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Zootecnia Tropical, 10(1):91-107.  1992

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

LOS HONGOS ANAERÓBICOS DEL RUMEN

Néstor Obispo

CENIAP - Instituto de Investigaciones Zootécnicas. 
Vía El Limón, Maracay. 
Recibido: 22-07-1991


 INTRODUCCIÓN 

Los rumiantes son una importante fuente de alimentos y otros productos para los seres humanos. Estos animales se han adaptado de tal manera que pueden satisfacer sus necesidades energéticas a través de la utilización de los forrajes, los cuales son relativamente abundantes en la superficie terrestre. Este aspecto los coloca entre los animales de más alto interés zootécnico. Pero, aunque los forrajes contienen considerables cantidades de energía entre sus componentes estructurales (celulosa, hemicelulosa y pectina), esta no es fácilmente disponible para el uso animal, debido a que éste no posee el requerido componente enzimático para la degradación de esas moléculas poliméricas. Gracias a la presencia en el rumen de un grupo de microorganismos especializados estos compuestos son degradados a moléculas más simples disponibles para el animal.  

En el ecosistema ruminal existe una población microbiana que comprende entre otros, bacterias anaeróbicas y protozoarios (28), junto con los hongos anaeróbicos recientemente descubiertos (45). Estos microorganismos se encuentran irregularmente distribuidos en la fracción líquida o adheridos al material sólido y paredes del rumen. Las bacterias y protozoarios han sido estudiados en considerable detalle, siendo su contribución al contexto de la fermentación ruminal más o menos conocido; sin embargo, la noción que se tiene sobre los hongos anaeróbicos es limitada y su participación en los procesos ruminales no está todavía bien aclarado. 

Los resultados de muchas investigaciones in Vitro señalan que los hongos anaeróbicos del rumen son digestores de fibra (11, 21, 27, 34, 54, 55, 62). Sin embargo, aunque estos estudios indican que los hongos poseen el componente enzimático para degradar los polisacáridos de la pared celular, muy poco es conocido sobre la extensión de su actividad en la fermentación ruminal. Por un lado, se han hecho grandes avances en el conocimiento de los mecanismos y factores que controlan su ciclo de vida, y por otro, se han mejorado los métodos para hacer las estimaciones de sus poblaciones a los diferentes estados de su ciclo de vida. 

LOS HONGOS ANAERÓBICOS 

Un grupo de microorganismos móviles y pequeños, inicialmente observados en el licor ruminal por Liebetanz (33) y Braune (1 5), fueron tentativamente identificados como protozoarios flagelados. Posteriormente, Warner (69) observó que esos flagelados, aunque presentes en bajo número, mostraban drásticas fluctuaciones después que el huésped era alimentado; esas variaciones hicieron pensar que se "secuestraban" en las paredes del rumen. Investigaciones in Vitro duplicaron esas variaciones, lo que contradijo la hipótesis de secuestro (44). Orpin conjeturó que esas variaciones podían ser ocasionadas o bien, porque los flagelados eran secuestrados entre las partículas de alimento o porque su ciclo de vida comprendía una fase reproductiva múltiple, la cual estaba asociada con la fracción sólida del contenido ruminal. 

Exitosamente, Orpin (45) aisló uno de esos flagelados, al que identificó como Neocaltimastix frontalís. En esta investigación se revela que el ciclo de vida de estos microorganismos consiste de dos fases alternativas: una fase móvil de flagelado (zoosporos) y una fase no móvil vegetativa, reproductiva (esporangio). Dentro de estas bases, Orpin sugirió que este organismo podía ser un hongo. Señaló, además, que la posesión de rizoides por el cuerpo reproductivo era una característica de los hongos más que de los protozoarios. Igualmente, observó que los llamados protozoos flagela dos o formas móviles eran liberados de esos cuerpos reproductivos. Se establecieron las condiciones óptimas para la germinación y reproducción de estos rnicroorganismos, encontrándose que ellos requieren de una temperatura de 39°C, pH 6.5, ausencia de oxígeno y presencia de CO2 (45,46,48,67). Esos hallazgos confirmaron a estos organismos como verdaderos entes ruminales, ya que ellos podían crecer bajo las condiciones ambientales encontradas en el rumen (28). Posteriormente fueron identificados otros flagelados, Sphaeromonas communis (46), Piromonas communis (48) y Neocallimastix patricíarum (57), los cuales mostraron características diferentes a las presentadas por el N. frontalis

