El potencial de la microbiota vegetal para alimentar al mundo

Escrito por Elizabeth García-Cárdenas y León Francisco Ruíz-Herrera

Ilustación: Isabel Padilla

La antesala de un desastre

Actualmente, el cambio climático global es un factor que ha modificado rápidamente las condiciones de vida de todos los organismos del planeta; es un fenómeno ocasionado por la acumulación de distintos gases en la atmósfera que retienen el calor y, en consecuencia, modifican la temperatura de los ecosistemas. Esta situación es alarmante, principalmente porque el incremento de estos gases (dióxido de carbono, óxido nitroso, metano y otros compuestos industriales) está relacionado al aumento de la población humana y sus actividades.

Un evento preocupante es el incremento de las zonas áridas o desertificación que amenaza la productividad agrícola y, por tanto, la disponibilidad de alimentos para una población mundial en constante crecimiento. En este escenario tan preocupante, ¿qué tipo de soluciones podrían aplicarse para mejorar la adaptabilidad y productividad de los cultivos?

Imaginemos las condiciones ambientales de una zona hostil para la vegetación como lo es un desierto: altas temperaturas, deficiencia de agua, suelos arenosos, salinos y alcalinos. Considerando en conjunto estos factores que limitan las formas de vida, es sorprendente ver la presencia de plantas en estos lugares, ¿cómo logran sobrevivir?, ¿cómo obtienen los nutrientes? La respuesta puede ser la solución ante el inminente cambio climático global.

Fotografía de E. García Cárdenas. 

La importancia de la microbiota vegetal

Las plantas poseen características distintas de acuerdo al tipo de ambiente en el que se desarrollan. En un desierto encontraremos que las plantas desarrollan hojas con forma de espinas, reducción del tamaño de sus órganos, desarrollo de raíces muy largas y actividad de fijación de dióxido de carbono al alba y al atardecer para disminuir la pérdida de agua; sin embargo, la clave de su supervivencia va más allá de lo que se puede ver a simple vista… ¡Está en el suelo!

Dentro y fuera de los tejidos de las plantas podemos encontrar una gran diversidad de microorganismos, pero los que residen en las raíces son los más abundantes. Hay una estrecha asociación de las raíces con los microorganismos que habitan el suelo, entre ellos se pueden identificar bacterias, hongos y protistas, tanto benéficos como patógenos, los cuales conforman la «microbiota». El ser humano, las plantas y todo tipo de organismos multicelulares dependen de su microbiota para sobrevivir, conformando asociaciones simbióticas.

La simbiosis como clave para la supervivencia

Una simbiosis es una interacción muy estrecha que ocurre entre poblaciones de especies distintas, en las que el huésped y su simbionte obtienen un beneficio que es imprescindible para su supervivencia. En las asociaciones simbióticas mutualistas ambos se benefician, por ejemplo, entre plantas y microorganismos benéficos podemos mencionar a los líquenes (hongos-algas), la fijación de nitrógeno en leguminosas por Rhizobium (raíces-bacterias) y a las micorrizas (raíces-hongos).

 

¿Qué hace la microbiota benéfica para estimular el crecimiento de la planta?

En la naturaleza, las asociaciones simbióticas mutualistas de las micorrizas y las rizobacterias, solubilizan nutrientes produciendo compuestos muy diversos y facilitando su captación por las plantas, a su vez, las plantas les proporcionan carbono orgánico en forma de carbohidratos, aminoácidos y otros compuestos orgánicos nutritivos a través de los exudados de las raíces. Numerosos estudios han demostrado que estos exudados actúan como señales químicas que funcionan como atrayentes de grupos específicos de bacterias benéficas, moldeando así su propia microbiota. Por ejemplo, las leguminosas exudan flavonoides para atraer bacterias del grupo de Rhizobium, al ser percibidos, Rhizobium expresa genes del factor NodD, que son los responsables del proceso de nodulación para iniciar la internalización de la bacteria en las raíces y fijar el nitrógeno atmosférico.

Fotografía de E. García Cárdenas. 

La superficie de suelos para la agricultura en el mundo es muy limitada

Los principales cultivos en el mundo son trigo, maíz y arroz, pero no todos los suelos son adecuados para cultivarlos. En América Latina, solo siete países cuentan con suelos idóneos para la agricultura; México se encuentra en segundo lugar después de Argentina, por esta razón, es indispensable hacer un buen uso de esos suelos para cubrir la demanda de alimentos. Mundialmente, los suelos presentan deficiencias nutrimentales que limitan la productividad agrícola, siendo los principales nutrientes carentes el nitrato, el amonio, el hierro y el fosfato, por esta razón, los fertilizantes los contienen y se aplican en grandes cantidades. Así, el impacto por el uso prolongado y abundante de agroquímicos, ha puesto en la balanza la productividad agrícola contra la integridad de los recursos naturales y la diversidad microbiana de los suelos.

Debido a esta problemática, las soluciones van encaminadas al conocimiento de las interacciones planta-microorganismo en su ambiente natural para utilizar su potencial en las prácticas agrícolas. La facilitación de los cuatro macronutrientes esenciales mencionados, ocurre por la actividad microbiana de la siguiente manera:

 

  1. a) Rhizobium forma nódulos en las raíces de leguminosas para transformar el nitrógeno atmosférico en nitrato y amonio. Otras bacterias como Azospirillum, Frankia y Azotobacter fijan el nitrógeno sin internalizarse en la planta.
  2. b) La mayoría de las bacterias y hongos captan el hierro, un elemento limitante para las plantas a través de la producción de sideróforos, compuestos orgánicos de bajo peso molecular de alta afinidad al hierro.
  3. c) Para obtener fosfato, producen enzimas llamadas «fosfatasas» que lo liberan cuando está unido a otras moléculas o es solubilizado por ácidos orgánicos que acidifican el suelo, haciéndolo disponible. Pseudomonas, Bacillus sp. y las micorrizas, son buenos candidatos solubilizadores de este nutriente.

