Crecimiento de Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus subtilis endófitas
de Zea mays var mexicana (teocintle) a dosis restringida de fertilizante nitrogenado
Growth of Triticum aestivum with Azotobacter vinelandii and Bacillus subtilis endophytic
of Zea mays var mexicana (teosinte) at a restricted dose nitrogen fertilizer
Barajas-Vargas Agustín Yunuen1 , Ignacio-De la Cruz Juan Luis1 , Márquez-Benavides Liliana1
Hernández-Mendoza José Luis2 , Sánchez-Yáñez Juan Manuel1*
,
Resumen
Datos del Artículo
1
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
Laboratorio de Microbiología Ambiental.
Instituto de Investigaciones Químico Biológicas.
Av. Francisco J Mujica S/N.
Col Felicitas del Rio, CP 58.000 Morelia.
Michoacán, México.
El crecimiento saludable de Triticum aestivum (trigo) requiere de fertilizante nitrogenado (FN), que puede ser
optimizado a pesar de restringir la concentración recomendada de acuerdo con la variedad de T. aestivum y tipo
de suelo. Una posible estrategia es inocular la semilla de T. aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus subtilis,
géneros y especies de bacterias endófitas promotoras del crecimiento vegetal (BEPCV) aisladas de Zea mays var
mexicana (teocintle). El objetivo de esta investigación fue analizar el crecimiento de T. aestivum con A. vinelandii
y B. subtilis de teocintle con el FN al 50 %. El experimento se realizó en condiciones de invernadero en semillas
de T. aestivum tratadas con A. vinelandii plus B. subtilis y el FN al 50 %, bajo un diseño experimental de bloques
al azar, con las variables-respuestas: porcentaje de germinación, la biomasa a plántula y floración, los datos experimentales se analizaron por ANOVA/Tukey HSD P<0.05 %. Los resultados mostraron una rápida y mayor germinación de T. aestivum con A. vinelandii y B. subtilis con el FN al 50 %, mientras que a plántula y floración
medido por la biomasa, mostro un crecimiento de T. aestivum a A. vinelandii y B. subtilis registró 1.64 g de peso
seco aéreo (PSA) y 0.39 g de peso seco radical (PSR), valores numéricos estadísticamente diferentes comparados
con los 0.61 g de PSA y los 0.22 g de PSR de T. aestivum sin A. vinelandii y B. subtilis con el FN al 100 % o
control relativo (CR). Esto apoya, el potencial de A. vinelandii y B. subtilis endófitos de teocintle para la eficaz
optimización del FN al 50 %, sin riesgo de afectar el sano crecimiento de T. aestivum.
2
Centro de Biotecnología Genómica.
Unidad Académica Multidisciplinaria Reynosa Aztlán.
Calle 16 y Lago de chápala.
Col. Aztlán Cd. Reynosa.
Tamaulipas CP.88740, México.
*Dirección de contacto:
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
Microbiología Ambiental.
Instituto de Investigaciones Químico Biológicas.
Av. Francisco J Mujica S/N.
Col Felicitas del Rio, CP 58.000 Morelia.
Michoacán, México.
Tel: +0052, 443322 Ext 4240.
Juan Manuel Sánchez-Yáñez
E-mail address :syanez@umich.mx
Palabras clave:
Triticum aestivum,
suelo,
gramínea ancestral,
bacterias endófitas,
absorción nitrogenada,
fitohormonas,
productividad.
2021. Journal of the Selva Andina Research Society®. Bolivia. Todos los derechos reservados.
Abstract
In
J. Selva Andina Res. Soc.
2021; 12(2):87-95.
ID del artículo: 149/JSARS/2021
Historial del artículo.
Recibido marzo 2021.
Devuelto junio 2021.
Aceptado julio 2021.
Disponible en línea, agosto 2021.
Editado por:
Selva Andina
Research Society
Keywords:
Triticum aestivum,
Soil,
ancestral grass,
endophytic bacteria,
nitrogen uptake,
phytohormones,
productivity.
