Alimentación: la revolución subterránea

Utilizar las raíces de las plantas para aumentar la cosecha sin perjudicar al medioambiente se está convirtiendo en un método cada vez más extendido entre quienes se dedican al cultivo de plantas.
Virginia Gewin

Alimentación: la revolución subterránea

Enmarañadas, sucias y sepultadas bajo tierra, así son las raíces, lo que hace que sea muy complicado estudiarlas. Cavar hasta encontrarlas es un proceso que lleva mucho tiempo y puede acabar con la espalda de más de uno. Además, hay que manejar la pala con cuidado para conservar los patrones en sus ramificaciones, así como los pelos radicales y los microbios que permanecen pegados a la raíz. Todo ello explica por qué los investigadores agrícolas ni siquiera se habían planteado estudiar las raíces… hasta ahora.

En la actualidad, muchos científicos empiezan a ver las raíces como un elemento esencial para aumentar el rendimiento de los cultivos, con unas estrategias diferentes a las utilizadas en la Revolución Verde. Durante aquel período, que comenzó en la década de los cuarenta, se produjo un gran aumento en la investigación y el desarrollo de este campo y la producción alimentaria creció de forma drástica gracias a los cultivos de alto rendimiento, los pesticidas y los fertilizantes, además del uso de una mayor cantidad de agua. Sin embargo, como consecuencia de estas prácticas, el agua subterránea se agotó y, antes de 1998, el uso de fertilizantes nitrogenados se multiplicó por ocho1, lo que provocó problemas medioambientales, como la contaminación de las vías de agua. A pesar del aumento de las cosechas, muchas regiones siguen aún hambrientas, ya que la revolución no llegó a muchos de los países en vías de desarrollo, que disponen de terrenos muy pobres, acceso limitado a la irrigación y fertilizantes a precios demasiado elevados. Jonathan Lynch, experto en nutrición de plantas de la Universidad Pública de Pensilvania (EE. UU.), considera que “las estrategias utilizadas antiguamente no son suficientes para satisfacer la creciente necesidad actual de alimentos”.

Lynch sostiene que “las raíces son la clave para la segunda revolución verde, que no esté basada en métodos costosos”. Las raíces proporcionan agua y nutrientes, dos factores esenciales para las plantas que a menudo escasean. Tal como este y otros expertos plantean, en vez de utilizar más agua y fertilizantes, se podría mejorar la capacidad de las raíces para utilizar los elementos de los que ya disponen y, de paso, ayudar a que terrenos “marginales” se conviertan en productivos.

Existe un margen de mejora. Ya se han conseguido enormes avances en el cultivo de plantas mediante la manipulación de rasgos en la superficie; por ejemplo, utilizando variedades de plantas enanas que destinan más energía a la producción de semillas que al crecimiento del tallo. Sin embargo, no ocurre lo mismo con los rasgos de las raíces. Según Lynch, “una de las razones por las que aún tenemos margen para aumentar las cosechas es que hasta ahora se ha desaprovechado la enorme variación genética de las raíces”. En este artículo, Nature presenta cuatro de las líneas de trabajo principales para aumentar la producción alimentaria a través de las raíces.

Raíces de diseño
La eficacia de las raíces es tanto mayor cuanto mejor se ajusta su estructura al entorno. Así, las raíces profundas pueden obtener agua sepultada bajo terrenos resecos, mientras que las menos profundas aprovechan mejor las tierras ricas en nutrientes superficiales.

[Se está investigando una variedad de trigo de raíces profundas (derecha) en busca de mayor productividad. M. Watt, CSIRO ]

Michelle Watt, experta en plantas de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO), en Camberra, busca producir variedades de trigo que se adapten mejor a las zonas con alto riesgo de sequía. En un estudio reciente sobre variedades de trigo, el equipo de Watt descubrió que las raíces de algunas penetran un 25% más que otras2. El equipo cruzó las líneas de raíces más profundas y crecimiento más rápido con otras ampliamente utilizadas para desarrollar 400 variedades de trigo nuevas, que ahora se están probando en campos de Australia e India.