La aplicación de fertilizantes tiene limitaciones para continuar su uso debido al exceso de nutrientes que contienen, los cuales no son asimilados eficientemente por las plantas, lo que provoca con el tiempo la contaminación de los suelos y cuerpos de agua.

 Fotografía de E. García Cárdenas.

Herramientas de defensa

La microbiota del suelo es también responsable de prevenir enfermedades y de mejorar el sistema inmune de las plantas. La epidermis, tricomas, cutícula cerosa, pared celular y corteza son algunas barreras de protección que exhiben las plantas. Pueden detectar sustancias o componentes microbianos tóxicos (flagelina, quitina) a través de receptores, desencadenando una respuesta de señalización celular para producir compuestos antimicrobianos y fortalecer su sistema inmune; sin embargo, la interacción con microorganismos benéficos les confiere una ventaja extra, ¡les permite activar su inmunidad y estar alerta antes de ser atacadas estimulando su defensa!

Los exudados de las raíces permiten reclutar microorganismos específicos que atacan a los patógenos a través de la producción de antibióticos y otros compuestos antimicrobianos. La planta de jitomate, por ejemplo, produce ácido láctico y ácido hexanoico para atraer Bacillus cereus y reducir el daño por la bacteria Ralstonia solanacearum que causa la marchitez.

Con base en estas características que posee la microbiota vegetal en los procesos de nutrición y defensa, se han aislado y estudiado microorganismos sobresalientes para aplicarse como biofertilizantes en distintos cultivos. Ejemplo de ello son las micorrizas del grupo Glomeromycota, las bacterias Rhizobium sp, Azospirillum sp, Pseudomonas sp, Bacillus sp y hongos del género Trichoderma sp.

 

Un futuro alentador

Los agroquímicos han mejorado el rendimiento agrícola con consecuencias negativas al ambiente a lo largo de su implementación, por lo que se tienen que considerar otras soluciones prácticas viables para reducirlos o sustituirlos. Los biofertilizantes son excelentes herramientas de bajo costo y de mínimo impacto ambiental, contienen agregados de microorganismos vivos que mejoran y estimulan la nutrición e inmunidad en las plantas. Por estas propiedades, necesitan ser explorados ampliamente para utilizarse como prioridad en el campo. Las limitaciones del uso de biofertilizantes radican en la composición del suelo, el pH, la salinidad, el tipo de cultivo y su composición microbiana, los cuales pueden afectar considerablemente su adecuado establecimiento y colonización en el suelo y la planta, disminuyendo su efectividad, razón por la cual su uso no ha logrado reemplazar totalmente la fertilización.

Reforzar la investigación para abarcar todas las variables que comprometan su eficiencia, resultará en una nueva revolución verde que cubra la demanda de alimento y conduzca a la preservación de los recursos naturales.

Ahora, cada vez que veas una planta crecer en ambientes desérticos, muy fríos, en suelos muy salinos y ácidos, sabrás que no están confrontando esas condiciones solas, es seguro que su microbiota es la responsable de ayudarlas a sobrevivir.

 

La naturaleza tiene todas las respuestas,

adentrarse a descubrir sus secretos y aplicarlos

en la vida cotidiana es la forma más

divertida e interesante del aprendizaje.

 

 

Para Saber Más:

Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO). Portal de Suelos de la FAO. http://www.fao.org/soils-portal/soil-biodiversity/es/

 

NASA. Las causas del cambio climático. Animación simplificada del efecto invernadero. Crédito: NASA/JPL-Caltech. https://climate.nasa.gov/causas/

Moreno-Reséndez A., García-Mendoza A., Reyes-Carrillo J.L., Vásquez Arroyo J. y Cano-Ríos P. (2018). Rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal: una alternativa de biofertilización para la agricultura sustentable. Rev. Colomb. Biotecnol., 20(1), 68-83.

 

Rosenberg E. y Zilber-Rosenberg I. (2016). Microbes drive evolution of animals and plants: the hologenome concept. mBio, 7(2). DOI: 10.1128/mBio.01395-15

 

León Francisco Ruíz Herrera es Ing. Biotecnólogo Ambiental (UAG), Maestro y Doctor en Ciencias en Biología Experimental, egresado de la UMSNH; además, Maestro en Nutrición y Doctor en Educación. Actualmente, se desempeña como Profesor Investigador de tiempo completo en el Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. En su laboratorio, estudian el efecto de los nutrientes en el desarrollo de las plantas y su interacción con su medio ambiente. Ha impartido cátedras de Bases Moleculares de la Biología, Bioquímica, Energía, Procesos Metabólicos y Bases Biológicas, desde que inició la Lic. en Nutrición Humana en la UMSNH, hace 11 años.

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Elizabeth García Cárdenas es Bióloga, egresada de la UMSNH en Morelia, Michoacán. Realizó una Maestría en Ciencias en Biología Experimental en el Instituto de Investigaciones Químico Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Actualmente, es estudiante de Doctorado en la misma Institución, en el Laboratorio de Biología del Desarrollo Vegetal, donde trabaja con bacterias benéficas aisladas del suelo y sus efectos en el crecimiento de la planta Arabidopsis thaliana. Ha publicado y colaborado en artículos científicos y de divulgación relacionados con el tema.

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