The health growth of Triticum aestivum (wheat) requires the application of nitrogen fertilizer (NF). One way to
optimize the dose of NF in T. aestivum is to inoculate its seed with Azotobacter vinelandii and Bacillus subtilis,
genus and species of endophytic plant growth promoting bacteria (EPGPB) isolated from Zea mays var mexicana
(teocintle). The objective of this research was to analyze the growth of T. aestivum with A. vinelandii and B. subtilis
endophytes from teocintle at of NF at 50%. The experiment was conducted under greenhouse conditions with T.
aestivum seeds were inoculated with A. vinelandii and B. subtilis and 50 % of NF, under a randomized block
experimental design, by the response variables: germination percentage, seedling biomass and flowering; experimental data were analyzed by ANOVA/Tukey HSD P<0.05 %. The results showed a positive responded of T.
aestivum with A. vinelandii and B. subtilis and NF at 50 % on the percent of seed germination and time of emerging
while the growth in terms of biomass at seedling and flowering stages, T. aestivum with A. vinelandii y B. subtilis
registered 1.64 g aerial dry weight (ADW) and 0.39 g root dry weight (RDW), numerical values were statistically
different compared to 0.61 g ADW and 0.22 g RDW of T. aestivum without A. vinelandii y B. subtilis with NF at
100 % or relative control (RC). This supports the potential of A. vinelandii and B. subtilis endophytes from teocintle
were effective for NF optimization at 50%, without risk of affecting the healthy growth of T. aestivum.
2021. Journal of the Selva Andina Research Society®. Bolivia. All rights reserved.
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Barajas-Vargas et al.
J. Selva Andina Res. Soc.
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Introducción
Actualmente el sano crecimiento de Triticum aestivum, es importante por el consumo en México y el
mundo1,2, para lo cual se utilizan elevadas dosis de
fertilizante nitrogenado (FN) comúnmente en forma
de NH4NO3 (nitrato de amonio), el que en el suelo
provoca una rápida mineralización de la materia orgánica (MO), con subsecuentemente disminución de
las principales propiedades asociadas a la productividad agricola3. Una alternativa de solución para racionalizar y optimizar el FN en T. aestivum, es inocular
las semillas con géneros y especies de bacterias endófitas promotoras de crecimiento vegetal (BEPCV)
que aceleran la germinación4,5, colonizan el interior
de las raíces e inducen la formación de un sistema
radical denso que optimiza el FN, mediante una rápida y eficaz absorción, que permite el crecimiento
saludable, a través de la conversión de los compuestos orgánicos de T. aestivum (generados por la semilla al germinar) por Azotobacter vinelandii y Bacillus
subtilis, en sustancias promotoras de crecimiento vegetal (SPCV) o fitohormonas las responsables que en
las raíces aumenten la capacidad de absorción del FN
y optimizarlo, cuando la dosis se restringe en relación
a la dosis recomendada6,7.
En la literatura se reportan un amplio grupo de géneros y especies de bacterias promotoras de crecimiento vegetal (BPCV) que colonizan en rizoplanorizosfera de las gramíneas domesticas como T. aestivum8,9, relacionadas con A. vinelandii y B. subtilis del
tipo: Azospirillum lipoferum, A. brasilense10, Klebsiella sp.8, Paenibacillus11, Clostridium12, así como
Pseudomonas13, que en semillas de T. aestivum pueden ser benéficas mediante diferentes estrategias: i)
la fijación biológica del nitrógeno atmosférico (N2)
en suelo pobre en N orgánico o mineral14,15, ii) por la
síntesis de fitohormonas a partir de compuestos orgánicos como azucares sencillos, ácidos orgánicos,
aminoácidos del metabolismo vegetal de la semilla y
de las raíces por estos géneros y especies bacterianas
inducen una raíz densa16 con mayor capacidad de absorción del FN al 50 %, iii) mediante la síntesis de
fosfatasas para la solubilización de PO₄ ³⁻ (fosfatos)
ambos nutrientes N como PO₄ ³⁻ son limitantes del
sano crecimiento de T. aestivum. Mientras que otro
problema común es, que tales géneros de BPCV son
específicas y benéficas solo para ciertas variedades
de T. aestivum, lo que se podría solucionar con la selección y aplicación de géneros y especies con un
amplio patrón de interacción vegetal con gramíneas
domesticas tal el caso de: A. vinelandii y/o B. subtilis
que aisladas del interior de Zea mays var. mexicana
o teocintle (uno de los principales ancestros de Zea
mays doméstico), es capaz de crecer en suelo pobre
en MO, en minerales esenciales para las plantas
como el nitrógeno (N), el P (fósforo) y K (potasio).
