Plantas que se fertilizan a sí mismas: La revolución verde

Los fertilizantes nitrogenados permiten alimentar a la creciente población mundial, pero también son costosos, dañan los ecosistemas y requieren mucha energía para su fabricación. Sin embargo, algunas plantas han desarrollado la capacidad de producir su propio nitrógeno con la ayuda de bacterias. Un nuevo estudio ayuda a explicar cómo lo hicieron, no una, sino varias veces.

Según la autora principal, Heather Rose Kates, que llevó a cabo la investigación mientras trabajaba como asociada postdoctoral en el Museo de Historia Natural de Florida, esta es una información crucial para los investigadores que esperan criar nuevas plantas que puedan obtener su propio nitrógeno. 

“Los esfuerzos de mejoramiento de cultivos y mejoramiento a menudo se centran en una sola especie modelo, lo que puede pasar por alto el contexto evolutivo de los rasgos”, dijo. En lugar de aprender todo lo posible sobre cómo una especie produce nitrógeno en aras de la rapidez, este estudio sugiere que puede haber varias vías genéticas diferentes que deberían probarse. “Solo mirar lo que podrías considerar como una versión del rasgo podría limitar la efectividad de la ingeniería de ese rasgo en otras plantas”.

El nitrógeno es esencial para toda la vida en la Tierra, lo que puede dificultar su obtención. La fuerte competencia por el elemento en los entornos naturales a menudo significa que no hay suficiente para todos, a pesar de que el nitrógeno es abundante en la atmósfera. Hasta el 78% del aire que respiramos está compuesto por nitrógeno que está encerrado en una forma molecular que muy pocos organismos vivos pueden usar directamente. Las únicas células de la Tierra capaces de “fijar” el nitrógeno atmosférico son los microbios conocidos como diazótrofos.

Algunas plantas han usado eso para su ventaja. Alrededor de 17,000 especies de plantas forman una relación mutualista con los diazótrofos. Cuando estos microbios infectan las raíces, la planta forma estructuras en forma de botón, llamadas nódulos, a su alrededor. En el interior, las bacterias reciben azúcar para crecer, y a cambio proporcionan a su planta huésped nitrógeno en una forma utilizable.

Esta relación mutualista se limita principalmente a un grupo de plantas estrechamente relacionadas conocidas como el clado fijador de nitrógeno, pero incluso entre estas especies relacionadas, el rasgo solo está presente de forma intermitente. La mayoría de las plantas con simbiosis fijadora de nitrógeno son leguminosas, o miembros de la familia de las leguminosas, un grupo que incluye cultivos como la soja, los cacahuetes y el trébol. Los pocos ejemplos de no leguminosas que pueden formar nódulos incluyen miembros de la familia de los abedules, la familia de las rosas y parientes de la familia de las calabazas.

La producción de nódulos es un proceso genéticamente complejo, lo que ha llevado a muchos investigadores a teorizar que el rasgo evolucionó solo una vez en este grupo de plantas estrechamente relacionadas. Si eso es cierto, podría significar que hay un solo interruptor en el código genético de las plantas, que también podría activar la capacidad de nodular en especies que carecen de este rasgo, como muchos cultivos agrícolas. 

“Cuando un rasgo involucra muchos genes y también tiene un alto costo para la planta en términos de energía, lo cual sabemos que la formación de nódulos en las raíces sí, esperamos que haya una fuerte presión selectiva contra la evolución de ese rasgo. Entonces, en ese contexto, una hipótesis de origen único tiene sentido”, dijo Kates.

Kates y sus colegas probaron esta idea recreando la historia evolutiva de las plantas nodulantes y sus parientes cercanos con datos genéticos. Analizaron secuencias de ADN de casi 15,000 especies y generaron, hasta la fecha, el árbol de la vida más grande construido desde cero para este o cualquier otro grupo.

Los esfuerzos anteriores para determinar la cantidad de veces que evolucionó la nodulación se vieron obstaculizados por la gran cantidad de datos que necesitaban analizarse. El equipo trabajó con tantas especímenes de herbario que terminaron desarrollando un método completamente nuevo para organizar la información.

“Básicamente, tuvimos dos años para ensamblar 15,000 muestras de tejido del clado fijador de nitrógeno, secuenciarlas y construir un árbol”, dijo Robert Guralnick, coautor del estudio y curador de informática de la biodiversidad en el Museo de Florida. 

Muchos de los especímenes también eran viejos, recolectados hace casi un siglo, lo que significaba que su ADN a menudo estaba degradado o dañado. “Pero nuestros enfoques para la extracción y secuenciación se ajustaron a esos problemas”, dijo Guralnick. “Nos sorprendió bastante la calidad y cantidad de recuperación y datos genéticos utilizables de nuestras muestras”.

Sus resultados sugieren que la nodulación evolucionó en un proceso de dos pasos. El ancestro del grupo desarrolló el conjunto de herramientas genéticas básicas necesarias para producir nódulos, que transmitió a todos sus descendientes. 

Pero se necesitaron instrucciones adicionales para poner en marcha la maquinaria y hacer que los nódulos crecieran realmente. Este segundo rasgo evolucionó no una, sino al menos 16 veces. Y solo porque una especie ganó la capacidad de crecer nódulos no significaba que la mantuviera para siempre; las plantas del grupo perdieron sus nódulos en 10 ocasiones diferentes. 

Estos hallazgos sugieren que la nodulación no está controlada por un solo interruptor genético, sino por algo más similar a un interruptor de circuito complejo. Para que una planta crezca nódulos, se deben activar varios interruptores.

Los investigadores pudieron identificar y secuenciar muchos de los genes involucrados en el crecimiento de los nódulos. El siguiente paso será determinar cómo funcionan estos genes y exactamente qué rasgos codifican.

“El objetivo general es utilizar lo que aprendimos de estos estudios evolutivos para ayudarnos a comprender la genética subyacente y los procesos involucrados en la simbiosis fijadora de nitrógeno, y luego usar esa información para la ingeniería”, dijo la coautora del estudio Pam Soltis, curadora del Museo de Florida.

La mayoría de los cultivos comerciales, como el trigo y el arroz, no pueden formar nódulos y deben depender del fertilizante nitrogenado. Muchos estudios sobre la bioingeniería del rasgo nodulante están modelados según las leguminosas, pero Doug Soltis, curador del Museo de Florida y coautor del estudio, dijo que este puede no ser el mejor enfoque. 

“Nuestro árbol filogenético sugiere que es posible que desee buscar otros modelos. La fijación de nitrógeno puede haber evolucionado de manera diferente en las leguminosas que en la familia de las rosas o la familia de los abedules, por lo que puede haber diferentes mapas de ruta”, dijo Doug Soltis.

Los autores publicaron su estudio en la revista Nature Communications.

Brian C. O’Meara de la Universidad de Tennessee, Knoxville; Raphael LaFrance del Museo de Historia Natural de Florida; Gregory W. Stull, Shui-Yin Liu, Qin Tian y Ting-Shuang Yi de la Academia China de Ciencias; Euan K. James del Instituto James Hutton; Daniel Conde de la Universidad Politécnica de Madrid; Matias Kirst de la Universidad de Florida; Jean-Michel Ané de la Universidad de Wisconsin-Madison y Ryan A. Folk de la Universidad Estatal de Mississippi también son autores del artículo.