La larga búsqueda de las leguminosas para dar a los cultivos superpoderes de nitrógeno

Esta historia fue publicado originalmente por CON CABLE y se reproduce aquí como parte del Mesa climática colaboración.

Si los cultivos pudieran sentir envidia, sería por las legumbres. Las plantas de frijol tienen un superpoder. O más exactamente, comparten uno. Han desarrollado relaciones simbióticas con bacterias que procesan el nitrógeno atmosférico en una forma que es utilizable para esas plantas, un elemento esencial para construir sus tejidos, hacer la fotosíntesis y, en general, mantenerse saludables. Esto se conoce como fijación de nitrógeno. Si miras las raíces de una leguminosa, verás ver nódulos que proporcionan a estos microbios fijadores de nitrógeno un hogar y alimento.

Otros cultivos (cereales como el trigo, el arroz y el maíz) no tienen una relación simbiótica tan profunda, por lo que los agricultores deben usar grandes cantidades de fertilizante para que las plantas obtengan el nitrógeno que necesitan. Esto es muy caro. Y la producción de fertilizantes no es buena para el medio ambiente. No es fácil convertir el nitrógeno atmosférico en una forma de nitrógeno que las plantas puedan absorber por sí mismas.

“Se necesita mucha energía y presiones y temperaturas realmente altas”, dice Angela Kent, bióloga de plantas de Urbana-Champaign de la Universidad de Illinois. “Las bacterias hacen esto a temperaturas y presiones ambientales, por lo que son bastante especiales. Si bien la energía ha sido barata, ha sido fácil para nosotros abusar de los fertilizantes nitrogenados”.

Peor aún, una vez que está en los campos, el fertilizante arroja óxido nitroso, que es 300 veces más potente un gas de efecto invernadero como dióxido de carbono. La escorrentía de los campos también contamina los cuerpos de agua, lo que provoca la proliferación de algas tóxicas. Este es un problema particularmente grave en el Medio Oeste, donde el fertilizante desemboca en el río Mississippi y desemboca en el Golfo de México, lo que genera floraciones masivas cada verano. Cuando esas algas mueren, absorben el oxígeno del agua, matando a cualquier criatura marina que tenga la mala suerte de estar en el área y creando un notoria zona muerta acuática que puede llegar a ser del tamaño de Nueva Jersey. El cambio climático solo está exacerbando el problema, ya que, para empezar, las aguas más cálidas contienen menos oxígeno.

Dada toda esa maldad, los científicos llevan mucho tiempo en la búsqueda de reducir la dependencia de la agricultura de los fertilizantes dando a los cultivos de cereales su propio poder de fijación de nitrógeno. Y con el auge de la tecnología de edición de genes en las últimas décadas, esa búsqueda ha ido progresando. El mes pasado, en el Revista de biotecnología vegetalinvestigadores descrito un gran avance con el arroz, la ingeniería de la planta para producir más compuestos que fomenten el crecimiento de biopelículas, que brindan un hogar acogedor para las bacterias fijadoras de nitrógeno, al igual que las legumbres brindan nódulos para sus microbios asociados.

“La gente durante los últimos 30 o 40 años ha estado tratando de hacer que los cereales se comporten como las legumbres”, dice Eduardo Blumwald, biólogo de plantas de la Universidad de California, Davis, coautor del nuevo artículo. “La evolución en ese sentido es muy cruel. No se puede hacer en el laboratorio lo que tomó millones y millones de años”.

Entonces, ¿qué pasa con la crueldad evolutiva? ¿Por qué algunas plantas, como, digamos helechos acuáticos — ¿fijar nitrógeno mientras que otros no pueden?

No es que otras especies no obtengan nitrógeno en absoluto. Los pastos de cereales usan nitrógeno que ya está en el suelo; proviene del estiércol animal, así como también del toda la vida revolviéndose en la tierra. (Muchos grupos bacterianos diferentes procesan el nitrógeno atmosférico, no solo los simbiontes de las leguminosas).