No obstante, teocintle crece sanamente a pesar del estrés nutricional y/o por sequía, además el teocintle es
tolerantes a agentes fitopatógenos aéreos como radicales17,18. En general en el ambiente como el suelo,
las condiciones físicas, químicas y biológicas son las
que permiten al teocintle para establecer asociaciones
con microorganismos endófitos, por lo que en ese
sentido, A. vinelandii y B. subtilis recuperadas del interior del teocintle, tienen potencial en invadir las raíces de T. aestivum en optimizar al máximo el FN reducido hasta un 50 %, en comparación con los géneros y especies de BPCV aislados y probados en gramíneas domésticas como a T. aestivum, con base en
lo anterior se supone que A. vinelandii y B. subtilis
podrían transformar los compuestos orgánicos de la
semilla y raíz de T. aestivum para crecimiento saludable, a pesar de restringir la dosis del FN recomendado19. El objetivo de esta investigación fue analizar
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Crecimiento de Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus subtilis
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el crecimiento de T. aestivum inoculado con A. vinelandii y B. subtilis con el FN al 50 %.
Materiales y métodos
Esta investigación se realizó en el Laboratorio de Microbiología Ambiental del Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, las condiciones micro climáticas promedio fueron: temperatura de 23.2
°C, luminosidad de 450 μmol・m-2s-1, humedad relativa de 67 %.
Origen de los géneros y especies endófitas de bacterias promotoras de crecimiento vegetal. A. vinelandii
y B. subtilis se aislaron del interior de raíces de Zea
mays var. mexicana (teocintle), colectada de suelo
franco-arcillosos pobre en MO, en minerales de N, en
PO43- solubles, con pH 6.8, de los municipios Santa
Ana Maya y Álvaro Obregón ubicados en el noreste
del estado de Michoacán en el 35 km al noreste de
Morelia, Mich, México.
Figura 1 Diagrama de jarra de Leonard20
Inoculación de T. aestivum con A. vinelandii y B.
subtilis endófitas de teocintle con el fertilizante nitrogenado al 50 %, en invernadero. La semilla de T.
aestivum var. Pavón fueron donadas por la secretaria
de Agricultura del gobierno de México, las que se desinfectaron primero con NaClO al 0.2 %/5 min, se
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lavaron 6 veces con agua potable estéril, después con
alcohol al 70 % (v/v) /5 min, se lavaron 6 veces con
agua potable estéril, posteriormente A. vinelandii se
reprodujo en caldo Burk, (g/L): glucosa 5.0 g,
KH2PO4 0.16 g, K2PO4 0.64 g, NaCl 0.2 g, MgSO4.
7H2O 0.2 g, CaSO4. 2H2O 0.05 g, NaMoO4. 2H2O
0.01 g, FeSO4 0.003 g, agua destilada 1000 mL, pH
6.8, mientras que B. subtilis en caldo nutritivo (g/L):
extracto de carne 8.0 g, peptona 5.0 g, pH 7.0, agua
destilada 1000 mL, ambos géneros bacterianos se incubaron por 28 °C/35 h entonces, 5 g de semillas de
T. aestivum se inocularon con 1x106 UFC/mL/semilla: calculado por cuenta viable en placa en agar nutritivo y/o agar Burk), ya sea individual o en mezcla
en cuyo caso se realizó con base a la relación 1:1
1x106 UFC/mL/semilla con la misma densidad de A.
vinelandii y B. subtilis, luego las semillas se sembraron en 1.0 kg de suelo en la parte superior del sistema
hidropónico de Jarras de Leonard (Figura 1)20, mientras que en la inferior se colocó la solución mineral
con la siguiente composición química (g/L):
NH4NO3 12.0, KH2PO4 3.0, K2HPO4 3.5, MgSO4 1.5,
CaCl2 0.1, FeSO4 0.5 mL/L, y 1.0 ml/L de la solución
de oligoelementos: (g/L), H3BO3 2.86, ZnSO4*7H2O
0.22, MnCl2*7H2O 1.81, K2MnO4 0.09, el pH se
ajustó a 7.0, en agua destilada, mientras que el
NH4NO3 se redujo al 50 % equivalente a 6 g/L21.
