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Bioquímica

A la hora de las dificultades

En condiciones extremas, la planta que se utiliza en la elaboración del tequila se alimenta de las bacterias que viven en su interior

El agave azul es típico de regiones con suelo pobre y arenoso y constituye la materia prima del tequila

LÉO RAMOSEl agave azul es típico de regiones con suelo pobre y arenoso y constituye la materia prima del tequilaLÉO RAMOS

El tequila, la famosa bebida destilada mexicana, se elabora con la pulpa de una planta de hojas oblongas, duras y espinosas: el agave azul (Agave tequilana). Dicha planta, típica del desierto, crece en suelos pobres y arenosos en parte gracias a los nutrientes producidos por bacterias que viven armoniosamente en el interior de sus células. Pero en momentos de necesidad extrema, tales como los largos períodos de sequías o de sol intenso, el agave azul sacrifica esas bacterias y se alimenta de ellas para sobrevivir. “La planta, literalmente,consume sus bacterias para mantenerse viva”, explica el bioquímico Paolo Di Mascio, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP).

Di Mascio tomó parte en un equipo internacional que realizó una serie de experimentos en el IQ-USP y en la Universidad Rutgers, en Estados Unidos, y demostró que el agave azul digiere la bacteria Bacillus tequilensis, normalmente hallada en sus células. Esta estrategia le permite a la planta absorber al menos parte de los nutrientes que necesita para atravesar los períodos de privación. Los resultados de este trabajo, publicado en noviembre de 2014 en Scientific Reports, revelan también que, aun cuando existe una abundancia de nutrientes, el agave azul se beneficia de su sociedad con la B. tequilensis: la presencia de esta bacteria hace que la planta crezca más rápido y llegue incluso a triplicar su producción de biomasa.

Otras investigaciones recientes ya habían indicado que ciertas especies de bacterias colaboran en el crecimiento de plantas y en el control de plagas agrícolas. “Buscamos microrganismos que reemplacen o reduzcan el uso de fertilizantes y pesticidas”, dice Miguel Beltrán-García, investigador de la Universidad Autónoma de Guadalajara, México, quien lideró los estudios con el agave.

En el laboratorio: las hojas se maceran...

Léo RamosEn el laboratorio: las hojas se maceran…Léo Ramos

Beltrán-García llevó adelante esos experimentos en 2013, cuando pasó un año en el IQ-USP por invitación de Di Mascio, su colaborador desde hace más de una década. Junto a otro equipo internacional, identificaron una vía bioquímica por la cual el hongo Mycosphaerella fijiensis daña a los bananos. Los experimentos, descritos el año pasado en la publicación periódica PLoS One, indicaron que la luz solar, al incidir sobre el pigmento melanina, producido por el hongo, desencadena reacciones fotoquímicas que generan moléculas de oxígeno excitado y provocan la muerte de las células en las  hojas de la planta, dejándolas con una tonalidad oscurecida. Los investigadores siguen investigando ahora esta plaga, conocida como sigatoka negra, para entender mejor de qué modo una solución líquida desarrollada por Beltrán-García y sus colaboradores logró controlar la enfermedad en plantaciones comerciales en México. Dicha solución se elabora a base de una mezcla de bacterias que se extraen de los propios bananos y, aparte del efecto pesticida, sirve como fertilizante.

En simultáneo con la investigación sobre la plaga de los bananos, Beltrán-García sigue preocupado con el futuro del agave azul, uno de los principales productos agrícolas del estado mexicano de Jalisco, donde se encuentran la ciudad de Guadalajara y el pueblo de Tequila. Esta fuerte bebida destilada no es el único derivado del agave azul fabricado a escala industrial. De él también se extrae, después de la cocción, un jarabe más dulce que la miel y la inulina, un azúcar que se emplea en la producción de alimentos. “La producción del agave azul está padeciendo con enfermedades provocadas por hongos y bacterias y con el ataque de insectos”, explica Beltrán-García.

Hambre de nitrógeno
Para intentar incrementar la productividad, los agricultores aplican cantidades excesivas de fertilizantes –un fenómeno mundial en la agricultura–, lo que también genera consecuencias indeseables. Los fertilizantes contienen sales de nitrato y de cloruro de amonio, fuentes de uno de los nutrientes más esenciales para las plantas, el nitrógeno. Ese elemento químico entra en la composición de las proteínas, del ADN y de la molécula de clorofila, el pigmento responsable de la reacción de fotosíntesis que alimenta a los vegetales. El problema reside en que las plantas absorben tan sólo la mitad del nitrógeno de los fertilizantes. El resto va a parar al ambiente y puede perjudicar la calidad del suelo y contaminar ecosistemas distantes, cuando es llevado lejos por el viento y el agua.

...y se las corta...

LÉO RAMOS…y se las corta…LÉO RAMOS

A causa de estos efectos, se buscan alternativas a los fertilizantes. Una de ellas la constituyen bacterias que ayudan a las plantas a extraer nitrógeno: transforman el nitrógeno del aire (inerte para la mayoría de los seres vivos) y de otros compuestos en moléculas que ellas pueden absorber, tales como el amoníaco. Otras bacterias descomponen organismos muertos y ponen a disposición de las plantas compuestos a base de nitrógeno.