Además, Watt también está aprovechando los nuevos avances genéticos. Así, en lugar de lidiar con los 17.000 millones de pares de bases de los que consta el genoma del trigo del pan, su grupo busca marcadores genéticos asociados a las raíces profundas en el genoma del Brachypodium distachyon, que se compone de muchos menos pares: 271 millones. Esta hierba, propia de regiones templadas, pertenece a la misma subfamilia que el trigo y su genoma se descifró a principios de año. El equipo confía en que los marcadores permitan identificar, a partir de las semillas, las variedades de trigo con más posibilidades de desarrollar raíces profundas. Si así fuera, se evitaría el laborioso proceso de esperar a que las semillas crezcan para después cavar y medir la longitud de las raíces.

En la Universidad de Pensilvania, Lynch descubrió además que en entornos con agua limitada las líneas de maíz que cuentan con gran cantidad de espacio intercelular (que está lleno de aire) en el tejido de las raíces son ocho veces más productivas que las que no presentan esta característica3. Lynch explica que “en situaciones extremas, es posible que las plantas reduzcan el coste energético de producir nuevos tejidos en las raíces introduciendo una mayor cantidad de aire en ellas, lo que permite que puedan dedicar este exceso de energía a las semillas”. Sin embargo, este experto no está seguro de hasta qué punto este rasgo podría ser beneficioso para el cultivo futuro de plantas, ya que, como él mismo admitió, la investigación sobre la estructura de las raíces está aún en sus primeras etapas. “Ahora mismo sería como predecir el contenido de una obra de Shakespeare analizando la fuente utilizada. Existen propiedades emergentes en la estructura de las raíces que aún no se pueden predecir.”

Carroñeros sigilosos
La misión de las raíces es buscar nutrientes y algunos investigadores están encontrando formas de ayudarles en esta tarea, a menudo aumentando su capacidad de extraer nutrientes de la tierra o de neutralizar toxinas.

En la sabana de la zona central de Brasil, conocida como el cerrado, la alta acidez de la mayoría de los terrenos disuelve el aluminio presente en ellos, convirtiéndolo en tóxico para las raíces de las plantas. Algunas variedades se pueden proteger solas: la punta de su raíz segrega ácidos orgánicos que dejan los iones de aluminio químicamente inertes. En 2007, Leon Kochian, experto en genética de plantas de la Universidad de Cornell en Nueva York (EE. UU.), y su grupo afirmaron haber identificado un gen responsable de la resistencia al aluminio mediante la comparación de variedades del sorgo presentes en el cerrado, algunas resistentes al aluminio y otras no4. En la actualidad, están trabajando para encontrar marcadores genéticos que permitan estudiar las variedades regionales del sorgo y otros cultivos en busca de variantes más resistentes al aluminio, tanto de éste como de otros genes. Kochian explicó que durante los primeros trabajos de campo en Brasil se descubrió que las líneas con variantes genéticas resistentes al aluminio tenían un rendimiento un 33% mayor que las demás cuando crecían en terrenos ácidos.

Trevor Garnett, biólogo experto en plantas de la Universidad de Adelaida (Australia) está trabajando junto con una empresa de biotecnología agrícola llamada Arcadia Biosciences, con sede en Davis (California, EE. UU.), para comercializar un método que consigue que las raíces obtengan nitrógeno de la tierra de forma más efectiva. Para ello recurre a la sobreexpresión de los genes encargados de sintetizar el aminoácido alanina, que contiene nitrógeno. Tal y como expone Garnett, “en la actualidad, las plantas sólo absorben entre el 40 y el 50% del nitrógeno que se suministra mediante fertilizantes, lo cual tiene consecuencias nefastas”. No se trata sólo de que el nitrógeno que no se absorbe se desperdicia, sino de que además contamina los lagos y arroyos. El objetivo de Garnett es “obtener plantas más absorbentes que capten el nitrógeno cuando comienza la temporada (en lugar de dejar que éste contamine el entorno), para luego almacenarlo y distribuirlo adecuadamente a lo largo del tiempo”.

Manipulación de microbios
Otro de los grupos que trabaja con raíces busca mejorar la productividad de los cultivos aprovechando los microbios que crecen sobre la rizosfera (la estrecha zona de tierra que rodea las raíces) y a su alrededor. Ahora bien, el concepto está aún en su primera fase. Por ejemplo, no está claro si introducir un gen para combatir los hongos en un microbio sería algo factible, ni tampoco si lo sería implantar un nuevo microbio en una comunidad microbiana cuyo funcionamiento no se entiende bien aún.

