Pidiéndoles ayuda a las bacterias para tener una producción agrícola más sustentable

Toda actividad humana tiene un impacto en el ambiente, y si bien al pensar en esos impactos casi siempre tendemos a imaginar fábricas y chimeneas humeantes, en Uruguay la realidad nos recuerda un día sí y otro también que aquí la pérdida de biodiversidad, la contaminación y eutrofización de los cursos de agua y la degradación de los suelos son un componente ineludible en las actividades agropecuarias. Lo mismo sucede con problemas sociales que tienen que ver con el encarecimiento de la tierra, la migración hacia las ciudades, las dificultades para el pequeño productor, la soberanía alimentaria.

Al ser humano le ha costado entender las consecuencias de sus actividades sobre el planeta, sobre todo las que comenzaron luego del inicio de la agricultura, se hicieron evidentes hace más de 4.000 años y se agravaron con la Revolución Industrial y con lo que hoy se denomina “la gran aceleración”. Esto último consiste en un aumento sin precedentes de las actividades con impacto en el planeta que lleva a postular incluso una etapa geológica propia llamada Antropoceno. Sin embargo, tan humano como destruir el planeta es abrigar la esperanza de que podemos hacer las cosas mejor de lo que las hacemos. Al menos ese es el caso del grupo Interacción Planta-Microorganismo, del Departamento de Bioquímica y Genómica Microbianas del Instituto de Investigaciones Biológicas Clemente Estable (IIBCE).

Con una pequeña ayuda de las amigas bacterias

Pero ¿por qué se dedicaría un grupo de investigadores a estudiar las relaciones entre las bacterias que viven dentro de los tejidos de las plantas con especies vegetales de interés agronómico o cultural? Bueno, hay varias razones en los párrafos de arriba, pero ellos lo explican así: dado que el uso de fertilizantes químicos para la mejora de la productividad de los cultivos es una práctica extendida en varios plantíos del país, señalan que esa práctica “tiene efectos muy negativos sobre el medioambiente y sobre los costos de producción”. El grupo de investigadores sostiene que “se estima que 50% de los fertilizantes aplicados, muchas veces en exceso, se pierde en el suelo por lixiviación, erosión del suelo o emisiones gaseosas”, lo que trae como consecuencia “la acidificación del suelo, la contaminación superficial y subterránea del agua, así como la pérdida de biodiversidad y la producción de gases de efecto invernadero”.

Pero además el grupo busca alternativas a la fertilización química, porque “los fertilizantes químicos son uno de los principales gastos de producción en la agricultura de países como el nuestro, que importan gran porcentaje” de esos productos. Defender el ambiente y el bolsillo de los productores parece una buena idea, así que se plantean que es necesaria “la búsqueda de alternativas sustentables, económica y ambientalmente, al uso de fertilizantes químicos”. Y, cumpliendo con el axioma de que cuando uno está en la mala cualquier ayuda, por pequeña que sea, es bienvenida, estos investigadores recurrieron a algunos de los seres más pequeños del planeta: las bacterias. En concreto, buscan bacterias endofíticas, es decir aquellas que viven en los tejidos internos de las plantas sin causarles daño, que sean promotoras del crecimiento vegetal y que, por tanto, contribuyan a reducir considerablemente el uso de fertilizantes.

La promoción del crecimiento de las plantas puede deberse a varios factores relacionados directamente con la presencia de las bacterias, como la liberación de fitohormonas o de proteínas que inciden en el metabolismo de la planta mediante la fijación biológica del nitrógeno que está en la atmósfera y que la planta necesita para desarrollarse, haciendo que minerales como el potasio, el fósforo y el hierro sean absorbidos de mejor manera por la planta o por la producción de sustancias fenólicas que ayudan a la germinación de las semillas y a otras etapas del crecimiento de la planta. Si alguien piensa que todo eso es demasiado para unos seres tan minúsculos que no pueden verse sin ayuda de un microscopio, se está adelantando: hay más. Las bacterias pueden promover el crecimiento de la planta también de forma indirecta, ya sea ayudándola a evitar agentes patógenos, a defenderse de ellos o a sobrellevar condiciones de estrés. Es que millones de años de evolución conjunta han producido relaciones de simbiosis beneficiosas tanto para las bacterias como para las plantas, así como sucede dentro de nuestro propio cuerpo. Pero no creamos que una bacteria buena para determinada planta en determinado suelo y determinado clima es buena para cualquier otra: la coevolución es un baile que se baila de a dos –o más, la naturaleza no se inmuta ante nuestro puritano concepto de promiscuidad– y no siempre lo que funciona en una pareja o trío u orgía de bacterias, hongos y plantas funciona en otra pareja, trío u orgía con otros protagonistas.

