airtight lid with a capacity between 100 and 500 mL. The solid phase consists of the combination of salts and vitamins of the MRS medium with the modification of the solid substrate (vermiculite and / or expanded clay), and its concentration can vary between 0.8% - 1.5%. The liquid phase consists of a combination of salts and vitamins from the MRS medium. In this growth medium, the fungus achieves a greater development of propagules (hyphae-spores) compared to the conventional method (semi-solidified medium) in a period of 30 to 90 days, thus reducing the time required to obtain a high amount of fungal mass (Figure 1).
[018] A produção do inoculo pode ser feita também partir da utilização unicamente da fase solidificada de vermiculita e/ou argila expandida.[018] The inoculum can also be produced using only the solidified phase of vermiculite and / or expanded clay.
[019] A aplicação do inóculo em sistemas agrícolas é feita através da inoculação de sementes ou da utilização de substratos inertes com veículos dos propágulos fúngicos e raízes colonizadas.[019] The application of the inoculum in agricultural systems is done through the inoculation of seeds or the use of inert substrates with vehicles of the fungal propagules and colonized roots.
[020] O inoculo para sementes contém um pool de propágulos de Glomus clarum e partículas de vermiculita e/ou argila expandida provenientes do cultivo asséptico, uma matriz de polissacarídeo de origem microbiano e turfa. Cada 100 g a 500 g de pool de propágulos são misturados com uma quantidade que[020] The seed inoculum contains a pool of propagules of Glomus clarum and particles of vermiculite and / or expanded clay from aseptic cultivation, a polysaccharide matrix of microbial and peat origin. Each 100 g to 500 g of propagule pool is mixed with an amount that
Petição 870190037847, de 22/04/2019, pág. 10/20Petition 870190037847, of 22/04/2019, p. 10/20
6/6 varia entre 10 a 500 g de matriz de polissacarídeo e 2 a 15 g de turfa dependendo da espécie da planta e tamanho da semente que será inoculada.6/6 varies between 10 to 500 g of polysaccharide matrix and 2 to 15 g of peat depending on the species of the plant and the size of the seed to be inoculated.
[021] A porção de turfa pode incluir um inoculo de bactérias fixadoras de nitrogênio simbióticas para o caso de leguminosas ou de vida livre para plantas não leguminosas.[021] The peat portion may include an inoculum of symbiotic nitrogen-fixing bacteria for legumes or free-living for non-legumes.
[022] O meio de cultura contendo um substrato inerte de argila expandida ou vermiculita que funciona como veículo dos propágulos consiste numa mistura deste substrato previamente esterilizado com o meio de cultura solidificado no qual o fungo se desenvolve.[022] The culture medium containing an inert expanded clay or vermiculite substrate that works as a propagule carrier consists of a mixture of this previously sterilized substrate with the solidified culture medium in which the fungus grows.
[023] Dita mistura tem uma proporção de substrato que pode variar entre 2% 50%. Nestas condições as estruturas fúngicas se desenvolvem dentro dos grânulos de argila expandida facilitando sua posterior recuperação, preparação do inóculo e aplicação em campo (Figura 2).[023] This mixture has a proportion of substrate that can vary between 2% and 50%. Under these conditions, fungal structures develop within the expanded clay granules facilitating their subsequent recovery, inoculum preparation and application in the field (Figure 2).
[024] O inóculo apresenta uma alta aplicabilidade em sistemas agrícolas extensivos de todas as plantas cultiváveis. Como exemplo do seu desempenho em condições de campo pode se observar um aumento na porcentagem da colonização micorrízica em plantas de soja (Glicine max L.) provenientes de sementes inoculadas com R. clarus. A inoculação destas sementes promoveu um incremento entre 20-30% na produção de grãos inclusive chegando a ser mais eficiente do que o manejo com adubação. Isto indica seu alto potencial para a substituição de adubos fosfatados (Figura 3).[024] The inoculum has a high applicability in extensive agricultural systems of all cultivable plants. As an example of its performance in field conditions, an increase in the percentage of mycorrhizal colonization in soybean plants (Glicine max L.) from seeds inoculated with R. clarus can be observed. The inoculation of these seeds promoted an increase between 20-30% in grain production, even being more efficient than handling with fertilization. This indicates its high potential for replacing phosphate fertilizers (Figure 3).
LEGENDA DAS FIGURASFIGURE LEGEND
Figura 1.Produção de propágulos da cultura do fungo micorrízico Glomus clarumFigure 1. Production of propagules from the culture of the mycorrhizal fungus Glomus clarum
Figura 2. Desenvolvimento do fungo micorrízico Glomus clarumnos grânulos de argila expandida.Figure 2. Development of the mycorrhizal fungus Glomus clarumnos granules of expanded clay.
Figura 3. Eficiência de colonização do inoculo de Glomus clarum em condições de campo e seu efeito no aumento da produção de grãosFigure 3. Efficiency of colonization of the inoculum of Glomus clarum under field conditions and its effect on increasing grain production
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