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Microbiología agrícola

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Con el objetivo de aumentar la producción agrícola, la utilización y explotación de los microorganismos terrestres no es la innovación de los últimos años. En la antigua Roma se sabía que las plantas leguminosas —baberrun, cacahuete, alfalfa, soja, guisantes, trébol y toallas— aumentaban la fertilidad de las tierras. Los romanos, sin embargo, no sabían que la causa de esto se debía a bacterias del género Rhizobium. Estas bacterias infectan las raíces de algunas leguminosas y fijan el nitrógeno atmosférico. A partir de esos tiempos la rotación de cultivos ha sido muy utilizada y en el cultivo anterior las leguminosas pueden utilizar el nitrógeno fijado en el suelo para las plantas de la siguiente ronda.

Hoy en día, tras la Revolución Verde, tan importante en el Tercer Mundo, nos ha acercado la Revolución Biotecnológica. Esto relaciona las capacidades bioquímicas y genéticas de los organismos vivos con objetivos prácticos de interés para el ser humano. Las técnicas de biotecnología en el ámbito agrario se pueden clasificar en dos categorías: la producción primaria (por un lado, en lo que se refiere a la mejora de las plantas y a la fijación de nitrógeno) y la biotransformación de los residuos (en términos de producción de energía y alimentos).

Estas nuevas técnicas han traído cosechas suficientes. A modo de ejemplo, en los últimos treinta años el rendimiento del maíz se ha multiplicado por cinco y en el caso del arroz se han obtenido 60.000 variedades. Estos procedimientos son de tres niveles: fitológicos, genéticos y microbiológicos. Muchas veces estas áreas están estrechamente relacionadas. No obstante, por nuestra parte, solo os publicaremos microbiología agrícola.

Los científicos, tras realizar sus experimentos, observan a menudo que las bacterias que responden biológicamente en el laboratorio no actúan de la misma manera en los campos de cultivo, ya que la producción de plantas asociadas a estos microorganismos es muy baja. La agricultura, por tanto, nos ofrece numerosos ejemplos de diferencias entre lo que ocurre en las cubas de fermentación y en los campos de cultivo. Los biólogos debemos tener en cuenta que la cuba de fermentación es un medio muy concreto. Todas las variables físicas, químicas y biológicas están controladas. Además, sólo hay una especie de microorganismo. Si queremos aplicarlo a la agricultura, debemos analizar tanto la interacción entre microorganismos como las relaciones con la biosfera.

Fijación de nitrógeno

Vamos a ver las aplicaciones contratadas. Por ejemplo, la microbiología agrícola podría resolver un problema interesante: la fijación del nitrógeno. En muchos pueblos se han iniciado estudios exhaustivos con el objetivo de que las plantas, por sí mismas, asienten correctamente el nitrógeno atmosférico. Sabemos que los baserritarras deben echar fertilizantes nitrogenados para que las plantas tomen nitrógeno, con los costes económicos y las consecuencias ecológicas que ello conlleva. La mejor solución, como se ha mencionado anteriormente, sería fijar el nitrógeno desde el aire, es decir, tomar este elemento de forma biológicamente útil. Para entender el proceso, veamos primero el ciclo del nitrógeno:

El ciclo del nitrógeno mantiene el equilibrio entre las dos grandes fuentes de compuestos nitrogenados, la Atmósfera y la Corteza Terrestre. Las plantas verdes sólo pueden utilizar nitrógeno cuando este elemento está dentro de compuestos químicos como el amoniaco (NH 3). Por eso no pueden sacar el nitrógeno directamente de la atmósfera. De hecho, en la atmósfera se encuentra en forma de molécula diatómica (N 2). Todo esto hace que el nitrógeno se fije industrialmente mediante procesos bacteriológicos o naturales (por ejemplo, tormentas con mucho rayo). Las plantas necesitan poco nitrógeno, pero de forma continua, ya que la tierra pierde nitrógeno mediante el drenaje y la cosecha. Además, no debemos olvidar otra pérdida de nitrógeno, causada por bacterias desnitrificantes.