Por ello el grupo de investigadores resalta que es importante “realizar los estudios para cada caso bacteria-planta particular”. Y tienen claro hacia dónde van: “Los objetivos últimos de nuestro trabajo son tanto conocer en profundidad los mecanismos moleculares que subyacen en las interacciones entre bacterias y plantas como facilitar la utilización de nuevas tecnologías para la agricultura basadas en microorganismos para permitir una producción más sustentable”. La reciente publicación del genoma de una de estas bacterias que viven en los tallos de la planta de caña de azúcar, la Kosakonia radicincitans, fue la excusa para ir a conversar con tres de estos hombres y mujeres de ciencia sobre cómo gente en un instituto de investigaciones biológicas, de túnica y muy urbana, ha dedicado varios años de su vida para que nuestro campo produzca más y mejor.

Menos es más para el ambiente y para el bolsillo

En el patio del IIBCE, bajo un sol abrasador y el canto de horneros, ratoneras y algún que otro gavilán mixto, nos esperan Cecilia Taulé, Patricia Vaz y Federico Battistoni, tres de los varios integrantes del grupo Interacción Planta-Microorganismo. “Esto viene de una línea más general”, dice Battistoni. “Nuestro objeto de estudio no es la Kosakonia, sino la caña de azúcar como cultivo. La escogimos porque es un cultivo multipropósito, que se utiliza en nuestro país por parte de Alur [Alcoholes del Uruguay] y del que se obtienen distintos productos: energía a través de biocombustibles, alimento para ganado, como ración, y azúcar”, explica, y agrega: “El problema que abordamos es que ese cultivo necesita grandes cantidades de fertilización con nitrógeno para poder obtener la productividad necesaria en las áreas de cultivo en las que se planta en Uruguay”.

Es que la caña de azúcar, como muchos de los vegetales que se cultivan en Uruguay, no es una planta nativa. Para crecer de forma productiva necesita calor, por eso se planta en el norte. Pero, como ya sabemos, los suelos del norte no son los más propicios para la agricultura, de allí la necesidad de aplicarles fertilizantes. “En Artigas es donde está el límite agroclimático en el que el cultivo se podría plantar. Eso quiere decir que para que tenga el rendimiento que se obtiene en otros lugares necesita mucha agua y mucho fertilizante químico. En el caso de la caña de azúcar en nuestro país, se necesitan entre 150 y 200 kilos de fertilizante químico nitrogenado por hectárea”, dice Battistoni. Señala que las plantas pueden absorber sólo 50% de ese fertilizante químico, y que además algunos productores aplican fertilizante de más pensando que obtendrán mejores resultados. Con las plantas pasa lo mismo que con nuestro cuerpo: por más que tomemos muchos litros de jugo de limón o de naranja –o por más que gastemos dinero comprando productos milagrosos contra el resfriado–, sólo una pequeña parte de la vitamina C será absorbida, mientras que el resto se irá con la orina.

“Por eso en nuestro grupo proponemos el uso de bacterias promotoras del crecimiento vegetal para sustituir parcial o totalmente la fertilización química”, dice Battistoni, acotando lo utópico que sería pretender una sustitución total. “Dentro de ese plan está la línea de investigación con caña de azúcar. Lo primero que fuimos a ver en el campo fueron las bacterias que naturalmente están presentes en sus tallos”.

Cecilia Taulé habla sobre esa etapa: “Cuando fuimos a colectar las bacterias buscamos específicamente aquellas que viven en el tallo, que es donde la caña de azúcar tiene grandes concentraciones de sacarosa”. Pero también había otra razón para buscar en el tallo y no en el suelo, que es de donde provienen la mayoría de las bacterias que se encuentran en las plantas. “Si bien queríamos que estuviera presente en la caña de azúcar, también buscábamos que en caso de ser inoculada, fuera una bacteria con capacidad de colonizar. En general las bacterias ingresan por la raíz, y hay algunas que pueden moverse dentro de la planta. Nos interesamos en aquellas que podían colonizar al tallo porque en la caña de azúcar, en caso de que encontráramos una bacteria interesante, sabíamos que sería capaz de soportar altas concentraciones de sacarosa”, comenta Taulé. Además hay otro dato interesante: la caña de azúcar se reproduce por esqueje, es decir con partes del tallo que dan lugar a una nueva planta. Si las bacterias deseadas están en el tallo, seguro pasarán a la próxima generación.

Para la obtención de la microbiota de la caña de azúcar fueron a campos de productores coordinados por Alur en Artigas en los que no se aplicaba fertilización química nitrogenada, pero que tenían buenos rendimientos: allí era probable que algunas bacterias estuvieran ayudando a que la planta obtuviera nitrógeno de la atmósfera y no del suelo. “Como este cultivo necesita grandes dosis de nitrógeno, en suelos no fertilizados había más chances de encontrar bacterias que le aportan nitrógeno a la planta”, señala Battistoni. Luego vino la etapa de aislar en el laboratorio las bacterias que encontraron en el campo.

