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Como las bacterias fertilizan la soja


Las plantas necesitan nitrógeno en forma de amonio para crecer. En el caso de una gran cantidad de plantas cultivadas, los agricultores están obligados a esparcir este amonio en sus campos como fertilizante.


por ETH Zurich


La fabricación de amonio es un proceso costoso e intensivo en energía, y los métodos de producción actuales también liberan grandes cantidades de CO 2 .

Sin embargo, un puñado de cultivos reponen su propio suministro de amonio. Las raíces de frijoles, guisantes, trébol y otras legumbres albergan bacterias ( rizobios ) que pueden convertir el nitrógeno del aire en amonio. Esta simbiosis beneficia tanto a las plantas como a los rizobios en una interacción que los científicos habían visto hasta ahora como relativamente sencilla: las bacterias suministran amonio a la planta; a cambio, la planta les proporciona moléculas de ácido carboxílico carbonoso.

Una interacción sorprendentemente compleja

Bajo el liderazgo de Beat Christen, Profesor de Biología de Sistemas Experimentales, y Matthias Christen, científico del Instituto de Biología de Sistemas Moleculares , los investigadores de ETH ahora han logrado demostrar que la interacción entre plantas y bacterias es de hecho sorprendentemente compleja. Junto con el carbono, la planta le da a la bacteria el aminoácido rico en nitrógeno arginina.

«Aunque la fijación de nitrógeno en la rizobia se ha estudiado durante muchos años, todavía había lagunas en nuestro conocimiento», dice Beat Christen. «Nuestros nuevos hallazgos permitirán reducir la dependencia de los agricultores del fertilizante de amonio, haciendo que la agricultura sea más sostenible».

Utilizando métodos de biología de sistemas, los investigadores investigaron y desentrañaron las vías metabólicas de la rizobia que conviven con el trébol y la soja. Uniendo fuerzas con el profesor de ETH Uwe Sauer, verificaron los resultados en experimentos de crecimiento con plantas y bacterias en el laboratorio. Los científicos sospechan que sus nuevos hallazgos se aplicarán no solo al trébol y la soja, y que las vías metabólicas de otras legumbres están reguladas de manera similar.

Una batalla real, no una simbiosis voluntaria

Los hallazgos arrojan nueva luz sobre la coexistencia de plantas y rizobios. «Esta simbiosis a menudo se tergiversa como un toma y daca voluntario. De hecho, los dos socios hacen todo lo posible para explotarse mutuamente», dice Matthias Christen.

Como los científicos pudieron demostrar, la soja y el trébol no despliegan exactamente la alfombra roja para su rizobia, sino que los consideran patógenos. Las plantas intentan cortar el suministro de oxígeno de la bacteria y exponerla a condiciones ácidas. Mientras tanto, las bacterias trabajan sin cesar para sobrevivir en este ambiente hostil. Usan la arginina presente en las plantas porque les permite cambiar a un metabolismo que no requiere mucho oxígeno.

Para neutralizar el ambiente ácido, los microbios transfieren protones acidificantes a moléculas de nitrógeno tomadas del aire. Esto produce amonio, del cual se deshacen conduciéndolo fuera de la célula bacteriana y pasándolo a la planta. «El amonio que es tan crucial para la planta es simplemente un producto de desecho en la lucha de las bacterias por la supervivencia», dice Beat Christen.

La conversión de nitrógeno molecular en amonio es un proceso intensivo en energía no solo para la industria sino también para la rizobia. El mecanismo recientemente caracterizado explica por qué las bacterias gastan tanta energía en el proceso: asegura su supervivencia.

Biotecnología: allanando el camino hacia la agricultura sostenible

La agricultura y la biotecnología podrán utilizar esta nueva información para transferir el proceso de fijación de nitrógeno bacteriano a cultivos no leguminosos, como el trigo, el maíz o el arroz. Los científicos han hecho muchos intentos para lograr esta transferencia, pero siempre se han encontrado con un éxito limitado porque faltaba una pieza importante del rompecabezas metabólico. «Ahora que hemos mapeado el mecanismo hasta el último detalle, es probable que esto mejore nuestras posibilidades de lograr un resultado favorable», dice Beat Christen.

Un enfoque posible es utilizar métodos biotecnológicos para insertar todos los genes necesarios para la ruta metabólica directamente en los cultivos. Otra línea de acción sería transferir estos genes a bacterias que interactúan con las raíces del trigo o el maíz. Estas bacterias actualmente no convierten el nitrógeno en el aire en amonio , pero la biotecnología tiene los medios para hacerlo posible, y los investigadores de ETH ahora seguirán este enfoque.


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