Investigadores daneses han descubierto un interruptor molecular que permite a las plantas asociarse con bacterias fijadoras de nitrógeno en lugar de combatirlas, abriendo la puerta a cultivos de cereales auto-fertilizantes como el trigo y la cebada.
Su reciente investigación revela una pista biológica crucial que podría ayudar a disminuir la gran dependencia de la agricultura en el fertilizante nitrogenado artificial.
Las plantas necesitan nitrógeno para crecer, y la mayoría de las especies de cultivos solo pueden obtenerlo a través de fertilizantes. Un pequeño grupo de plantas, que incluye guisantes, tréboles y frijoles, pueden crecer sin nitrógeno añadido. Estas forman una asociación con bacterias específicas que transforman el nitrógeno del aire en una forma que la planta puede absorber.
En la industria, se conocen como fijadoras de nitrógeno, y métodos de rotación de cultivos que datan del siglo XVII utilizaban el trébol para cubrir los campos después de las cosechas para reponer el contenido de nitrógeno del suelo.
Científicos de todo el mundo están trabajando para entender la base genética y molecular de esta capacidad natural de fijación de nitrógeno. La esperanza es que esta característica pueda eventualmente introducirse en cultivos principales como el trigo, la cebada y el maíz.
Si se logra, estos cultivos podrían suministrar su propio nitrógeno. Este cambio reduciría la necesidad de fertilizantes sintéticos, que actualmente representan alrededor del 2% del consumo global de energía y producen emisiones significativas de CO2.
Es aquí donde entran los investigadores de la Universidad de Aarhus, quienes ahora han identificado pequeños cambios en los receptores de las plantas que hacen que estas suspendan temporalmente sus defensas inmunitarias y entren en una relación cooperativa con bacterias fijadoras de nitrógeno.
“Estamos un paso más cerca de una producción de alimentos más verde y amigable con el clima,” dijeron Kasper Røjkjær Andersen y Simona Radutoiu, profesores de biología molecular en la Universidad de Aarhus y parte del equipo detrás del descubrimiento.
Las plantas dependen de receptores en la superficie celular para detectar señales químicas de microorganismos en el suelo. Algunas bacterias liberan compuestos que advierten a la planta que son “enemigos”, provocando una acción defensiva. Otras señalan que son “amigas” capaces de suministrar nutrientes.
Las leguminosas como los guisantes, los frijoles y el trébol permiten que bacterias especializadas entren en sus raíces. Dentro de estos tejidos radiculares, las bacterias convierten el nitrógeno de la atmósfera y lo comparten con la planta. Esta asociación, conocida como simbiosis, es la razón por la cual las leguminosas pueden crecer sin fertilizante artificial.
Los investigadores de la Universidad de Aarhus descubrieron que esta capacidad está fuertemente influenciada por solo dos aminoácidos dentro de la proteína radicular.
“Es un hallazgo notable e importante,” dice Radutoiu.
La proteína radicular funciona como un “receptor” que lee las señales de las bacterias. Determina si la planta debe activar su sistema inmunológico (alarma) o aceptar las bacterias (simbiosis).
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El equipo identificó una pequeña región en la proteína del receptor que denominaron Determinante de Simbiosis 1. Esta región funciona como un interruptor que controla qué mensaje interno recibe la planta.
Al modificar solo dos aminoácidos dentro de este interruptor, los investigadores cambiaron un receptor que normalmente desencadena la inmunidad para que en su lugar iniciara la simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno de una manera que el comportamiento natural de la planta nunca permitiría.
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“Hemos demostrado que dos pequeños cambios pueden hacer que las plantas alteren su comportamiento en un punto crucial de rechazar bacterias a cooperar con ellas,” explica Radutoiu.
En experimentos de laboratorio, los investigadores lograron con éxito esta modificación en la planta Lotus japonicus. Luego probaron el concepto en cebada y encontraron que el mecanismo también funcionaba allí.
“Es bastante notable que ahora podamos tomar un receptor de cebada, hacer pequeños cambios en él, y luego la fijación de nitrógeno funcione nuevamente,” dice Kasper Røjkjær Andersen.
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El potencial a largo plazo es significativo. Si estas modificaciones pueden aplicarse a otros cereales, eventualmente podría ser posible criar trigo, maíz o arroz capaces de fijar nitrógeno por sí mismos, similar a las leguminosas.
“Pero primero tenemos que encontrar las otras llaves esenciales,” señala Radutoiu. “Hoy en día, muy pocos cultivos pueden realizar simbiosis. Si podemos extender eso a cultivos ampliamente utilizados, realmente puede hacer una gran diferencia en cuánto nitrógeno necesita ser utilizado.”
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