¿Qué cosa es la Kosakonia?

Cecilia Taulé cuenta que cuando aislaron las bacterias del campo utilizaron un medio de cultivo que no tenía nitrógeno, ya que buscaban bacterias que tuvieran la capacidad de obtenerlo de la atmósfera. También se concentraron en aquellas bacterias que podían cultivarse en el laboratorio: “En la planta hay miles de bacterias y microorganismos de los que no sabemos su rol y que no podemos cultivar”, dice Battistoni, y agrega que “en el medio de cultivo no sólo no había nitrógeno, sino que además había altos niveles de sacarosa, como los que hay en el tallo de la caña de azúcar, y anoxia, poca cantidad de oxígeno, como en los propios tejidos de la planta”. Obtuvieron entonces unas 500 bacterias cultivables. Buscando eliminar la fertilización química excesiva, se fijaron en aquellas que permiten fijar nitrógeno: “Las bacterias que son capaces de fijar nitrógeno tienen una enzima llamada nitrogenasa, que es la que convierte el nitrógeno de la atmósfera y lo pasa a compuestos carbonados, como los aminoácidos”, explica Battistoni, que señala que, además de trabajar con la caña de azúcar, también estudiaron la relación entre bacterias de los tejidos de las plantas y cultivos como el sorgo dulce, la canola, la festuca y el cannabis.

“De las bacterias caracterizadas hicimos una selección, y de esta selección procedimos a la identificación. Para ello secuenciamos un gen, el 16S, y comparándolo con las bases de datos determinamos a qué genero pertenecían las bacterias”, cuenta Taulé. De esta manera llegaron a determinar que la bacteria que más prometía en la fijación de nitrógeno de su colección pertenecía al género Kosakonia. Y luego determinaron su especie: Kosakonia radicincitans. A la cepa con la que trabajaron la llamaron UYSO10. “UY es por Uruguay, SO por el nombre de la caña de azúcar [Saccharum officinarum]”, precisa Battistoni.

La Kosakonia demostró ser una bacteria que promovía el crecimiento. Para ello Taulé cuenta que hicieron “ensayos en el cuarto de plantas y en el invernáculo”, en los que inoculaban “algunas de estas bacterias a unas plantas y a otras no para ver si había un efecto de promoción de crecimiento”. En esos ensayos de promoción de crecimiento, con plantas a las que no se fertilizó ni se inoculó el microorganismo (grupo de control negativo), plantas a las que sí se fertilizó pero no se aplicó la inoculación con la bacteria (grupo de control positivo) y otras a las que no se fertilizó pero sí se inocularon distintas bacterias (grupo de tratamiento), surgió la Kosakonia radicincitans como gran candidata a trabajar con la caña de azúcar.

Kosakonias mutantes

Una vez que identificaron que la Kosakonia promovía el crecimiento vegetal, obteniendo resultados con plantas inoculadas similares a los obtenidos con plantas con fertilización externa, los investigadores, lejos de llegar al fin del recorrido, recién estaban empezando. “Ya que es un organismo que se aloja en la planta, quisimos ver cómo es que promueve el crecimiento. ¿Es a través de la enzima nitrogenasa?”, dice Battistoni. Al intentar responder esto, se dieron cuenta de que la variedad UYSO10 no era una Kosakonia cualquiera.

“En general las bacterias que se conoce que promueven el crecimiento vegetal a partir de la fijación de nitrógeno tienen una sola nitrogenasa”, dice Taulé. Pero la Kosakonia con la que trabajaban en el IIBCE tenía genes que expresaban dos enzimas nitrogenasas distintas. “Una de ellas es la más estudiada y es la que siempre se busca, pero UYSO10, además, tiene una nitrogenasa alternativa, es un plus de esta bacteria”. El asunto es que no se sabe mucho sobre esa segunda nitrogenasa y en qué condiciones fija o no nitrógeno. Así que Taulé se puso a hacer... Kosakonias mutantes.

Mediante manipulación genética el grupo obtuvo tres variedades mutantes: una con una mutación que apagaba la expresión del gen que producía una de las nitrogenasas, otra en la que se apagaba el gen que expresa la otra nitrogenasa, y una tercera variedad en la que ambos genes estaban apagados. “In vitro vimos que la capacidad de fijar nitrógeno sólo se perdía cuando la Kosakonia tenía las dos mutaciones, lo que significa que si una u otra nitrogenasa está presente, la bacteria es capaz de fijar nitrógeno”, comenta Taulé. Obtuvieron el mismo resultado con los ensayos en plantas: “Sólo la que tenía las dos mutaciones veía reducido su crecimiento, lo que nos hace pensar en que la fijación biológica del nitrógeno está involucrada en la promoción del crecimiento vegetal de la Kosakonia”.

