La conversación entre plantas y suelo.


Para un niño, la tierra es sólo tierra: un hogar para las lombrices. Para un jardinero, el suelo es una colección de materia orgánica y nutrientes. 


por Daryl Holland, Universidad de Melbourne


Pero para las plantas, el suelo es un foco de actividad química. Y las plantas no sólo observan, sino que participan activamente en esta actividad.

Las plantas liberan sustancias químicas en el suelo, llamadas exudados, que indican a los microbios que activen o desactiven ciertos procesos químicos. Los científicos están empezando a comprender estas señales y esperan explotarlas para mejorar la eficiencia, la sostenibilidad y el impacto ambiental de la industria agrícola de un billón de dólares.

Los tres principales nutrientes que las plantas necesitan para crecer son el carbono, el nitrógeno y el fósforo. Las necesidades de carbono de una planta provienen del aire en forma de dióxido de carbono, pero las necesidades de nitrógeno y fósforo provienen del suelo y, a menudo, el nitrógeno es el elemento que escasea naturalmente y, por lo tanto, para aumentar sus rendimientos, los agricultores agregan nitrógeno al suelo.

El fertilizante nitrogenado artificial es un componente esencial de un sistema agrícola que alimenta a más de 7 mil millones de personas, pero conlleva un enorme costo ambiental. A medida que la población crece y los hábitos alimentarios cambian hacia dietas más basadas en carne, la contaminación por nitrógeno parece convertirse en un problema aún mayor.

Luchar contra la contaminación por nitrógeno

“Es sorprendente hasta qué punto nos hemos entrometido en el ciclo del nitrógeno a nivel mundial”, afirma el profesor Herbert Kronzucker, director de la Escuela de Biociencias de la Universidad de Melbourne.

“210 millones de toneladas de nitrógeno al año se extraen de la atmósfera y se convierten en una forma sólida de nitrógeno a través de las actividades humanas. Y la mayor parte termina como fertilizante en el suelo agrícola.

“Pero menos de la mitad de esto realmente puede ser capturado por las plantas. El resto se pierde en la atmósfera como gas nitrógeno o óxido nitroso, gas de efecto invernadero, o se filtra a los cursos de agua, donde es un contaminante importante.

“En Estados Unidos, más de la mitad de todos los lagos se ven gravemente afectados por el exceso de nitrógeno o fósforo”.

Pero, ¿qué pasaría si en lugar de añadir más y más nitrógeno al suelo, ayudamos a las plantas a utilizar mejor el nitrógeno que ya está allí?

El profesor Kronzucker y sus colegas de la Universidad de Toronto, la Universidad Laval y la Academia China de Ciencias están buscando cultivos que se comuniquen con el suelo de una manera que reduzca sus necesidades de nitrógeno.

“Nos interesamos por la relación entre las sustancias químicas de las plantas y el impacto que tienen sobre los microbios del suelo”, dice el profesor Kronzucker.

intromisión humana

El nitrógeno adopta muchas formas químicas. Las formas más útiles para el crecimiento de las plantas son el nitrato (NO3-) y el amoníaco (NH3). Los procesos químicos en el suelo transforman el nitrógeno entre estas y otras formas.

Un ejemplo es un proceso llamado nitrificación, que convierte el amoníaco en nitrato. El nitrato es problemático en el suelo porque, si bien a las plantas les encanta, no se queda como el amoníaco. Tiende a disolverse en agua y se elimina del suelo mediante la lluvia y el agua subterránea. Además, los microbios del suelo convierten el nitrato en gas nitrógeno, que es inútil para las plantas.

Todos estos procesos son reversibles y, finalmente, el gas nitrógeno regresa al suelo mediante otro proceso microbiano llamado fijación de nitrógeno, pero este proceso es demasiado lento para los sistemas agrícolas industriales. Los agricultores tienen que seguir añadiendo más y más nitrógeno, y normalmente esto es en forma de fertilizantes nitrogenados artificiales.

Estos fertilizantes se producen mediante un proceso industrial que consume mucha energía y que “fija” el gas nitrógeno convirtiéndolo en amoníaco. Este proceso, llamado proceso Haber-Bosch, fue un factor importante en la Revolución Verde que comenzó en la década de 1960 y ahora proporciona alimentos a más de 7 mil millones de personas.

En los últimos años, la actividad humana ha más que duplicado la cantidad de nitrógeno que ingresa al suelo de la Tierra. Y la mitad de este nitrógeno adicional se desperdicia. Pero el profesor Kronzucker dice que no tiene por qué ser así.

