Revelan nuevas claves para comprender la fijación biológica de nitrógeno en plantas de interés alimentario

Ciertas plantas –principalmente las leguminosas como poroto, soja, trébol, alfalfa, etc., pero también un grupo de arbustos y árboles denominados actinorrícicos– en simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno llamadas diazotrófos forman en sus raíces nódulos que le permiten tomar el nitrógeno del aire y asimilarlo en forma de amonio, para luego incoporarlo a las proteínas vegetales y a los ácidos nucleicos para su crecimiento. Las plantas, por su parte, le aportan a las bacterias diazotróficas el carbono que obtienen a través de la fotosíntesis de modo tal que haya un beneficio mutuo.

Las plantas que forman nódulos fijadores de nitrógeno en sus raíces ofrecen la posibilidad de crecer en suelos de baja fertilidad y su producción agrícola necesita menor cantidad de fertilizantes nitrogenados que otros cultivos, lo cual permite reducir de forma simultánea costos, impacto ecológico y utilización de combustibles no renovables.

“Debido a esta serie de ventajas ecológicas y económicas, existen desde hace décadas proyectos científicos y tecnológicos que buscan una mayor comprensión de los procesos de fijación biológica de nitrógeno que involucran plantas con el objetivo de poder optimizar la producción de alimentos. Si bien se lograron muchos avances, hasta ahora la posibilidad de aprovechar el nitrógeno atmosférico como nutriente sigue siendo exclusiva de las plantas que naturalmente desarrollan los nódulos radiculares”, cuenta Luis Wall, investigador principal del CONICET en el Departamento de Ciencia y Tecnología de la Universidad Nacional de Quilmes (UNQ) y especialista en el estudio de estos procesos.

“Uno de los objetivos de estas investigaciones es obtener la posibilidad de transferir la capacidad de formar nodulos radiculares fijadores de nitrógeno a otras plantas de interés para la alimentación, como el arroz, el trigo y el maíz, cuya producción necesita de la aplicación de fertilizantes nitrogenados”, afirma el investigador.

Detrás de este objetivo, un consorcio internacional de investigadores del que forma parte Wall se propuso entender cómo dentro de la rama del árbol de la vida que incluye a todas las especies de plantas que fijan nitrógeno, hay algunas que tienen esta propiedad y otras que no. Los resultados fueron publicados recientemente en la prestigiosa revista Science.

Las plantas que forman nodulos fijadores de nitrógeno pertenecen todas a una misma rama del árbol de la vida (el clado de las plantas con nódulos formadores de nitrógeno) es decir, proceden todas de un antepasado común. Sin embargo, dentro de este clado hay muchas especies que no tienen la posibilidad de fijar el nitrógeno atmosférico, de hecho sólo 10 de las 28 familias incluidas en el mismo abarcan especies que fijan nitrógeno en simbiosis con bacterias.

“Hasta ahora, la teoría evolutiva, para explicar esta dispersión de la propiedad simbiótica de fijar nitrógeno dentro de una misma gran rama del árbol de la vida, afirmaba la ganancia múltiple e independiente de esta función en diferentes tramos de las distintas ramificaciones. Es decir, postulaba que a partir de un antecesor común con predisposición a cumplir esa función biológica, algunos de sus descendientes, con diferentes grados de distancia, la habían ido incorporando a lo largo de la evolución”, relata Wall.

Para poder confirmar o descartar esta hipótesis, los investigadores secuenciaron el genoma de 10 especies pertenecientes a este clado (7 nodulantes y 3 no nodulantes) que se sumaron a una base de datos que incluía el genoma de otras 27 especies y realizaron un análisis comparativo.

“Los resultados obtenidos a partir de este análisis nos indican que, en realidad, es más sencillo explicar la distribución actual de la posibilidad de fijar nitrógeno por pérdidas genéticas claves a lo largo de la evolución que por ganancias independientes de la función”, afirma el investigador.

El estudio mostró que en 10 de las 13 plantas no nondulantes que fueron secuenciadas había huellas de la pérdida de función del gen que codifica para el regulador del nodulo fijador de nitrógeno. Este patrón sugiere que ocurrieron en el desarrollo evolutivo al menos 8 pérdidas independientes de la función de fijar nitrógeno en simbiosis con las bacterias diazotróficas.

“Este resultado indica que en el pasado la formación de nódulos fijadores nitrógeno entre las plantas debió ser más común que en la actualidad y que esta función se encuentra bajo una presión de selección adversa hasta ahora subestimada”, afirma Wall.

De acuerdo al investigador, esta investigación filogenética en el campo de la ciencia básica puede servir  de punto de partida para otras que tengan como objetivo el desarrollo de tecnologías destinadas a optimizar la producción de alimentos.

“El camino que se abre ahora es el de la búsqueda del número mínimo de genes que se deben transferir a otras plantas para que puedan formar nódulos y reducir la necesidad del uso de fertilizantes”, concluye el investigador.

También participo de la investigación Leandro Iamanishi, quien fue becario posdoctoral del CONICET hasta febrero de este año bajo la dirección de Wall.