Patricia Vaz es más callada y deja que sus colegas se hagan cargo del relato. Sin embargo, esto de la doble enzima para fijar nitrógeno la hace participar en la conversación. “La nitrogenasa no es cualquier enzima. Para la bacteria producirla es energéticamente muy costoso. Y en esta Kosakonia tenemos una redundancia en una función tan pesada. En términos evolutivos es muy interesante que haya redundancia en la función de fijación biológica de nitrógeno”, dice, y ya deja la interrogante científica planteada.

Kosakonia y soberanía

“Secuenciamos el genoma de una bacteria que tiene un potencial biotecnológico muy interesante por su promoción del crecimiento vegetal”, dice Battistoni, “pero lo importante es que estamos trabajando en un cultivo de interés nacional y generando conocimiento nacional, con recursos nacionales, para una producción nacional y un desarrollo biotecnológico nacional”. Patricia sonríe y dice que le gusta más la palabra “local” que “nacional”. “Las soluciones tienen que ser más locales”, añade.

“Lo importante de todo esto es que se debe estudiar cada caso. No es que uno importa de Estados Unidos un inóculo que allá funciona bárbaro con caña de azúcar y que acá vas a obtener los mismos resultados”, dice Battistoni. “Lo importante es el desarrollo de una biotecnología nacional en las condiciones en las que se maneja el cultivo en el país. Detrás está la pregunta de qué ciencia queremos, si una que apoya ese tipo de filosofía, que genera soberanía en cuanto a insumos, conocimiento y desarrollo de recursos humanos, o una ciencia sin nada de eso, en la que importamos soluciones llave en mano”, reflexiona.

Llevan diez años con la Kosakonia. Han ganado dos fondos de investigación del Instituto Nacional de Investigación Agropecuaria, y otros de la Agencia Nacional de Investigación e Innovación, de la Universidad de la República, del Ministerio de Educación y Cultura, y becas del Programa de Desarrollo de las Ciencias Básicas de apoyo a maestrías y doctorados. Investigan en un área que se supone de interés para el país, como es la mejora de la rentabilidad y la sustentabilidad de la producción agrícola trabajando en biotecnología, una de las disciplinas mimadas de la ciencia actual. Aun así están a unos cuantos años, tal vez otros diez, de poder hacer la transferencia de lo investigado a la producción, o, como estamos hablando de bacterias y seres vivos, podrían no llegar a tener ese producto para transferir a los productores de caña de azúcar. Por más que la Kosakonia no termine siendo la maravilla que con sus dos nitrogenasas hoy promete ser, o por más que el país políticamente decida que la caña de azúcar ya no es un cultivo de interés, lo que sí queda es una comunidad de investigadores que se ha especializado en entender la relación entre la microbiota y las plantas para promover el crecimiento vegetal.

Federico Battistoni coincide con el resumen. Pero, como dicen sus dos colegas, es difícil que no se quede con la última palabra. Y hace bien, o al menos eso le parece a uno: “La experiencia que hemos adquirido en estos diez años es muy valiosa. Trabajamos en caña de azúcar, pero además con canola, con sorgo dulce, con festuca y con cannabis. Y podemos trabajar con cualquier tipo de cultivo que nos digan que es de interés. Y si podemos hacerlo es porque en estos diez años hemos generado know how, hemos formado estudiantes de grado, de maestría, de doctorado y de posdoctorado, hemos publicado y hemos puesto a punto técnicas y metodologías. Eso es algo que queda, más allá de si la Kosakonia es el producto que nos va a salvar. Ojalá lo sea, por el bien del país, pero lo importante, creo, es la masa crítica de gente que se formó para estudiar, entender y desarrollar determinados procesos biológicos que pueden tener un impacto brutal en la producción agropecuaria nacional”.

Artículo: “Draft Genome Sequence of Kosakonia radicincitans UYSO10, an Endophytic Plant Growth-Promoting Bacterium of Sugarcane (Saccharum officinarum)”
Publicación: Microbiology (noviembre de 2019)
Autores: Martín Beracochea, Cecilia Taulé, Federico Battistoni

Artículo: “The Mo- and Fe-nitrogenases of the endophyte Kosakonia sp. UYSO10 are necessary for growth promotion of sugarcane”
Publicación: Annals of Microbiology (julio de 2019)
Autores: Cecilia Taulé, Hugo Luizzi, Martín Beracochea, Cintia Mareque, Raúl Platero, Federico Battistoni.