Finalmente, el descubrimiento de quitina en las paredes celulares de estos microorganismos (49) confirmó que estos eran verdaderos hongos, ya que entre los microorganismos no fotosintéticos la ocurrencia de quitina o de celulosa es una característica particular a los hongos (64). 

FILOGENIA, GENERO Y ESPECIE

La clasificación de los hongos del rumen es un tanto incierta hasta el presente. En la clasificación de estos hongos se ha prestado poca atención a la estructura vegetativa (61). La ultra estructura de los zoosporos polifiagelados ha sido usada como la base para la clasificación como Chitridiomicetos (8, 25). El género Neocallimastix ha sido asignado a una nueva familia (Neocalimasticaceae) dentro de los Spizellomycetales, Sin embargo, el análisis de sus características mitóticas no confirma este punto substancialmente (26). Munn et al (42) examinaron, por microscopía electrónica, las características ultraestructurales de Píromonas y Sphaeromonas, comparándola con las observaciones nuevas o las ya reportadas para el N. frontalis. Lo que permitió a Heath et al (25) considerar que esos géneros contienen las características descritas para los Chitridiomicetos (7). Sin embargo, el orden propuesto fue cuestionado por muchas razones, entre otras, siendo los chitridos del rumen anaerobios obligados, la mitocondria no está estrechamente asociada con el microcuerpo (7); por lo tanto, ha sido propuesta una nueva clasificación que pueda contener características afines para los Spizellomycetales y Chytridiales (20, 41). 

Las investigaciones de Munn et al (42) revelaron que existen varias características distintivas en común entre los géneros Neocaltimastix, Píromonas y Sphaeromonas, las cuales podrían ser usadas colectivamente para definir un nuevo grupo. Algunas de estas características más resaltantes se destacan por la presencia de hidrogeno somos en todos los estados del ciclo de vida, de unos cristales característicos cubiertos con partículas dispuestas en forma hexagonal en los rizoides y esporangios de distintas capas de superficie, tanto en los organelos para la motilidad como en el cuerpo celular de los zoosporos, la organización de los ribosomas en una disposición espiral y globular y las estructuras asociadas con los cinetosomos. Estas características claramente diferencian esos anaerobios obligados de los chitridiomicetos anaeróbicos facultativos y aeróbicos. 

Hasta el presente han sido descritos otros tipos morfológicos, tales como Neocaltimastix sp. Rl (70), NF1 (42), Neocallímastix joyonii (1 6), NeocaltimastixEB188 (5). Sin embargo, sólo el género Neocaltimastix ha sido formalmente descrito (25). Este género conteniendo originalmente sólo una especie, el N. frontalis fue enmendado para incluir N patriciarum, Píromonas (46) y Sphaeromonas (48). Los zoosporos fueron nombrados originalmente por Liebetanz (33) y luego descritos por Braune (1 5). En términos de las diferencias entre géneros, los zoosporos del Neocaltimastíx son polifiagelados (45, 57), mientras que los de Piromonas y Sphaeromonas son monofiagelados (61). Como se ha mencionado, tanto las diferencias y similitudes ultraestructurales y morfológicas de los zoosporos entre los géneros han constituido las bases de la actual taxonomía. Sin embargo, se requieren más estudios de sistemática para la categorización de estos microorganismos. 

