El principio del holobionte —un superorganismo holístico de plantas y microbiota— sitúa las complejas interacciones entre las plantas y el microbioma del suelo en el centro del mejoramiento de nuevos cultivos. Combinado con tecnologías como el aprendizaje automático, esto permitirá la creación de nuevas variedades de trigo que sean inhibidores biológicos naturales de la nitrificación.
Más detalles sobre este concepto se presentan en artículos de un equipo de investigadores dirigido por Wolfram Weckwerth de la Universidad de Viena, que fueron publicados en las revistas Plant Biotechnology y Trends in Plant Science.
Proporcionar alimentos de forma sostenible a la creciente población mundial es un desafío importante. Para 2050, se proyecta que la producción agrícola mundial aumentará un 70 % para proporcionar alimentos y nutrición suficientes a 9 000 millones de personas.
El nitrógeno (N), un macronutriente esencial, representa entre el 1 % y el 5 % del peso seco total de las plantas. Por ello, la agricultura depende en gran medida de los fertilizantes nitrogenados para maximizar el rendimiento de los cultivos.
Sin embargo, los fertilizantes nitrogenados son un arma de doble filo que garantiza la seguridad alimentaria de la mayor parte de la humanidad, a la vez que tienen impactos negativos en el medio ambiente. A nivel mundial, el nitrógeno es la mayor fuente de óxido nitroso (N₂O), un potente gas de efecto invernadero (aproximadamente 300 veces el potencial de calentamiento global del dióxido de carbono) y de larga duración. Por lo tanto, muchos sistemas agrícolas utilizan demasiado nitrógeno, y es necesario tomar medidas para reducir la contaminación.
Actualmente, una posible estrategia para reducir las pérdidas de nitrógeno consiste en inhibir el proceso de nitrificación mediante la aplicación de inhibidores sintéticos. Estos incluyen compuestos como la diciandiamida, el fosfato de 3,4-dimetilpirazol y la 2-cloro-6-(triclorometil)piridina (nitrapirina). Estos inhibidores pueden prolongar el tiempo de retención del nitrógeno amoniacal en el suelo, aumentando así la eficiencia de su utilización. Sin embargo, pueden presentar diversas desventajas, como los elevados costes de síntesis y los efectos negativos en la salud del suelo, como su toxicidad para microbios no objetivo, lo que provoca cambios imprevistos en sus funciones.
Los inhibidores biológicos de la nitrificación (BNI) muestran un potencial prometedor para reducir las pérdidas de nitrógeno durante la nitrificación.
El fenómeno denominado «inhibición biológica de la nitrificación» se refiere a la capacidad natural de algunas plantas para suprimir la nitrificación del suelo mediante la liberación de metabolitos secundarios desde sus raíces. Por lo tanto, un paso clave para la implementación de la BNI en la práctica agrícola es comprender la función de los exudados radiculares y sus metabolomas asociados en la regulación de los flujos de nitrógeno en el suelo.
Los exudados radiculares de los cereales Brachiaria han mostrado la mayor capacidad de síntesis de BNI, pero el sorgo ( Sorghum bicolor ) lidera la síntesis de BNI entre los cultivos. El suelo debe estar colonizado por microorganismos oxidantes de amoníaco que también fijan nitrógeno. Los exudados radiculares liberan metabolitos a la rizosfera, inhibiendo el proceso de nitrificación en el suelo y controlando el reclutamiento de microbiota beneficiosa que mejora el crecimiento y la actividad vegetal.
Identificar las señales biológicas de inhibición de la nitrificación en cultivos con alta demanda de nitrógeno, como el trigo, es clave para mejorar la resiliencia. El enfoque de la domesticación de cultivos únicamente en el rendimiento ha reducido la relación simbiótica beneficiosa entre las plantas y sus microbiomas, lo que ha generado una mayor dependencia de los fertilizantes. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), la necesidad mundial de fertilizantes nitrogenados para la agricultura era de aproximadamente 190 millones de toneladas en 2022. Desafortunadamente, entre el 50 % y el 80 % de este fertilizante se pierde en el medio ambiente durante su aplicación, ya que los sistemas agrícolas modernos se caracterizan por una baja eficiencia en el uso del nitrógeno.
