El diálogo entre plantas y bacterias mejora la producción de alimentos

Fernando Ibañez, investigador del Instituto de Investigaciones Agrobiotecnológicas (INIAB) y la Universidad Nacional de Río Cuarto (UNRC), junto a colegas de la India y EEUU publicaron una revisión en la revista Plants sobre los últimos avances en la comprensión de los mecanismos de infección intercelular de bacterias en raíces de maní.

Los estudios aportan a la mejora del conocimiento de procesos de nodulación y fijación de nitrógeno en leguminosas que son fundamentales para mejorar la sostenibilidad agrícola, el reciclaje de nutrientes, la biodiversidad del suelo, los servicios de los ecosistemas e incluso la seguridad alimentaria.

El cultivo de maní es muy relevante en la economía del centro-sur de la provincia de Córdoba en donde se concentra casi la totalidad de su producción y procesamiento. Pero además es muy interesante desde el punto de vista científico porque sus raíces tienen un modo de asociación con las  bacterias del suelo similar al que ocurre en cultivos no leguminosos. La importancia radica en que conocer este mecanismo en detalle sería el primer paso para transferir la capacidad de fijación simbiótica de nitrógeno a no leguminosas de importancia económica.

Las plantas requieren varios elementos químicos para crecer. Los que se necesitan en mayor cantidad y son indispensables para su desarrollo se llaman macroelementos. Uno de ellos es el nitrógeno (N). El N está presente en el aire y es el 78% del aire que respiramos. La atmósfera es la principal fuente de nitrógeno de la biosfera. Sin embargo, es inaccesible para la mayoría de los organismos vivos. Solo un número limitado de bacterias que viven en los suelos son capaces de convertir el nitrógeno atmosférico en amoníaco, un compuesto que sí puede ser incorporado por las plantas; y en consecuencia, por el resto de componentes de las cadenas tróficas.

En agricultura, los macroelementos se aportan a los cultivos normalmente por medio de fertilizantes químicos. Los más comunes son N, P (fósforo) y K (potasio). Sin embargo, estos fertilizantes comerciales son costosos y crean una serie de problemas ambientales. Entre las problemáticas más comunes, los nitratos se acumulan en los cuerpos de agua dulce provocando contaminación de aguas subterráneas y superpoblaciones de algas (eutrofización). En tanto, el amoníaco, se puede volatilizar  aumentando la emisión de gases a la atmósfera.

Ante esta problemática, la fijación biológica de nitrógeno es una forma alternativa de aumentar el nitrógeno disponible para las plantas y, al mismo tiempo, reducir la dependencia de fertilizantes comerciales y por eso se lo conoce como “fertilizante natural”.

Este mecanismo ocurre porque a lo largo de la evolución, las plantas leguminosas (como la soja, el maní y el garbanzo) adquirieron la capacidad de desarrollar una relación simbiótica con un grupo de bacterias llamadas rizobios. Esta relación tan estrecha y duradera inicia con un diálogo entre plantas y bacterias que es muy específico.

Este “diálogo molecular” se produce a través de moléculas que liberan unos y otros (las raíces de las plantas y las bacterias) y es el primer paso hacia una simbiosis. En dicha asociación, los procariotas (bacterias) fijan el nitrógeno que se suministra a las plantas a cambio de fuentes de carbono y un ambiente controlado para habitar. Una de las características asociadas con esta interacción es la formación de un nuevo órgano en las raíces de las plantas, llamado nódulo.

En consecuencia, la comunidad científica posee un interés renovado en la fijación simbiótica de nitrógeno en plantas, una innovación evolutiva que se restringe a solo a un grupo reducido de especies vegetales.

Varios grupos de investigadores intentan transferir la capacidad de fijación simbiótica de nitrógeno a no leguminosas de importancia económica. Esta posibilidad se basa en el hecho de que muchos procesos relacionados con la simbiosis fijadora de nitrógeno en leguminosas dependen de grupos de genes conservados en algunas plantas. Por tanto, es posible que algunos componentes de los dos programas genéticos más importantes implicados en la nodulación: el que determina el ingreso de la bacteria a la raíz de la planta, llamado “infección”, y el que determina la formación de primordios de nódulos (un grupo de células que darán origen al nódulo) también estén presentes en plantas no leguminosas.

En el trabajo publicado se sugiere que los programas necesarios para el desarrollo de la simbiosis están, al menos parcialmente, presentes en plantas no leguminosas. Por lo tanto, la transferencia de la simbiosis de fijación de nitrógeno a las no leguminosas puede hacer uso de vías previamente existentes, reclutando estos procesos para un nuevo rasgo. Esas plantas que aún retienen el precursor de la nodulación, pueden constituir hospedadores adecuados para iniciar experimentos graduales sobre este proceso, representando nuevas estrategias para el diseño de cultivos de no-leguminosas fijadoras de nitrógeno y mejorar la productividad y seguridad alimentaria.

Sharma V, Bhattacharyya S, Kumar R, Kumar A, Ibañez F, Wang J, Guo B, Sudini HK, Gopalakrishnan S, DasGupta M, Varshney RK, Pandey MK. Molecular Basis of Root Nodule Symbiosis between Bradyrhizobium and ‘Crack-Entry’ Legume Groundnut (Arachis hypogaea L.). Plants. 2020; 9(2):276. https://doi.org/10.3390/plants9020276

Fernando Ibañez es Microbiólogo, Doctor en Ciencias Biológicas e Investigador del Instituto de Investigaciones Agrobiotecnológicas (INIAB) y la Universidad Nacional de Río Cuarto (UNRC).