DISTRIBUCIÓN

La distribución de estos hongos estrictamente anaeróbicos parece estar limitada al tracto digestivo de los herbívoros. Estando altamente relacionados con las dietas fibrosas, teniendo de esta manera una distribución geográfica muy amplia (12, 61). Desde que Orpin (45) demostrara que los hongos anaeróbicos están presentes en el rumen, otros ambientes similares han sido investigados. Así, han sido aislados del ciego y colon del caballo y del contenido fecal de caballos y elefantes (12). Milne et al (38) aislaron hongos anaeróbicos de las heces de varios herbívoros, entre otros, camellos, antílopes, llamas, vicuñas, gaures, cebras. Igualmente, Bauchop (10) encontró hongos anaeróbicos en contenido ruminal obtenido de impalas y otros cérvidos, así como del contenido esto maca de marsupiales. En general, el hallazgo de los hongos anaeróbicos en estos ambientes y su amplia distribución en diferentes especies de herbívoros salvajes sugiere una paralela evolución con la digestión microbiana y demuestra que estos hongos están bien adaptados al medio ambiente intestinal (12).

CICLO DE VIDA 

Orpin (45, 46, 48, 50) observó que algunos componentes de la dieta (inductores) parecían ser responsables por la iniciación de la diferenciación dentro de los esporangios y posterior liberación de los zoosporos. La zoosporogénesis fue inducida in vitro cuando los esporangios de N. frontalis fueron expuestos a un compuesto extraído con solventes de la cebada (50). Posteriormente se demostró, que compuestos del grupo hem y afines, los cuales están presentes en casi todos los tejidos vegetales, eran capaces de estimular el crecimiento y la zoosporogénesis del N. frontalis (35, 58, 59, 60). 

Por lo tanto, el material vegetal que entra al rumen no sólo proporciona los inductores para estimular la zoosporogénesis, sino que también es usado como substrato para el crecimiento vegetativo (47). Cuando los flagelados son liberados, ellos invaden, se adhieren y germinan en el material vegetal, tanto en el rumen como in vitro (9, 10, 47). Los flagelados de N. frontalis muestran particular preferencia por ciertos tejidos de la planta como la inflorescencia, donde invaden el estoma, tejido vascular tejidos del tallo y hojas, y zonas que han sufrido daño (9, 10, 12, 14, 47). Esta selectiva invasión y colonización de la planta ha sido explicada en atención a una respuesta quimiostática por los carbohidratos solubles que son encontrados en los diferentes tejidos vegetales (51). 

Lowe et al (36) observaron que los zoosporos antes de adherirse a la matriz sólida, muestran ciertos cambios en su figura de tipo amiboideo, los cuales son considerados como preparatorios para el enquistamiento. La posterior Terminación del zoosporo enquistado da como resultado la producción de un tallo con una amplia porción radical (rizoide) y el esporangio (9). Aunque el desarrollo de los rizoides es rápido, el tamaño del esporangio maduro es alcanzado entre 12 y 24 horas después de la fijación del zoosporo (1 2, 14). La aparición de la zoosporogénesis se inició justo con la aparición del tabique o septum, el cual constituye una barrera para el flujo del citoplasma desde el sistema radical (25, 36). 

Así, se ha estimado que la duración del ciclo de vida de los hongos anaeróbicos, habitando en el rumen de animales que son alimentados una vez por día, puede durar entre 24 y 32 horas (1 4,36, 67). 

FUNCIÓN DE LOS HONGOS ANAERÓBICOS DEL RUMEN

Una abundante digestión de los componentes fibrosos de las plantas por parte de los hongos anaeróbicos ha sido claramente demostrada en numerosos experimentos in vitro (1, 2, 4, 9,10,13, 17, 21, 55, 66)..Estos hongos han demostrado poseer una amplio rango de enzimas que pueden degradar los principales carbohidratos estructurales (celulosa y hemicelulosa) de las paredes celulares de las plantas (6, 23, 27, 32, 35, 612, 73, 74, 75).  

Aunque no hay evidencia de que los hongos anaeróbicos pueden utilizar lignina como fuente de carbono, estos hongos fueron capaces de disolver hasta un 16% de la lignina de la paja y heno de trigo (in vitro) (56,22). Estos hongos fueron capaces de degradar y debilitar substancialmente los tejidos significados de forrajes fertilizados con azufre (2). 