En un estudio, un equipo dirigido por Wolfram Weckwerth, de la Universidad de Viena, empleó una plataforma combinada de cromatografía de gases (GC) y cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS) para caracterizar el metaboloma del exudado radicular de 44 genotipos diferentes de trigo de India y Austria. Con más de 6000 firmas metabólicas, se encontró una fuerte variabilidad genotípica, un patrón geográfico claro y una complejidad inesperada en el metaboloma del exudado radicular. Se desarrolló un nuevo ensayo de alto rendimiento con diferentes bacterias y arqueas oxidantes de amoníaco para la evaluación rápida de BNI, destacando las diferentes capacidades de inhibición e incluso promoción del crecimiento entre genotipos.
El análisis de redes y el análisis avanzado de aprendizaje automático y profundo identificaron combinaciones de 32 metabolitos asociados con una alta actividad de BNI, incluyendo fenilpropanoides, ácido sinápico, ácido siríngico y otros, así como flavonas glicosiladas, isoshaftósido y otras. Esto indica que la presencia simultánea de metabolitos específicos, en lugar de un solo compuesto, estimula la inhibición de la nitrificación en la rizosfera.
Las diferencias en la actividad de BNI entre genotipos de trigo clasificados como de primavera o de invierno sugieren que la arquitectura radicular modula la dinámica de exudación radicular y el potencial de inhibición de la nitrificación. La combinación única de análisis metabolómico de alto rendimiento y análisis rápido de BNI permite el cribado de grandes colecciones de germoplasma, requisito indispensable para incorporar BNI y caracteres relacionados en los programas de mejoramiento modernos.
En el segundo artículo, los investigadores proponen un flujo de trabajo detallado para establecer una comprensión molecular y mecanicista del holobionte del microbioma vegetal para abordar cuestiones urgentes como lograr una mayor eficiencia en el uso del nitrógeno en líneas de trigo de élite y suelos saludables hacia un agroecosistema más natural.
Un holobionte es un «superorganismo» holístico de plantas y microbiota, definido por asociaciones mutualistas, simbióticas y patógenas, así como por respuestas dinámicas a las condiciones ambientales. El holobionte también se ha descrito como un concepto en la evolución.
Por lo tanto, proponemos investigar con más detalle la variación genética natural del holobionte. El concepto de holobionte incluye el genotipo de la planta hospedante, sus endófitos y el principal reservorio de diversidad y actividad microbiana en la rizosfera y la filosfera. Los compuestos que atraen y seleccionan la microbiota preferida están presentes en los exudados radiculares, lo que contribuye significativamente a los procesos que promueven la microbiota selectiva para los órganos vegetales, tanto superficiales como subterráneos. Por ejemplo, la genética del trigo ( Triticum aestivum L. ) influye en el ensamblaje microbiano de la rizosfera, incluyendo la diversidad de comunidades de protozoos, bacterias y hongos, lo que a su vez influye en la mineralización y la nitrificación del suelo. La microbiota de la filosfera está vinculada al crecimiento vegetal a través de la fijación de N₂, la biosíntesis de diversas fitohormonas y la defensa de las plantas contra invasiones patógenas. La prevalencia de comunidades microbianas en la filosfera persiste, lo que sugiere que son específicas de cada planta y tienen importantes implicaciones agronómicas, enfatizan los autores del artículo.
Fuentes: Plant Biotechnology Journal, Tendencias en la ciencia de las plantas.
Arindam Ghatak et al., Variación natural del metaboloma del exudado radicular del trigo y su influencia en la actividad de inhibición biológica de la nitrificación, Plant Biotechnology Journal (2025). DOI: 10.1111/pbi.70248
Wolfram Weckwerth et al., Variación natural del holobionte para agroecosistemas sostenibles, Tendencias en la Ciencia de las Plantas (2025). DOI: 10.1016/j.tplants.2025.05.006