El ensayo se realizó de acuerdo con la Tabla 1, donde
se muestra el diseño experimental de bloques al azar
con 3 tratamientos, 2 controles y 6 repeticiones: T.
aestivum irrigado con agua o control absoluto (CA),
el crecimiento de T. aestivum con alimentado con la
dosis de FN al 100 % o control relativo (CR), crecimiento de T. aestivum con A. vinelandii y/o B. subtilis con el FN al 50 %. Para analizar el crecimiento T.
aestivum con A. vinelandii y/o B. subtilis a nivel de
plántula y floración con el FN al 50 %, mediante las
variables respuestas: porciento de germinación y biomasa: peso fresco aéreo y radical (PFA/PFR), peso
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J. Selva Andina Res. Soc.
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seco aéreo y radical (PSA/PSR) a plántula y floración22.
Tabla 1 Diseño experimental para analizar el crecimiento de Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus
subtilis con el fertilizante nitrogenado al 50 %
Triticum aestivum*
Control absoluto (CA)
Control relativo (CR)
Tratamiento 1
Tratamiento 2
Tratamiento 3
Agua
+
-
Solución mineral
(NH4NO3)
100 %**
50 %
50 %
50 %
Azotobacter
vinelandii
+
+
Bacillus subtilis
+
+
*Número de repeticiones (n) = 6, (+) = se agregó, (-)= no se agregó, **CR o 100 %=12 g/L, 50%=6 g/L.
Para demostrar que A. vinelandii y/o B. subtilis fueron responsable del efecto positivo en T. aestivum
ambos se recuperaron en agar Burk y AN, a partir de
la desinfección de externa de las raíces de T. aestivum, a floración se usó el perfil de sensibilidad de
antibióticos de cada una20. Los datos experimentales
se validaron con ANOVA/Tukey HSD P<0.05 % con
el programa estadístico Statgraphics Centurion23.
Resultados
Tabla 2 Porcentaje de germinación de semillas de
Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y
Bacillus subtilis endófitas de teocintle con el
fertilizante nitrogenado* al 50%
Triticum aestivum*
Irrigado con agua (CA)
Alimentado con el FN al 100 % (CR)
A. vinelandii y el FN al 50 %
Bacillus subtilis y el FN al 50 %
A. vinelandii y B. subtilis con el FN al 50 %
% de germinación
87.5d**
79.1d
95.8b
91.6c
100a
En la Tabla 2, se muestra la respuesta positiva de las
semillas de T. aestivum con A. vinelandii y B. subtilis
con el FN al 50 %, donde se registró el 100 % de germinación, valor numérico con diferencia estadística
comparado con el 95.8 % de T. aestivum con A. vinelandii y el FN al 50 %, así como con el 79.1 % de T.
aestivum sin A. vinelandii y B. subtilis alimentado
con el FN al 100 % o CR.
En la Tabla 3, se muestra a plánula el crecimiento de
T. aestivum con A. vinelandii y B. subtilis con el FN
al 50 %, donde se registró 0.27 g de PFA y 0.13 g de
PFR, ambos valores numéricos tuvieron diferencia
estadística comparado con los 0.14 g de PFA y los
0.08 g de PFA de T. aestivum con B. subtilis y el FN
al 50 %, en comparación con los 0.24 g de PFA y los
0.11 g de PFA de T. aestivum sin A. vinelandii y/o B.
subtilis alimentado con el FN al 100 % o CR. En
tanto que, en el peso seco, el crecimiento de T. aestivum con A. vinelandii plus B. subtilis y el FN 50 %,
registró 0.17 g de PSA un valor numérico estadísticamente diferente a los 0.15 g de PSR de T. aestivum
usado como CR.