Particularmente, el N. frontalis produce grandes cantidades de celulosas activas, cuya producción fue significativamente incrementada en cultivos mixtos con bacterias metanogénicas (40,76). Adicionalmente, la degradación de la celulosa por los hongos en presencia de las bacterias metanogénicas fue mucho más rápida que cualquier dato reportado previamente (39, 63). Igualmente, la actividad sinergística de los hongos anaeróbicos del rumen sobre degradación de la celulosa fue considerable en cultivos mixtos con las bacterias Veillonella alcalescens y Megasphera elsdenii que utilizan lactato, y en cultivos con Fibrobacter succinogenes (63). 

Al igual que para las bacterias ruminales, existen diferencias entre las diversas cepas de hongos anaeróbicos en cuanto a la utilización de los distintos substratos. En términos generales, muchas de las especies de estos hongos son capaces de usar como fuentes de carbono los carbohidratos solubles glucosa, celobiosa, xilosa, maltosa y sucrosa (45, 46, 48, 52, 54, 65, 73, 74). 

En la fermentación de la celulosa (in vítro) por los hongos anaeróbicos se han detectado los siguientes productos finales: acetato, lactato, formato, etanol, C02 y H2. Para todos los carbohidratos que soportan el crecimiento de los hongos, los productos finales más abundantes fueron acetato y lactato con pequeñas cantidades de hidrógeno, dióxido de carbono y piruvato (52). 

Sin embargo, a pesar de la gran capacidad de estos hongos para degradar los componentes estructurales de las paredes de las plantas, el mayor porcentaje de esta degradación es aún asignada al grupo bactérico (65, 71). Destacándose que para poder cuantificar el papel de estos hongo in vivo, es necesario hacer una buena estimación de su biomasa (9, 19, 61, 65). Aunque por otro lado, Whindham y Akin (71) han concluido que el desarrollo de gran número de esporangios sobre la fibra puede no ser indicativo de un substancial rol en la degradación de la fibra. Sin embargo, las investigaciones señalan que las dietas más fibrosas soportan las más grandes poblaciones de estos hongos (1 2). Igualmente, se ha observado que las poblaciones de los hongos del rumen tienden a disminuir en las dietas ricas en almidón (24, 43). Orpin y Joblin (61) han sugerido que los hongos del rumen pueden ser importantes para la función ruminal cuando la dieta consiste de forrajes de pobre calidad. 

Diferentes metodologías se han implantado para estimar las densidades poblacionales de los hongos anaeróbicos en el rumen tales como: contaje directo de los zoosporos y esporangios en el licor ruminal (44), estimándose por este método entre 103Y 1 01 ml, por medio de una modificación del método de tubos enrollados de Hungate; Joblin (29), utilizando licor ruminal filtrado como inóculo contó 2 x 10 zoosporos viables por ml; Akin etal (2) y Ushida etal (68), utilizando la técnica de suspender substratos sólidos en bolsas de nylon in vivo o in vitro por 24 horas, contaron entre 5 x 1 0-1 y 12.x 103 esporangios por CM2 en períodos de incubación de 24 horas; Obispo (43), utilizando una variante de la técnica del número más probable, con licory sólidos ruminales (en conjunto o separadamente) como inóculos, logró hacer estimaciones diferencia-

les de la población de hongos anaeróbicos para los períodos correspondientes a 0 - 1,5 - 3 horas posteriores al ofrecimiento del alimento en novillos, observando un significativo incremento de la población de los hongos 1,5 h después de ofrecido el alimento, con el mayor incremento (78%) relacionado con el material sólido del contenido ruminal. Para esta investigación, las concentraciones totales oscilaron entre 1,5 x 103y 1,5 x 1 06, lo cual constituye un rango mayor a los reportados previamente. 

