En el futuro, las plantas podrán crear su propio fertilizante. Los agricultores ya no necesitarán comprar y esparcir fertilizantes para sus cultivos, y una mayor producción de alimentos beneficiará a miles de millones de personas en todo el mundo, que de otro modo podrían pasar hambre.
Estas afirmaciones pueden sonar como algo sacado de una novela de ciencia ficción, pero una nueva investigación realizada por científicos de la Universidad de Washington en St. Louis muestra que pronto podría ser posible diseñar plantas para desarrollar su propio fertilizante. Este descubrimiento podría tener un efecto revolucionario enla agricultura y la salud del planeta.
La investigación, dirigida por Himadri Pakrasi, Profesor Distinguido de la Universidad Glassberg-Greensfelder en el Departamento de Biología en Artes y Ciencias y director del Centro Internacional para la Energía, el Medio Ambiente y la Sostenibilidad InCEES; y Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi, investigador principalasociado en biología, se publicó en la edición de mayo/junio de mBio.
La creación de fertilizante consume mucha energía y el proceso produce gases de efecto invernadero que son un factor importante del cambio climático. Y es ineficiente. La fertilización es un sistema de suministro de nitrógeno, que las plantas usan para crear clorofila para la fotosíntesis, pero menos del 40 por ciento deel nitrógeno del fertilizante comercial llega a la planta.
Después de que una planta ha sido fertilizada, hay otro problema: la escorrentía. El fertilizante arrastrado por la lluvia termina en arroyos, ríos, bahías y lagos, alimentando algas que pueden crecer sin control, bloqueando la luz del sol y matando la vida vegetal y animal debajo.
Sin embargo, hay otra fuente abundante de nitrógeno a nuestro alrededor. La atmósfera de la Tierra tiene aproximadamente un 78 por ciento de nitrógeno, y el laboratorio Pakrasi en el Departamento de Biología acaba de diseñar una bacteria que puede hacer uso de ese gas atmosférico, un proceso conocidocomo "fijación" de nitrógeno, en un paso significativo hacia la ingeniería de plantas que pueden hacer lo mismo.
La investigación se basó en el hecho de que, aunque no hay plantas que puedan fijar el nitrógeno del aire, existe un subconjunto de cianobacterias bacterias que hacen la fotosíntesis como las plantas que es capaz de hacerlo. Las cianobacterias pueden hacer esto a pesar de queel oxígeno, un subproducto de la fotosíntesis, interfiere con el proceso de fijación de nitrógeno.
La bacteria utilizada en esta investigación, Cyanothece, es capaz de fijar nitrógeno por algo que tiene en común con las personas.
"Las cianobacterias son las únicas bacterias que tienen un ritmo circadiano", dijo Pakrasi. Curiosamente, las cianotecas realizan la fotosíntesis durante el día, convirtiendo la luz solar en la energía química que utilizan como combustible, y fijan nitrógeno por la noche, después de eliminar la mayor parte del oxígeno creadodurante la fotosíntesis a través de la respiración.
El equipo de investigación quería tomar los genes de Cyanothece, responsable de este mecanismo de día y noche, y ponerlos en otro tipo de cianobacteria, Synechocystis, para convencer a este insecto de que también fijara nitrógeno del aire.
Para encontrar la secuencia correcta de genes, el equipo buscó el ritmo circadiano revelador. "Vimos un conjunto contiguo de 35 genes que estaban haciendo cosas solo de noche", dijo Pakrasi, "y básicamente estaban en silencio durante el día"."
El equipo, que también incluía a la investigadora asociada Michelle Liberton, la exinvestigadora asociada Jingjie Yu y Deng Liu extrajeron manualmente el oxígeno de Synechocystis y agregaron los genes de Cyanothece. Los investigadores descubrieron que Synechocystis podía fijar nitrógeno en un 2 por ciento de Cyanothece. CosasSin embargo, se volvió realmente interesante cuando Liu, un investigador postdoctoral que ha sido el pilar del proyecto, comenzó a eliminar algunos de esos genes; con solo 24 de los genes de Cyanothece, Synechocystis pudo fijar nitrógeno a una velocidad de más de 30por ciento de Cyanothece.
Las tasas de fijación de nitrógeno disminuyeron notablemente con la adición de un poco de oxígeno hasta un 1 por ciento, pero aumentaron nuevamente con la adición de un grupo diferente de genes de Cyanothece, aunque no alcanzó tasas tan altas como sin la presencia de oxígeno.
"Esto significa que el plan de ingeniería es factible", dijo Pakrasi. "Debo decir que este logro superó mis expectativas".
Los próximos pasos para el equipo son profundizar en los detalles del proceso, tal vez reducir aún más el subconjunto de genes necesarios para la fijación de nitrógeno y colaborar con otros científicos de plantas para aplicar las lecciones aprendidas de este estudio al próximonivel: plantas fijadoras de nitrógeno.
Los cultivos que pueden hacer uso del nitrógeno del aire serán más efectivos para los agricultores de subsistencia alrededor de 800 millones de personas en todo el mundo, según el Banco Mundial aumentando los rendimientos en una escala que sea beneficiosa para una familia o un pueblo y liberandohasta el tiempo que una vez se dedicó a esparcir fertilizante manualmente.
"Si es un éxito", dijo Bhattacharyya-Pakrasi, "será un cambio significativo en la agricultura".
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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