Pero las bacterias de las leguminosas obtienen abundante nitrógeno directamente del aire.

“Cuando tienes estos nódulos y tienes esta relación simbiótica, es una forma mucho más efectiva de obtener nitrógeno atmosférico”, dice Joshua Doby, ecologista de la Universidad de Florida. “Porque de lo contrario hay que esperar a que las bacterias y otros procesos en el suelo lo conviertan en amonio”.

Una teoría es que la relación simbiótica del nitrógeno comenzó hace mucho tiempo como una infección bacteriana, y esas plantas ancestrales obtuvieron un beneficio que se transmitió a las generaciones futuras. A principios de este año, Doby publicó un estudiar de plantas a lo largo de los Estados Unidos, encontrando que hay una mayor diversidad de especies fijadoras de nitrógeno que otros tipos en las regiones áridas. Eso es cierto incluso si el suelo no es pobres en nitrógeno. Él teoriza que hace millones de años, cuando esas áreas eran más húmedas, las plantas desarrollaron la capacidad de fijar nitrógeno, lo que también les permitió desarrollar cutículas más gruesas. Este rasgo los protegió contra la sequedad cuando la región finalmente se volvió árida. Estaban preadaptados, básicamente. Los no reparadores, por el contrario, fueron eliminados por la creciente aridez.

Otra teoría es que las legumbres podrían ser fijadoras de nitrógeno consumadas porque algo en su genoma las predispone a formar nódulos.

Pero antes de que empiece a sentir lástima por los no reparadores, la construcción de nódulos y el alojamiento de bacterias tiene un costo importante. “Resulta que hacer esto es muy costoso desde el punto de vista energético”, dice Ryan Folk, científico de biodiversidad de la Universidad Estatal de Mississippi, coautor del nuevo artículo con Doby. Primero, una leguminosa tiene que construir esos nódulos en sus raíces, luego tiene que proporcionar azúcares a las bacterias para mantenerlas felices.

“Es algo así como del 20 al 30 por ciento de la producción fotosintética de las leguminosas en realidad va a parar a las bacterias, por lo que es un precio extraordinario”, dice. Entonces, aunque es menos eficiente para las plantas obtener su nitrógeno orgánico de las bacterias que ya están en el suelo, también es menos costoso porque las bacterias simbióticas están muy necesitadas.

Lo que Blumwald y sus colegas han hecho con el arroz está a medio camino entre las estrategias de las leguminosas y las plantas que no se fijan. Tamizaron los compuestos que produce la planta, probando cuáles inducían la formación de una biopelícula.

“Cuando las bacterias forman biopelículas, es como una comunidad hippie: son acogedores, están todos juntos, comparten cosas”, dice Blumwald.

Una capa compleja de polisacáridos, proteínas y lípidos cubre la biopelícula, que no es permeable al oxígeno. Eso es importante porque el oxígeno interfiere con la fijación de nitrógeno del aire por parte de las bacterias; en las legumbres, los nódulos mantienen el oxígeno fuera.

El equipo aterrizó en un compuesto potenciador de biopelículas llamado apigenina. Luego usaron Edición de genes nítidos para silenciar la expresión de la planta de una enzima que descompone esta apigenina, lo que permite que se acumule más compuesto en la planta y se extruya en el suelo para crear una biopelícula.

“Luego, las bacterias comenzaron a fijar nitrógeno del aire para producir amonio que la planta puede absorber”, dice Blumwald. “Aumentó la proporción de fijadores de nitrógeno frente al resto de bacterias cerca de la raíz”. Básicamente, la planta de arroz ahora tenía su propia fábrica de fertilizantes, lo que le otorgaba el poder de fijación de nitrógeno que la evolución le había negado.

Esto parece sortear un problema con los intentos anteriores de hacer que los cultivos de cereales fijen su propio nitrógeno, dice Kent, biólogo de plantas de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, que no participó en la investigación. La gente ha tratado de inocular suelos con bacterias fijadoras de nitrógeno con la esperanza de que las plantas y los microbios formen una sociedad. Pero eso ha sido difícil, ya que el microbioma del suelo es un ecosistema tremendamente complejo de bacterias competidoras.