En la Tabla 4 se muestra a nivel de floración la respuesta positiva de T. aestivum a A. vinelandii plus B.
subtilis con el FN 50 %, ahí hubo un registró de 6.58
g de PFA y 0.65 g de PFR, ambos valores numéricos
estadísticamente diferentes en comparación con los
0.97 g de PFA y los 0.57 g de PFA del crecimiento
de T. aestivum con B. subtilis y el FN al 50 %, así
como con los 1.80 g de PFA y los 0.32 g de PFA del
crecimiento de T. aestivum sin A. vinelandii y/o B.
subtilis alimentado con el FN al 100 % o CR, en cuyo
caso el crecimiento de T. aestivum indica que la absorción del FN al 100% por las raíces, fue inferior a
lo registrado en los valores de la biomasa de T. aestivum tratado con A. vinelandii y/o B. subtilis con el
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Crecimiento de Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus subtilis
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FN al 50% que registró 1.64 g de PSA y 0.39 g de
PSR, ambos valores numéricos tuvieron diferencia
estadística comparado con los 0.61 g de PSA y los
0.22 g de PSR de T. aestivum sin A. vinelandii y B.
subtilis y el FN al 100% usado como CR.
Tabla 3 Crecimiento de Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus subtilis endófitos de teocintle y
el fertilizante nitrogenado* al 50% a plántula
Triticum aestivum*
Irrigado solo agua o control absoluto
Alimentado con FN al 100 % o control relativo
A. vinelandii y el FN al 50 %
Bacillus subtilis y el FN al 50 %
A. vinelandii y B. subtilis y FN al 50 %
Peso fresco (g)
Aéreo
Radical
Peso seco (g)
Aéreo
Radical
0.19c**
0.24b
0.04e
0.14d
0.27a
0.02b
0.03a
0.01d
0.01c
0.03a
0.12b
0.11c
0.07e
0.08d
0.13a
0.15b
0.15b
0.09d
0.10c
0.17a
*n=6. **Letras diferentes indica diferencias significativas según ANOVA/Tukey con significancia (0.05). * NH 4NO3.
Tabla 4 Crecimiento de Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus subtilis endófitas de teocintle con el
fertilizante nitrogenado al 50% a nivel de floración
Triticum aestivum*
Irrigado con agua (CA)
Alimentado con el FN al 100 % (CR)
A. vinelandii y el FN al 50 %
Bacillus subtilis y el FN al 50 %
A. vinelandii y B. subtilis con el FN al 50 %
Peso fresco (g)
Aéreo
Radical
Peso seco (g)
Aéreo
Radical
4.54d**
1.80e
5.15c
0.97b
6.58a
1.28d
0.61e
1.37c
1.53b
1.64a
0.48d
0.32c
0.52c
0.57b
0.65a
0.28d
0.22e
0.30c
0.33b
0.39a
*n=6. **Letras diferentes indica diferencias significativas según ANOVA/Tukey con significancia (0.05).
Discusión
En la Tabla 2, el efecto positivo de A. vinelandii y/o
B. subtilis endófitas de teocinte en la germinación de
las semillas de T. aestivum con el FN al 50 %, indica
que las semillas al embeber agua, indujeron la máxima actividad de la α-amilasa para la rápida hidrolisis del almidón24,25, en consecuencia se liberaron algunos azucares sencillos, ácidos orgánicos, aminoácidos, etc., productos de la degradación del endospermo de la semilla que tanto A. vinelandii y/o B.
subtilis, transformaron en fitohormonas del tipo: giberelinas que aceleraron la emergencia de un mayor
cantidad de semillas de T. aestivum20,26,27, con valores en el porciento de germinación que fueron estadísticamente diferentes a los registrados en el por-
91
ciento de germinación de T. aestivum sin A. vinelandii y/o B. subtilis con el FN al 100 % usado como
CR.