Las bacterias del género Rhizobium infectan las raíces de ciertas plantas leguminosas, pero esto no es en absoluto un proceso patogénico. La planta, por su parte, mantiene una relación simbiótica con el microorganismo: la planta aporta nutrientes a la bacteria y éste último nitrógeno (en forma de NH 3) al vegetal. Tras introducirse en las raíces del leguminoso Rhizobium, genera unos bultos espectaculares, llamados nódulos.

Veamos la infección de un radicular:

En la infección las bacterias se adhieren al pelo de raíz. Plantas y microorganismos se conocen mediante proteínas específicas. Poco después se meten en el cepellón y se dirigen hacia una célula de la raíz. La infección produce inflamación y separación celular. La consecuencia es la formación del nódulo. Contiene un denso grupo de células infectadas por bacterias simbiotas.

El Rhizobium fue aislado en 1888 y quince años después se inoculaba en los campos de cultivo, aumentando considerablemente la producción agrícola. En la actualidad, los diferentes retornos de esta especie se envasan junto con la turba triturada para su dispersión por los terrenos. El nitrógeno es imprescindible en el metabolismo de las plantas. Como sabemos, participa en numerosos compuestos biológicos. Por ejemplo, las unidades de proteínas, los aminoácidos, necesitan nitrógeno para construir enlaces peptídicos entre ellas. Cuando la planta muere, los aminoácidos se degradan y aparecen en forma de amoniaco o ion nitrato (NO 3 –). Posteriormente, las bacterias desnitrificantes transforman los nitratos en nitrógeno molecular (N 2), que se devuelve a la atmósfera. Así se cierra el ciclo del nitrógeno.

La recolección de cosechas, las bacterias desnitrificantes y la limpieza del suelo por lluvia generan la pérdida de nitrógeno fijada. Este nitrógeno perdido o, mejor dicho, devuelto al suelo si se desea que las plantas de la siguiente cosecha sinteticen las proteínas necesarias para su desarrollo.

La fijación del nitrógeno no es exclusiva del género Rhizobium. Tenemos otros ejemplos: El actinomicete Frankia alni, un hongo, hace lo mismo con el aliso en sus relaciones de simbiosis. Así pues, en los bosques se puede alternar culto con el abeto y el chopo Douglas. Por otra parte, algunas bacterias sólo fijan el nitrógeno, es decir, sin estar en simbiosis con las plantas.

Las investigaciones se están llevando a cabo con el objetivo de afinar Azotobacter vinelandii en las raíces del maíz. Además, utilizando la ingeniería genética se hicieron pasar unos genes de Rhizobium a A. vinelandiita. De esta manera el último microorganismo se adhiría a las raíces del trébol. Con la misma técnica genética se pretende afinar las raíces del maíz A. vinelandii, pero esta unión con el maíz que crece en Estados Unidos es, por el momento, imposible. El objetivo de los estudios avanzados sería introducir los genes fijadores de nitrógeno en los cultivos. Sin embargo, esto se considera muy complicado.

Biólogos de la Universidad de California, en Berkeley, descubren que la adición de la bacteria Pseudomonas putida a la remolacha azucarera o a las patatas aumenta el rendimiento de estas plantas. Parece ser que el microorganismo segrega varios compuestos químicos y estas sustancias se combinan con el hierro terrestre. Los hongos y bacterias patógenas no pueden asimilar esta nueva forma de hierro. Por tanto, los microorganismos patógenos no pueden atacar la planta.