Las plantas que crecen en áreas con disponibilidad de nitrógeno baja o intermitente producen exudados que pueden bloquear o mejorar las transformaciones de nitrógeno del suelo para mejorar la absorción de nitrógeno cuando la disponibilidad de nitrógeno del suelo es baja.

La conversación entre plantas y suelo.
Un tractor aplica fertilizante nitrogenado a los cultivos de maíz. Crédito: Wikimedia

El potencial de los exudados vegetales.

El profesor Kronzucker comenzó a estudiar cómo interactúan los exudados de las plantas con la química del nitrógeno del suelo en los árboles forestales de Canadá. Pero desde entonces se ha interesado más en la forma en que funciona esta interacción con las principales plantas cultivadas del mundo.

El año pasado, su grupo publicó su investigación sobre los exudados vegetales del arroz.

“El arroz alimenta a tres mil millones de personas, pero no se ha investigado sus exudados vegetales”, afirma el profesor Kronzucker.

Descubrieron que todas las cepas de arroz que probaron tenían exudados que podrían afectar el nitrógeno del suelo.

“Se trata de un cambio de paradigma. Dondequiera que miremos, encontramos algo”, afirma el profesor Kronzucker.

A continuación, el equipo se dedicó a revisar todos los estudios existentes sobre exudados de plantas en arroz, trigo y maíz. Estaban particularmente interesados ​​en sustancias químicas que inhiben específicamente la nitrificación, el proceso que convierte el amoníaco en nitrato.

Este trabajo está publicado en Nature Plants .

Descubrieron que se sabe muy poco sobre estos inhibidores biológicos de la nitrificación (BNI) en los exudados de raíces del trigo y el maíz, los dos mayores cultivos mundiales después del arroz. De hecho, no se sabe nada sobre las BNI en el maíz.

A partir de su experiencia con el arroz, el profesor Kronzucker cree que estos exudados se encuentran en el trigo y el maíz, sólo hay que buscarlos.

A medida que comprendamos mejor cómo las plantas se comunican con el suelo, estos descubrimientos podrían conducir a nuevas técnicas agrícolas, aditivos artificiales para el suelo o modificaciones genéticas para producir variedades de cultivos que puedan limitar la pérdida de nitrógeno. Sin embargo, el profesor Kronzucker dice que existe un “enorme potencial” simplemente examinando cultivares existentes de arroz, trigo y maíz en busca de “superestrellas del nitrógeno”.

“Si se hace bien el trabajo de detección con los tipos de genotipos que existen, no es necesario analizar la modificación genética”, afirma.

Una nueva revolución verde

Al profesor Kronzucker no le sorprende que los exudados de las raíces del arroz, el trigo y el maíz sean tan poco conocidos. En los países desarrollados, los fertilizantes nitrogenados son relativamente baratos y ha habido pocos incentivos para que los agricultores dediquen tiempo o esfuerzo a reducir su uso de fertilizantes. Por lo tanto, ha habido pocos incentivos o fondos para que la investigación ayude en esto. El profesor Kronzucker cree que esto cambiará.

“Ahora tenemos límites de carbono: tenemos formas de reducir las emisiones de carbono. Necesitamos formas similares de reducir las emisiones de nitrógeno. Las buenas prácticas deberían ser recompensadas y las malas prácticas deberían penalizarse”.

Espera que esto conduzca a una nueva revolución verde.

“Desde el inicio de la revolución verde en la década de 1960 hemos visto un éxito fenomenal en el rendimiento. Pero debido a que los fertilizantes estaban tan fácilmente disponibles, la mayoría de los cultivares se desarrollaron en sistemas con altos niveles de nitrógeno y fósforo, no bajo limitación de nutrientes.

“Ahora hay un cambio hacia cultivares que son eficientes en nutrientes. En algunas partes del planeta los agricultores hacen esto por necesidad, no tienen otra opción. En África es típico trabajar en condiciones de escasez de nutrientes”.

El profesor Kronzucker dice que en lugares como África es donde se encontrarán las “superestrellas del nitrógeno”.

“En estos lugares hay muchos tesoros que los agricultores han seleccionado”.

Más información: Devrim Coskun et al. Transformaciones de nitrógeno en la agricultura moderna y el papel de la inhibición biológica de la nitrificación, Nature Plants (2017). DOI: 10.1038/nplantas.2017.74