Los datos expuestos en la Tabla 3, señalan que a nivel
de plántula se observó un crecimiento sano de T. aestivum con A. vinelandii y B. subtilis endófitos de teocintle con el FN al 50 %, lo que indica que después
de la germinación, A. vinelandii y B. subtilis invadieron el primordio de raíz, para una máxima absorción
del FN a pesar de reducirlo al 50 % al evitar la competencia externa con otros géneros y especies de
BPCV autóctonas del suelo donde se sembró el T.
aestivum. Mientras que los valores numéricos en función de la biomasa del crecimiento de T. aestivum
cuando se inoculo con A. vinelandii y B. subtilis apoyan que ambos endófitos colonizaron el interior del
sistema radical del T. aestivum, sitio donde A. vine-
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landii y B. subtilis transforman de algunos compuestos de carbono de la fotosíntesis en fitohormonas del
tipo auxinas28,29, que inducen el crecimiento abundante del tejido radical, con aumento de la capacidad
del área de exploración de esas raíces, lo que facilito
la máxima absorción del FN y la optimización de la
dosis reducida al 50 % sin riesgo de comprometer el
sano crecimiento de T. aestivum30-32.
En la Tabla 4, a nivel de floración los datos numéricos registrados de la biomasa: peso fresco y seco de
la parte área y radical del crecimiento e de T. aestivum con A. vinelandii y/o B. subtilis indican que A.
vinelandii como B. subtilis endófitas de teocintle, primero tuvieron la capacidad de invadir el primordio
de raíz para llegar al xilema, en donde se sugiere que
mediante la conversión de algunos compuestos orgánicos derivados de la fotosíntesis en fitohormonas:
auxinas y citocininas, se observó un sistema radical
denso y abundante que favoreció la optimización del
FN al 50 %28,33. En la literatura se reporta que los géneros y especies de bacterias endófitas como A. vinelandii y/o B. subtilis al invadir el interior del tejido
radical, evitaron la competencia7 externa con los microorganismos del suelo, que tienen capacidad de colonizar del rizoplano y/o la rizosfera, pero que no necesariamente son benéficos para el sano crecimiento
de T. aestivum en especial cuando se restringe la dosis del FN34,35. Con base a lo anterior se concluye que
A. vinelandii y B. subtilis endófitas del teocintle tuvieron potencial de colonizar el interior de las raíces
de T. aestivum, puesto que individualmente o en mezcla A. vinelandii como B. subtilis de acuerdo con las
datos de la fenología y biomasa mostraron que tienen
la capacidad de convertir fitohormonas que aumentaron la absorción radical para la optimización del FN
al 50 % sin comprometer el saludable crecimiento de
T. aestivum. Mientras que A. vinelandii y/o B. subtilis
se recuperaron en agar Burk y AN del interior de las
raíces de T. aestivum, a floración, pero no ninguna se
detectó en las raíces de T. aestivum usado como CR.
Con lo cual se aporta información de otra opción para
la producción sustentable de T. aestivum.
Fuente de financiamiento
Proyecto 2.7 (2021) de la CIC-UMSNH, Morelia,
Mich, México. BIONUTRA, S. A. de CV, Maravatío, Michoacán, México.
Conflictos de intereses
Los participantes en esta investigación aseguramos
que no existe ningún problema de intereses relacionados con la planeación, ejecución y reporte de esta
investigación que comprometa el valor de los resultados obtenidos o sus consecuencias en términos
científicos, técnicos, o de cualquier otro tipo.
Agradecimientos
A la Coordinación de la Investigación Científica
(CIC) de la UMSNH, Morelia, Michoacán, México.
Consideraciones éticas
La aprobación de la investigación por el Comité de
Ética, de la Universidad Michoacana de San Nicolás
de Hidalgo - México, siguió las pautas establecidas
para este comité.
Aporte de los autores en el artículo
Agustín Yunuen Barajas-Vargas, ejecución de la fase
experimental, colecta de datos estadísticos. Juan Luis
Ignacio-De la Cruz, revisión de literatura para material, métodos y resultados. Liliana Márquez-Benavides, revisión de resultados y análisis estadísticos.
José Luis Hernández-Mendoza, revisión de literatura
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Vol. 12 No 2 2021
Crecimiento de Triticum aestivum con Azotobacter vinelandii y Bacillus subtilis
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para resultados y discusión. Juan Manuel SánchezYáñez, dirección y planeación de experimentos de
este trabajo, análisis estadísticos de resultados y discusión, administrador de los recursos para desarrollo
de la investigación, revisión final del articulo generado.
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Nota del Editor:
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