Genética microbiana agrícola

En el centro de este problema se encuentra el ácido desoxirribonucleico (ADN). Es decir, que lleva codificadas las órdenes genéticas que guiarán el comportamiento de las células y, en consecuencia, el comportamiento de plantas, animales o microbios. Esta inconclusa molécula de ADN puede dividirse en partes —en los genes— de las que dependen las características específicas. El producto resultante de la combinación artificial de fragmentos de ADN procedentes de diferentes organismos se denomina ADN recombinante.

Las manipulaciones genéticas son el gran avance de la biotecnología en los últimos diez años: el uso de microbios y otros organismos unicelulares. A partir de ellos se han obtenido una serie de medicamentos y sustancias útiles y se ha dado un impulso a los procesos industriales.

En microbiología agrícola se utiliza frecuentemente otra estrategia genética: introducir un gen de la planta en la bacteria. Para ello, cortamos el gen que nos interesa con diferentes enzimas (endonucleasas de restricción) y posteriormente lo introducimos en la bacteria a través de un plasma –parte del ADN que está fuera del cromosoma bacteriano- o de un virus. Así, en muchos laboratorios los genes vegetales han entrado en el Escherichia coli. Esto no significa que la bacteria produzca las proteínas correspondientes a ese gen. Estos mecanismos genéticos no están del todo claros. Si alguna vez se lograra esto, las proteínas vegetales se obtendrían mediante el cultivo de bacterias en cubas de fermentación.

La transferencia de genes de un microorganismo a una planta es uno de los métodos más finos que utiliza la microbiología para ayudar a la agricultura. Utilizando el ADN recombinante, el campo de los genes vegetales está sin duda mucho más retrasado que el de los genes animales. Sin embargo, la introducción de genes extraños tiene las mismas bases, aunque la célula original sea animal, vegetal o bacteriana. En la zona de introducción de genes en células vegetales se han llevado a cabo diversos estudios.

Por ejemplo, Agrobacterium tumefaciens infecta la mayoría de las plantas dicotiledóneas. Dicho microbio lleva un plásmido. Esto genera tumores en estas plantas. Este mecanismo de agitación se denomina colonización genética. En este proceso un trozo de ADN plasmídico (ADN-T) se une al ADN de la célula vegetal. Por ello, el plásmido podría utilizarse como vector (portador) de introducción de ADN extraño en células vegetales, como se puede observar en la Figura 4.

Cortamos el plásmido en un punto dentro del ADN-T dejando un hueco. Eso lo llenará el gen extraño. Después se repite ADN-T en el momento de la división de células tumorales y las células tumorales que tenemos en un cultivo de tejidos llevarán ADN-T. En algunos casos se regenerará toda la planta a partir de células tumorales cultivadas. Como consecuencia de este proceso se mantiene en los cromosomas de la planta regenerada por ADN-T. Es más, el nuevo gen que se encuentra en el interior del ADN-T pasará a la siguiente balaunada vegetal con un gen dominante.

La conclusión más destacable de todo ello sería: Los genes extraños generados en el interior del ADN-T pasarían a la descendencia para obtener nuevas variedades vegetales. Algunos científicos que trabajan en el Instituto Max Planck de Mejora Vegetal de Colonia han comprobado todo lo expuesto anteriormente en el caso del gen que codifica la planta de tabaco y la enzima opina sintetasa.

Un grupo de investigadores de la Universidad Sussex también ha conseguido una nueva transferencia genética. En esta ocasión, los genes responsables de la fijación del nitrógeno en la bacteria Klebsiella neumoniae han sido introducidos en un plasma de E. coli y posteriormente introducidos en una levadura. Este es un gran avance científico. De hecho, las levaduras son eucariotas, por lo que están más cerca filogenéticamente (en grado de parentesco) de las plantas.

Otro tercer tipo de investigación es la constatación de investigadores de la Universidad de California, en Berkeley, que si el hielo afecta tanto a las plantas de fresas, es porque las bacterias que atraen y fijan los cristales de hielo viven en las hojas. Este fenómeno es debido a una proteína de estos microbios, y los biólogos californianos han podido retirar el gen que lo produce, y gracias a ello esperan que las plantas de fresas, tratadas con esta bacteria antihielo, y con la esperanza de que se reproduzca de forma natural, los grandes daños del hielo, acaben en un plazo.

