Algunos microorganismos son capaces de transformar el nitrógeno molecular en nitrógeno combinado mediante un complejo proceso denominado fijación biológica. Este proceso está considerado, después de la fotosíntesis, como el proceso bioquímico más importante en el mantenimiento de la vida en la Tierra, siendo crucial en el mantenimiento del ciclo biogeoquímico del nitrógeno. Su potenciación en agricultura aminoraría el gasto que representa la fertilización nitrogenada, así como los peligros que su abuso conlleva.

En este sentido, un equipo de científicos de la Universidad de Salamanca, adscrito al Departamento de Microbiología y Genética y coordinado por el investigador del Centro Hispano Luso de Investigaciones Agrarias de la institución académica, Pedro Mateos González, ha identificado una molécula clave en el desarrollo de la simbiosis fijadora de nitrógeno entre leguminosas y la bacteria Rhizobium.

El hallazgo, que supone un importante paso en el impulso del uso de biofertilizantes microbianos en los cultivos agrícolas en detrimento de los químicos, ha sido recogido por la prestigiosa revista PNAS, del órgano oficial de la Academia de las Ciencias de Estados Unidos, que ocupa el tercer lugar en el ISI dentro del área Multidisciplinary Sciences tras las reconocidas Science y Nature.

Se trata de la primera vez que un grupo salmantino publica en esta revista un trabajo realizado y dirigido exclusivamente en la Usal. Existen otras publicaciones en esta revista de autores salmantinos, pero como colaboraciones a un trabajo principal desarrollado en otro centro de investigación.

Los investigadores de la Usal, mediante técnicas de genética reversa, han localizado, caracterizado, bloqueado y complementado un gen (celC2) que la bacteria fijadora de nitrógeno Rhizobium requiere para establecer la interacción simbiótica con su planta hospedadora, siendo ayudada de esta forma en su nutrición.

La celulasa CelC2 es la molécula clave a la hora de permitir la entrada del microorganismo en la planta. Se trata de una celulasa muy específica, ligada a la bacteria, cuya función es romper la celulosa de la pared de la célula vegetal sin que sufra daño y creando un portal de entrada por el que la bacteria penetra al interior de la raíz, lo que se constituye en una etapa esencial del proceso de fijación.

Para el estudio los científicos salmantinos han tomado como modelo el estudio de la simbiosis entre Rhizobium y el trébol, gracias a la cual identificaron de forma inequívoca la proteína y gen responsables de esa función tan concreta, observando cómo la bacteria coloniza los pelos de la raíz, que se curvan y la atrapan.

Concretamente, el equipo del profesor Mateos realizó una purificación bioquímica de la enzima y la caracterizó, viendo cómo actuaba. Seguidamente, para confirmarlo, recurrieron a la Biología Molecular creando mutantes en los que eliminaron el gen en cuestión y comprobaron su función biológica. La investigación confirma que el proceso de infección se detiene cuando se bloquea dicho gen (sintetizando una proteína incorrecta) y vuelve a funcionar cuando se introduce de nuevo el gen, sintetizando la proteína correcta.

Con los resultados los expertos de la Universidad han podido constatar que la bacteria Rhizobium sólo ayuda a la nutrición de las leguminosas, es decir, no supone un peligro para la planta, y han averiguado el mecanismo por el cual ocurre, lo que abre nuevas vías al posible desarrollo de la misma técnica para otros cultivos.

De hecho, los científicos ya han ensayado con éxito en cultivos como la fresa, el arroz o la cebada obteniendo satisfactorios resultados, no debidos exclusivamente al proceso de fijación de nitrógeno, y que suponen sus nuevos retos de investigación en el área.

Nitrógeno y fertilizantes químicos

El nitrógeno es, junto con el agua, el nutriente que limita la producción agrícola. Esto es debido a que las plantas sólo pueden asimilar el nitrógeno en forma combinada, como amonio o nitratos. En la agricultura actual hay un uso masivo de fertilizantes químicos que están ocasionando serios perjuicios al medioambiente por lo que resulta evidente la necesidad de desarrollar una agricultura respetuosa con el medio natural.

Los fertilizantes químicos han sido responsables de una revolución en la agricultura que permitió incrementar la producción agrícola y satisfacer la demandas de alimentos generada por el incremento de la población mundial en el último siglo.

Actualmente, las directivas europeas, nacionales y regionales impulsan el mejor aprovechamiento de los recursos microbianos del suelo que promuevan el crecimiento de las plantas.

Grupo Interacciones Planta-Microorganismo de la Universidad de Salamanca

El equipo de investigación que desarrolla la iniciativa fue creado hace 25 años por el catedrático de Microbiología Eustoquio Martínez y forma parte del Grupo Interacciones Planta-Microorganismo de la Universidad de Salamanca, reconocido como Grupo de Excelencia por la Junta de Castilla y León. En la actualidad algunos de sus miembros están integrados en el Centro Hispano Luso de Investigaciones Agrarias de la institución académica (CIALE).

Asimismo, en la investigación han colaborado científicos de la Estación Experimental del Zaidín (CSIC, Granada) y de la Michigan State University.