Hace poco, Ian Sanders, ecologista de la Universidad de Lausana (Suiza) dio con una posible técnica. Este investigador estudia los Glomus intraradix, una variedad de hongos mutualistas que habitualmente es beneficiosa para las plantas al proporcionarles nutrientes inorgánicos, como el fosfato, a cambio de carbón. El mes pasado demostró que el cruce entre individuos de esta variedad produce una progenie con nuevas combinaciones de núcleos. Parte de ésta, cuando se aplicó sobre el arroz marrón plantado en los invernaderos, aumentó cinco veces el crecimiento de la planta5. Ahora Sanders está trabajando para encontrar el motivo, pero considera que esta tecnología podría ayudar a mantener la productividad en terrenos con déficit de fósforo.

A otros microbios, sin embargo, hay que hacerles frente. Kim Kidwell, experta en el cultivo de plantas de la Universidad Pública de Washington en Pullman (EE. UU.), busca obtener plantas que no se descompongan por la acción del hongo Rhizoctonia. Para ello, en un experimento reciente, utilizó un compuesto químico denominado metanosulfonato de etilo con el fin de crear variedades mutantes de trigo. Después de examinar medio millón de ellas, su grupo encontró una cuya resistencia al hongo era la mayor que habían visto nunca. Como ella misma reconoce, “nuestro optimismo se disparó”. Lamentablemente, el equipo no ha podido identificar aún el gen responsable y sin marcadores genéticos para hacer un seguimiento de la descendencia es muy difícil seleccionar plantas con ese rasgo a gran escala. Además, la investigadora no está segura de si el gen resistente a la descomposición de las raíces, en caso de encontrarse, producirá los mismos resultados en el campo. Según explicó, “el entorno desempeña un papel tan importante que en ocasiones el rasgo no se manifiesta en el terreno”.

Una fijación sana
La idea de que las plantas de cereal, como el trigo, el maíz y el arroz, puedan conseguir sus propias reservas de nitrógeno nunca se desecha, a pesar de haber fracasado durante décadas. Si las plantas fueran capaces de fijar el nitrógeno (tomarlo de la atmósfera y reducirlo después a amonio) en lugar de absorberlo del terreno, se conseguiría disminuir o incluso eliminar el uso de los fertilizantes, caros y perjudiciales para el medio ambiente. Sin embargo, para emular a las leguminosas, como las lentejas y las semillas de soja, que ya son capaces de hacerlo, las plantas necesitan forjar una interacción simbiótica con un microbio capaz de fijar nitrógeno, tal como el Rhizobium. La mayoría de los intentos se han centrado en buscar que las plantas formen nódulos, protuberancias libres de oxígeno que se encuentran en las raíces, donde reside el Rhizobium.

A principios de los noventa, los científicos acogieron con entusiasmo la identificación de los factores de nodulación (o factores Nod), moléculas de señalización utilizadas por los microbios para iniciar la formación de nódulos en las raíces de las leguminosas. Sin embargo, hasta la fecha todos los intentos de introducir receptores para estos factores Nod en otros cultivos han fracasado. Algunos estudios recientes, como el que demostró que ciertas especies de la bacteria simbiótica Bradyrhizobium pueden fijar nitrógeno pero carecen de factores Nod, indican que existen otros genes de fijación de nitrógeno. Tal como afirma Edward Cocking, fisiólogo y director del Centro de Fijación de Nitrógeno en la Universidad de Nottingham (Reino Unido), “ya no se trata tanto de la nodulación, sino simplemente de introducir bacterias de fijación de nitrógeno de forma intracelular”.

Muchos investigadores sostienen que la inserción de genes de fijación de nitrógeno en plantas no leguminosas es un objetivo esencial en la ciencia agrícola. Eric Triplett, presidente del Departamento de Microbiología y Ciencia Celular de la Universidad de Florida en Gainsville (EE. UU.), considera que “se necesita un equipo con la valentía y los recursos suficientes para afrontar un proyecto de al menos diez años”.

Peter Gregory, máximo responsable del Instituto Escocés de Investigación sobre Cultivos (Dundee, Reino Unido), lo tiene muy claro: “nos hemos pasado los últimos 40 años sin prestar atención a las raíces, pero ahora las consecuencias económicas y medioambientales del uso de estrategias ineficientes son evidentes. La única manera de evitarlas es saber aprovechar mejor las raíces”.