Otra cosa es que los ingenieros genéticos tengan la esperanza de mejorar los insecticidas biológicos que podrían ser utilizados en lugar de los insecticidas químicos que habitualmente contaminan el medio ambiente, que podrían acabar con los parásitos sin contaminar el entorno. Por ejemplo, las técnicas de ADN recombinante están logrando mejorar los resultados del bacilo Bacillus thuringiensis, utilizado desde hace años para eliminar especies nocivas. Destaca el caso de la gusana que toca los pinos del norte de Inglaterra. En otras regiones la quebrantahuesos parásitos está controlada por un virus vacuolar que infecta a gusanos.

Ahora este virus se cultiva para extenderlo en pinares y potenciar su efecto destructivo. Por el momento, los experimentos se realizan con un virus inalterado, pero que en parte del ADN sin código génico lleva una marca para poder analizar in situ su propagación o resistencia. Si todo va bien, al virus se le inyectará un gen capaz de sintetizar una toxina insecticida. No hay que decir que estas técnicas vulneran amplias vías de oclusión contra insectos nocivos en otros países.

Avances en biotecnología

Para conocer el avance de la biotecnología en materia agraria respecto a la Revolución Verde, en la siguiente tabla se muestran las diferencias entre ambas:

Organismos de investigación en microbiología agrícola

El dicho de que la mayoría de los científicos habla es que las ayudas a la investigación también son muy escasas. Sabemos si estas quejas son razonables o no.

En cuanto al caso de los EEUU, en 1982 el Gobierno de Reagan entregó al Departamento de Agricultura 691 millones de dólares para la investigación. Este año era el 5,3% del presupuesto para la investigación básica y aplicada. Sin embargo, sólo una pequeña parte de esta cantidad alcanzó el área de microbiología agrícola. A modo de ejemplo, en el estudio básico de la fijación de nitrógeno, los mecanismos genéticos de mejora vegetal, las situaciones de presión ambiental, la investigación básica de las necesidades de crecimiento vegetal y de alimentación humana sólo se gastaron 26 millones de dólares.

El área de microbiología recibió 4,6 millones. Estas cifras son, como es obvio, muy reducidas y se dan en el país más avanzado. Por lo tanto, en el Tercer Mundo se puede intuir fácilmente que la situación es mucho más preocupante y no podemos olvidar que en estos países pobres las necesidades en materia agraria son enormes, dado que el fantasma del hambre avanza constantemente.

En la siguiente tabla se puede comparar el número de biotecnólogos:

Como es evidente, los países en desarrollo tienen una enorme falta de expertos y biotecnólogos. Es, sin duda, una de las mejores vías de cooperación territorial e internacional en esta materia para trasladarse a los países pobres y cumplir sus promesas. También para resolver los problemas que plantea este problema. Esta colaboración se canaliza a través de acuerdos bilaterales entre empresas y entidades del sector privado. Dentro de la UNESCO, por ejemplo, las instituciones y reuniones que se ocupan de estos temas son:

Unesco

ENTIDAD

1.- MIRCEN: Microbiological Resources Centers. Es una red mundial.

Objetivo: recogida, cuidado y utilización de escorias microbianas para el desarrollo nacional y la cooperación internacional.

VIAS

2.- IGAM: Reuniones científicas sobre los efectos de la microbiología aplicada a nivel mundial.

Objetivo: Fomentar la cooperación entre los países industriales y los países en desarrollo, promover la investigación y la formación locales.

3.- ORGANISMOS Y ORGANISMOS NO GUBERNAMENTALES DE LAS NACIONES UNIDAS

4.- COLABORACIÓN CON ENTIDADES REGIONALES: