Recientes investigaciones revelan el origen y la evolución de las asociaciones simbióticas entre ciertas plantas y las bacterias del suelo para utilizar el nitrógeno del aire. A largo plazo, estos conocimientos podrían contribuir al desarrollo de una agricultura sostenible, con un bajo uso de abonos químicos.
El análisis comparativo del genoma de varias plantas permite entender mejor el origen de las simbiosis radiculares. Este fenómeno natural asocia cierto tipo de plantas con bacterias del suelo capaces de absorber el nitrógeno atmosférico. Esta asociación optimiza notablemente la nutrición mineral de las plantas implicadas.
«A pesar de la clara ventaja que aporta esta asociación simbiótica, solo las leguminosas y otras especies emparentadas de los órdenes Fagales, Rosales y Cucurbitales son capaces de desarrollarla —explica Valérie Hocher, fisióloga molecular vegetal del IRD—. Un consorcio científico internacional 1 ha optado por estudiar este tema a través de un enfoque filogenómico, que combina el estudio de la genómica, los grados de parentescos y la evolución, para entenderlo mejor 2».
El nitrógeno es un elemento vital para todos los seres vivos. Aunque casi el 80 % de la atmósfera está compuesta por nitrógeno, las plantas no son capaces de utilizarlo directamente en forma gaseosa. Deben extraerlo del suelo en una forma asimilable. Por lo tanto, son sensibles a la abundancia natural de nitrógeno en el suelo o al enriquecimiento mediante abonos nitrogenados, que la industria química sintetiza utilizando energías fósiles.
Algunas especies vegetales establecen asociaciones con bacterias diazótrofas, que les permiten crecer en medios pobres en nitrógeno aprovechando las reservas inagotables de la atmósfera. Para ello, desarrollan órganos radiculares específicos, llamados nódulos, que permiten la transferencia a la planta del nitrógeno atmosférico, previamente convertido a una forma asimilable gracias a la acción de las bacterias simbiontes.
«Para entender los mecanismos evolutivos que originaron las simbiosis fijadoras de oxígeno, hemos comparado el genoma de 37 especies, parte de ellas capaces de desarrollar esta asociación», indica la investigadora. El estudio se ha centrado en 27 especies procedentes de bases de datos genómicas y 10 de leguminosas, Fagales, Rosales y Cucurbitales secuenciadas para esta investigación.
Estos análisis han confirmado la predisposición a formar simbiosis fijadoras de nitrógeno de un ancestro común a todas las especies capaces de desarrollar nódulos. La comparación de los genomas ha revelado un resultado sorprendente: muchas especies, algunas de ellas de interés agronómico, como la manzana o la fresa, perdieron la capacidad de formar simbiosis fijadoras de nitrógeno. Lo demuestra la presencia de un gen, que ya se había identificado por su función esencial en el proceso de asociación con las bacterias. Este gen, denominado NIN, se encuentra en el genoma de todas las plantas que forman nódulos radiculares. Por el contrario, no aparece o aparece de forma fragmentada en el genoma de la mayoría de las especies estudiadas incapaces de desarrollar en la actualidad esta simbiosis.
Todavía no se ha encontrado explicación a la pérdida de esta capacidad ventajosa. Sin embargo, sugiere que la disposición simbiótica podría haber sido desfavorable en ciertas circunstancias. Una hipótesis avanzada plantea que podría deberse a la presencia de bacterias parásitas «tramposas», que se aprovecharían de la simbiosis sin aportar nitrógeno. En ese caso, la pérdida de este carácter constituiría un rasgo selectivo ventajoso.
«El alcance de estas investigaciones no se limita al conocimiento de la evolución de las plantas —precisa la fisióloga—. Se enmarca en la dinámica que defiende una agricultura sostenible, con un uso limitado de abonos químicos, y apunta a la transferencia o la utilización de las simbiosis fijadoras de nitrógeno en beneficio de las principales especies cultivadas de interés agronómico». Puede que los cereales del futuro crezcan sin el aporte de abonos sintéticos gracias a una bacteria simbionte…
1 Agrupa a trece instituciones de ocho países, entre ellas el equipo del IRD «Simbiosis de las plantas actinorrícicas tropicales», del UMR LSTM 040
2 M. Griesmann, Y. Chang, X. Liu, Y. Song, G. Haberer, M. B. Crook, B. Billault-Penneteau, D. Lauressergues, J. Keller, L. Imanishi, Y. P. Roswanjaya, W. Kohlen, P. Pujic, K. Battenberg, N. Alloisio, Y. Liang, H. Hilhorst, M. G. Salgado, V. Hocher, H. Gherbi, S. Svistoonoff, J. J. Doyle, S. He, Y. Xu, S. Xu, J. Qu, Q. Gao, X. Fang, Y. Fu, P. Normand, A. M. Berry, L. G. Wall, J-M. Ané, K. Pawlowski, X. Xu, H. Yang, M. Spannagl, K. F. X. Mayer, G. K. Wong, M. Parniske, P.-M. Delaux y S. Cheng (2018). Phylogenomics reveals multiple losses of nitrogen-fixing root nodule symbiosis [La filogenómica revela múltiples pérdidas de simbiosis de nódulos radiculares fijadoras de oxígeno], Science, 24 de mayo de 2018