Se ha sugerido que los hongos anaeróbicos juegan un papel importante, debilitando los tejidos significados, ya que se ha observado que después de la colonización de la partícula de fibra, la fuerza de tensión de ésta es significativamente menor (2). Este debilitamiento de los tejidos significados podría incrementar sustancialmente la digestión por facilitarse la fractura de éstos, con incremento de los sitios disponibles para la colonización bacteriana. Mostrándose de esta manera que la acción fungal, contrariamente de la bacteriana, demuestra ser más independiente del estado de daño ocasionado a la partícula de fibra vegetal (61). Sin embargo, la incógnita de la (s) vía (s) (acción enzimático, mecánica o combinada) por las cuales los hongos anaeróbicos penetran las paredes celulares vegetales todavía permanecen (31). A diferencia de las bacterias celuiolíticas, estos hongos son proteolíticos, y es probable que a través de esta acción se facilite la penetración de las capas de proteináceos (capas protectoras que previenen el acceso de las bacterias a la capas secundarias de las paredes celulares) por parte de los rizoides (18). 

Se ha referido que los hongos anaeróbicos del rumen son capaces de romper físicamente las partículas de la digesta, lo que ocasionaría una disminución del tiempo de, residencia de las partículas en el rumen (2, 3, 30, 56). Pero las acciones observadas in vitro pueden, en cierta manera, sobreestimar la efectividad degradativa in vivo cuando hay competencia con otros organismos en el rumen (72). A este respecto, cabe señalar que la mayor contribución con la disminución del tamaño de las partículas de la digesta es asignada a la masticación y ruminación (37). Asignándosele a los hongos la acción de debilitar la estructura de algunos tejidos de las plantas, con la cual, por ende, se mejora la efectividad de la rumia; pero se necesitan más evidencias para poder asignarle a los hongos anaeróbicos del rumen una acción directa de reducción física del tamaño de las partículas (72).

CONCLUSIONES 

Un grupo de microorganismos habitantes del rumen, los cuales habían sido identificados originalmente corno protozoarios fiage lados, fueron aislados e identificados como hongos anaeróbicos. Su ubicación taxonómica no está lo suficientemente clara al presente; utilizándose como criterios para su clasificación dentro de los chitridiomicetos los rasgos ultraestructurales de los zoosporos poliflagelados. El hecho de ser anaeróbicos estrictos los circunscribe a aquellos ambientes similares al rumen, lo que refleja una evolución paralela con la digestión microbiana. Su ciclo de vida está caracterizado por presentar dos fases bien diferenciadas, una móvil de zoosporo y una vegetativa reproductiva no móvil. Se ha demostrado que estos hongos producen potentes enzimas capaces de degradar los componentes estructurales de las paredes celulares de las plantas, lo que hace pensar que ellos juegan una importante función en el debilitamiento de la fibra a nivel ruminal; especialmente cuando se observa que las dietas más fibrosas se relacionan con altas poblaciones de hongos en el rumen. La concentración a nivel ruminal ha sido estimada oscilar entre 103 y 106 hongos por mi de contenido ruminal, debiéndose esta variabilidad observada principalmente a la metodología empleada para la estimación, tipo de animal y dieta. 

RESUMEN 

Los hongos anaeróbicos constituyen un nuevo grupo de microorganismos, cuya ubicación sistemática necesita ser consolidada. Estos microorganismos se han adaptado al medio ambiente digestivo de los herbívoros, presentando un ciclo de vida bifásico relativamente simple, demostrando en la mayoría de los estudios in vitro poseer la capacidad enzimática para digerir los materiales fibrosos de las plantas. El hecho de que las más altas densidades de hongos ocurran cuando las dietas son más fibrosas y la enorme capacidad de penetrar profundamente en los tejidos normalmente no asequibles para las bacterias, hace pensar que ellos, juegan un papel importante en los procesos ruminales.

SUMMARY

 The anaerobic fungi are a new group of rnicroorganisms with a no clear taxonomy at present. They are well adapted to the gut environment of the herbivores animals where they bear a simple bifasic life cicle. By means of in vitro studies, it has been demonstrated that they possess the enzimatic capacity to digest the rnost fibrous materials of plants. The fact that the higher densities of fungi occurs in the more fibrous diets and the extent of colonization and growth on fibrous plant fragrnents suggest a significant role in the ruminal digestion processes.  

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Zootecnia Tropical > Sumario de la Colección > Volumen 10