Nuevo paradigma de la agricultura: Desarrollo de cultivos que fijen nitrógeno

La agricultura sostenible implica el uso de metodologías agrícolas ecológicas. Estas prácticas se aplican gracias al desarrollo previo de innovaciones científicas que deben ajustarse a una serie de condiciones: obtener alimentos de máxima calidad y saludables respetando el ecosistema mediante la utilización óptima de recursos naturales, hacer frente a las necesidades alimentarias actuales y futuras, y generar productos que sean económicamente accesibles para toda la población.

Desde la domesticación de los cereales por el hombre durante las revoluciones agrícolas, el maíz, el trigo y el arroz se posicionan como la principal fuente de carbohidratos de nuestra dieta. Actualmente, existen aproximadamente 8.000 millones de personas cuya alimentación depende de forma directa o indirecta de los cereales, lo que implica que la mayoría de los países desarrollados hayan incrementado de manera importante la superficie de tierra destinada al cultivo del cereal, llegando en 2019 a aproximadamente 730 millones de hectáreas.

Pero estas acciones no son suficientes ya que, en cereales, los rendimientos en la producción se incrementan fundamentalmente por la adición en los cultivos de fertilizantes nitrogenados que son sintetizados químicamente. El proceso químico de Haber-Bosch, que permite la conversión de nitrógeno gaseoso (N2) en amoniaco (NH3), fue el impulsor de la revolución verde (1950-1970). El suministro casi ilimitado de fertilizantes nitrogenados industriales obtenidos gracias a modificaciones en este proceso y, por tanto, el aumento en la producción agrícola, ha permitido el sustento de la explosión de población mundial. Sin embargo, no todo son beneficios a la hora de aplicar este tipo de fertilizantes para mejorar el rendimiento de las cosechas; existe un claro daño medioambiental debido a su utilización: consumo masivo de combustibles fósiles no renovables, producción de gases de efecto invernadero, deterioro y contaminación de las cuencas hidrográficas y otros ecosistemas terrestres por el proceso de escorrentía, alterando así la biodiversidad y el ciclo biogeoquímico del nitrógeno. En este punto hay que preguntarse si es posible disminuir, por un lado, la superficie que actualmente se destina al cultivo del cereal y por otro, la aplicación de fertilizantes nitrogenados industriales, a la vez que se aumenta la productividad de la cosecha, para abrirnos camino hacia una agricultura más sostenible.

El objetivo de generar plantas que produzcan su propio nitrógeno comenzó en la década de 1970, momento en el que empezó a desarrollarse la tecnología del DNA recombinante. La idea era transferir a los cereales ciertos genes microbianos para que éstos produjesen sus propios fertilizantes nitrogenados, reduciendo así la demanda de fertilizantes industriales. Debido a que se tenía conocimiento parcial de todos los genes que sustentan el proceso de fijación de nitrógeno y de su funcionamiento, después de más de 40 años, este ‘sueño’ permanece estancado.

Pero hace poco más de una década, gracias a la estrategia desarrollada por el Profesor Luis Rubio, miembro del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (UPM-INIA), se están consiguiendo importantes avances. Este complejo proyecto de bioingeniería, que comenzó en 2011 y que acaba de recibir la tercera financiación consecutiva por parte de la Fundación Bill & Melinda Gates, tiene como objetivo final conseguir que cereales como el arroz o el maíz adquieran la capacidad de usar el nitrógeno gaseoso del aire y transformarlo en formas de nitrógeno asimilables para la planta, sin disminuir la productividad de la cosecha.

Esquema de las formas que llega el nitrógeno asimilable a los cultivos. En la parte superior, se hace referencia al proceso industrial de Haber-Bosch, que implica un alto coste y graves problemas medioambientales. En la parte central se representa la llegada natural del nitrógeno a las plantas gracias a la acción de microorganismos diazótrofos mediante la fijación biológica del nitrógeno. Y en la parte inferior, se muestra el objetivo del proyecto: de forma similar que lo harían los microorganismos, los cereales fijarían su propio nitrógeno, disminuyendo así la cantidad de fertilizantes químicos y favoreciendo una agricultura sostenible y amigable con el medioambiente. (Imagen obtenida del laboratorio del Profesor Luis Rubio).

La fijación biológica del nitrógeno (FBN) es un proceso realizado exclusivamente por un conjunto diverso de microorganismos denominados diazótrofos (comedores de dinitrógeno). Estos organismos contienen los genes de fijación de nitrógeno (genes nif), que les permiten sintetizar una metaloenzima compleja que es extremadamente sensible al oxígeno, llamada nitrogenasa. La nitrogenasa tiene la capacidad de convertir el N2 presente en el aire en NH3 (de forma análoga al proceso de Haber-Bosch), controlando así la entrada de nitrógeno reactivo en los ecosistemas. La síntesis, el mecanismo catalítico y el ensamblaje de todos los componentes de la nitrogenasa son procesos que comparten características comunes en todos los diazotrófos. El conocimiento profundo de estos mecanismos se ha convertido en la base de la tecnología disruptiva que se está desarrollando en el laboratorio del Profesor Rubio para conseguir el reto fascinante de transferir los genes nif desde las bacterias a los cereales.

Las nitrogenasas comprenden dos componentes catalíticos. Una de estas proteínas, la llamada nitrogenasa reductasa o NifH, es la encargada se suministrar los electrones al otro componente, la dinitrogenasa o NifDK. Para que este proceso sea exitoso es necesario que no existan aportes de nitrógeno externo, que haya un gran suministro de energía, disponibilidad de hierro y molibdeno y ausencia total de oxígeno. Pero además existen toda una serie de proteínas accesorias de NifH y NifDK que son requeridas para el correcto ensamblaje e inserción de los centros metálicos, y activar así la catálisis. Y es por todo esto por lo que esta innovadora iniciativa resulta tan compleja. Aún así, los obstáculos en la investigación se están salvando exitosamente a lo largo de estos años. Entre los logros más importantes de estos investigadores, destacamos que, por un lado, se ha demostrado que una parte de la nitrogenasa (NifH) es activa cuando está alojada en compartimentos de la célula vegetal, como mitocondrias (dónde las presiones parciales de oxígeno son muy bajas) o cloroplastos (muy compatibles debido a que son enormemente similares a las bacterias). Por otro, se han llevado a cabo grandes avances en la biosíntesis de una de las proteínas esenciales en la biogénesis de la nitrogenasa en células de levadura. Esta proteína, llamada NifB, cataliza la formación del cofactor metálico que se alberga en NifDK y que es necesario para su activación.

Ahora bien, si en organismos modelo, como levaduras o plantas de tabaco, se ha avanzado bastante, resulta improbable que a corto plazo se obtengan resultados importantes. Tendremos que esperar varios años para seguir desarrollando el proyecto y conseguir cereales autofertilizados. Pero si bien en los últimos años el aporte innovador en el proceso de la FBN se centraba en mejorar genéticamente inoculantes microbianos asociados a las raíces de las plantas para conseguir el aporte de nitrógeno, todos estos resultados están abriendo un nuevo modelo en la agricultura basado en que sea la planta cultivada la que fije su propio nitrógeno.