Cabecera e Politecnica Sostenible

Fijación de nitrógeno en cereales

N#04
15.06.2021
Por Luis Rubio

El proyecto liderado por Luis Rubio (Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, CBGP) sobre fijación de nitrógeno en cereales ha conseguido una financiación de 14 millones de dólares de la Fundación Bill y Melinda Gates.

El cultivo de cereales está indisolublemente ligado al desarrollo humano desde el Neolítico. La domesticación de cereales durante las revoluciones agrícolas estableció economías basadas en agricultura y ganadería. Irónicamente, en su obra Sapiens, el historiador Yuval Noah Harari expone la idea provocadora de que fueron los cereales quienes domesticaron a Homo sapiens que, desde entonces, se encarga de cuidarlos y diseminarlos por todo el planeta. Sea como fuere, en la actualidad, la dieta de casi 8.000 millones de humanos depende directa o indirectamente de los cereales. En 2018, los cultivos de cereales ocupaban 730 millones de hectáreas y su productividad media fue 4.000 kg/ha (datos de The World Bank). La productividad depende, en gran medida, de la disponibilidad de fuentes de nitrógeno asimilables por la planta, y es 10 veces mayor en los EE. UU., China o Europa occidental que en la mayoría del África subsahariana.

La invención por Haber y Bosch del proceso químico de conversión de nitrógeno gaseoso (N2) en amoniaco (NH3), hace 100 años, inició una etapa de suministro casi ilimitado de fertilizantes nitrogenados industriales que incrementó enormemente la producción agrícola y permitió la llamada revolución verde en algunas partes del mundo entre 1950-1970. Hoy, más de la mitad del alimento consumido se produce usando fertilizantes nitrogenados industriales (How a century of ammonia synthesis changed the world, Erisman et al.).

Una agricultura sostenible necesita disminuir la superficie utilizada actualmente, aumentar su productividad, y hacerlo disminuyendo también la entrada de fertilizantes nitrogenados industriales. ¿Es esto posible? 

El beneficio indudable que la producción industrial de fertilizante nitrogenado ha producido en seguridad alimentara no está exento de coste económico y medioambiental. Aproximadamente la mitad del fertilizante aplicado es reconvertido a N2 por bacterias del suelo en lugar de ser utilizado por las cosechas, despilfarrando de este modo un 1% del suministro energético global. Otra fracción importante queda como nitrógeno reactivo contaminando ecosistemas terrestres y acuáticos y alterando la biodiversidad. La actividad antropogénica ha alterado el ciclo biogeoquímico global del nitrógeno que, actualmente, se encuentra muy alejado de los límites considerados seguros para el equilibrio de la vida en el planeta (A safe operating space for humanity,  Rockström et al.).

Evidentemente, esta práctica no es sostenible. Una agricultura sostenible necesita disminuir la superficie utilizada actualmente, aumentar su productividad, y hacerlo disminuyendo también la entrada de fertilizantes nitrogenados industriales. ¿Es esto posible? Teóricamente sí. Existen bacterias llamadas diazótrofas (comedoras de dinitrógeno) que tienen la capacidad de convertir N2 en NH3, de manera análoga al proceso químico industrial. Esta actividad metabólica es ecológicamente relevante porque controla la entrada de nitrógeno reactivo en los ecosistemas. Los diazótrofos contienen genes de fijación de nitrógeno (nif) que les permiten sintetizar la enzima nitrogenasa para llevar a cabo esta reacción (Challenges to develop nitrogen-fixing cereals by direct nif-gene transfer, Curatti y Rubio). Curiosamente, ni la mayoría de las bacterias, ni los organismos eucariotas – entre los que se encuentran plantas, hongos y animales – son diazótrofos.

Fijación industrial (izquierda) y biológica (centro) de N2 para producción de fertilizante nitrogenado. (Derecha) Generación de cereales transgénicos autofertilizados. Adaptado de Burén y Rubio (doi.org/10.1093/femsle/fnx274).

¿Sería posible transferir los genes nif desde las bacterias diazótrofas a los cereales para permitirles la utilización directa del nitrógeno atmosférico? Los científicos que trabajamos en el proyecto Fijación Biológica de Nitrógeno en Cereales (BNF Cereals) pensamos que sí (ver figura). Nuestro objetivo es disminuir la dependencia de fertilizantes nitrogenados industriales, con especial interés en cultivos del África subsahariana actualmente muy deficientes en nitrógeno. Proponemos, por tanto, una solución biotecnológica que sustituya a la solución química, claramente sobrepasada. Desarrollar esta tecnología supone superar retos muy importantes, ya que implica la transferencia de entre 20 y 30 genes bacterianos a plantas y la remodelación de una maquinaria molecular, refinada evolutivamente en bacterias durante 3.000 millones de años, para que funcione en el ambiente hostil de una célula vegetal. Para aquellos biotecnólogos que pensamos que debemos utilizar toda la ciencia y tecnología disponible para conseguir una agricultura más sostenible, este es un reto fascinante.

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