“Algo que realmente me gustó de este artículo es que busca modificar las plantas para que se asocien mejor con el microbioma del suelo”, dice Kent. “Ayuda a reclutar el tipo deseado de microbios y les da una ventaja competitiva”.

Curiosamente, los científicos descubierto previamente una variedad de maíz única en México que fija nitrógeno de manera similar. Las raíces en forma de tubo del maíz crecen por encima del suelo, envainándose en un extraño mucílago – un montón de goo que gotea. Al igual que la biopelícula alrededor de las raíces del arroz, este mucílago alberga bacterias fijadoras de nitrógeno. Los autores del estudio del maíz creen que sería posible reproducir este rasgo en variedades comerciales de maíz.

Otro problema con los intentos previos de inoculación, dice Kent, ha sido que las bacterias introducidas no pueden proporcionar todo el nitrógeno que necesitan las plantas. Un agricultor aún tendría que aplicar fertilizante, pero la aplicación excesiva de fertilizante puede sobrecargar los fijadores de nitrógeno naturales en el suelo, enviándolos a la hibernación. El campo se adormece, esencialmente, a medida que el microbioma beneficioso se corta.

Una empresa llamada Pivot Bio está diseñando bacterias fijadoras de nitrógeno que no se apagan en presencia de nitrógeno añadido. “Rompemos el ciclo de retroalimentación genética que hace que entren en hibernación cuando se fertilizan los campos”, dice Karsten Temme, director general y cofundador de la empresa.

Hoy, están lanzando nuevos productos en los que estos microbios se aplican directamente a las semillas de maíz, trigo y otros cereales. (Con productos anteriores, en cambio, rociaron la bacteria en forma líquida durante la siembra de semillas). Actualmente, los microbios no pueden suministrar todo el nitrógeno que necesitan estos cereales, por lo que los agricultores aún pueden necesitar fertilizar. Pero Temme dice que la compañía está mejorando la eficiencia de los microbios.

“Lo que vemos es que va a haber una progresión, donde hoy estamos suministrando una fracción de ese nitrógeno”, dice, “y con el tiempo, comenzamos a suministrar la mayoría y eventualmente la totalidad de ese nitrógeno que necesita el cultivo. ”

Un sistema efectivo de fijación biológica de nitrógeno para el arroz podría ser “un cambio de juego en la agricultura global”, dice Pallavolu Maheswara Reddy, quien estudios fijación de nitrógeno en cereales en el Instituto de Energía y Recursos de la India. Eso es porque la población humana está creciendo rápidamente, demandando más alimentos y fertilizantes para alimentarse.

“Desde el advenimiento de la Revolución Verde a mediados de la década de 1960, la aplicación de fertilizantes nitrogenados químicos aumentó los rendimientos del arroz entre un 100 y un 200 por ciento para satisfacer las demandas de la población mundial”, dice Reddy. “En los próximos 30 años, debemos producir casi un 50 por ciento más de arroz que el que se produce actualmente para complementar las necesidades alimentarias de una población humana en aumento”.

Pero incluso si los científicos pueden simplemente reducir la cantidad de fertilizante necesaria para la agricultura, la industria estaría ahorrando parte de la energía que se necesita para fabricar el material mientras reduce los costos de los agricultores y la escorrentía que llega a las vías fluviales. Eso será especialmente importante en partes del mundo donde el cambio climático está haciendo que los aguaceros sean más fuertes (una atmósfera más cálida en general contiene más agua), que eliminará más fertilizante de los campos.

Y en caso de que te preocupe que ligas de plantas fijadoras de nitrógeno se extiendan sin control gracias a su nuevo superpoder, Kent dice que no hay nada que temer. “No vemos que las legumbres se apoderen del mundo”, dice Kent. La fijación de nitrógeno “probablemente no sea el rasgo que una planta necesitaría para convertirse en una súper planta”.