Más recientemente se detectó que las plantas también adquieren nitrógeno con la ayuda de otro tipo de microorganismos: las bacterias endofíticas como la Bacillus tequilensis, que viven en el interior de las células vegetales en armonía con su huésped. Sin embargo, nadie sabe de qué modo el agave aprovecha los nutrientes que producen estas bacterias, ya sea que estén en el suelo, en las raíces o en las células vegetales.

“Resulta difícil estudiar el flujo de nutrientes de los microbios a las plantas”, afirma James White, experto en interacción entre plantas y microorganismos de la Universidad Rutgers, uno de los colaboradores de Beltrán-García y de Di Mascio en el estudio de la sigatoka negra. “Probablemente por eso, nadie ha realizado este tipo de experimentos”, comenta White, quien junto a su colega Monica Torres también participó en el trabajo con el agave azul.

White estudia gramíneas que albergan bacterias endofíticas y estima que las plantas pueden digerir los microorganismos mediante la producción de agua oxigenada (H2O2). Ésta, que tiene una fórmula química similar a la del agua, contiene un átomo de oxígeno extra que tiende a reaccionar con otras moléculas. El investigador imagina que el agua oxigenada que libera la planta destruye a las bacterias endofíticas y descompone sus moléculas grandes en moléculas menores que las células vegetales pueden aprovechar. “Contamos con evidencias de que eso sucede en algunas especies, pero creemos que ese proceso puede ocurrir en todo el reino vegetal”, dice White. “La cuestión que queda abierta consiste en saber cuán importante es para la planta el nitrógeno proveniente de las bacterias endofíticas”. La respuesta probablemente debe variar de una especie de planta a otra y según las circunstancias en que se la misma encuentra.

...para pasar por dos tipos de análisis en que se evalúa la incorporación de nitrógeno 15

LÉO RAMOS…para pasar por dos tipos de análisis en que se evalúa la incorporación de nitrógeno 15LÉO RAMOS

En uno de los experimentos, White y Monica observaron en el microscopio células de la raíz del agave azul arrojando agua oxigenada sobre bacterias B. tequilensis inoculadas en la planta. Sin embargo, esta prueba no despejaba todavía una duda: ¿la liberación de agua oxigenada sería una reacción de defensa de la planta contra el exceso de bacterias o una forma de obtener nutrientes?

El seguimiento del isótopo
Di Mascio tuvo entonces la idea de cultivar B. tequilensis en laboratorio, y las alimentó con un nitrógeno especial que podría rastrearse y, posteriormente, detectárselo en moléculas producidas por las plantas. Les dieron a las bacterias un tipo de nitrógeno que pesa 15 unidades de masa atómica, a diferencia de la mayoría de los átomos de nitrógeno hallados en la naturaleza, que tienen un peso de 14.

En el IQ-USP, Fernanda Prado, Kátia Prieto y Marisa Medeiros, del Departamento de Bioquímica, y Lydia Yamaguchi y Massuo Kato, del Departamento de Química Fundamental, alimentaron plántulas de agave azul cultivadas en condiciones controladas con las bacterias que contenían nitrógeno 15. En uno de los experimentos, las plántulas eran retiradas del invernadero una vez por semana, y a su vez también eran lavadas y esterilizadas. Después pasaban algunas horas en una maceta con arena estéril y una solución de B. tequilensis, lo cual simulaba un ambiente pobre en nitrógeno. Los investigadores aumentaban el estrés del ambiente al dejar el agave bajo una luz muy intensa.

054-057_Tequila_230Al cabo de seis meses, los científicos recolectaron las hojas que brotaron durante ese período y las analizaron con la ayuda de espectrómetros de masas, aparatos capaces de distinguir entre ambos tipos de nitrógeno. Y encontraron nitrógeno 15 tanto en aminoácidos (los bloques que conforman las proteínas) como en el ADN y en la feofitina, una molécula derivada de la clorofila. “La feofitina es típica de la planta y no existe en la bacteria”, explica Di Mascio. “El haber hallado feofitina con nitrógeno 15 es la prueba de que átomos de las bacterias absorbidas por las raíces fueron a parar a una molécula generada por la planta.”

En otro experimento, los investigadores compararon el crecimiento de plántulas a las que no se les aplicaron dosis semanales de B. tequilensis con aquéllas a las que sí se les introdujeron las bacterias, vivas o muertas. Los vegetales alimentados con bacterias vivas crecieron dos veces más que aquéllos que recibieron bacterias muertas, y tres veces más que las plántulas alimentadas con una solución mineral con nitrógeno. Este resultado sugiere que, más allá de aportar nitrógeno, las B. tequilensis que viven en el agave azul producen hormonas de crecimiento vegetal llamados auxinas.

En estudios brasileños realizados con caña de azúcar se había demostrado anteriormente que la inoculación de bacterias endofíticas puede acelerar considerablemente el crecimiento de las plantas. En colaboración con Antonio Figueira y Layanne Souza, de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz de la USP, Di Mascio y Kátia Prieto planean realizar experimentos análogos a los que se realizaron con el agave azul, pero con caña de azúcar. “Trabajar con la cañamiel es más difícil, porque en laboratorio las plantas crecen con el agregado de mucho azúcar”, explica Di Mascio. “Y el azúcar aumenta el riesgo de contaminación con otras bacterias y hongos, lo que puede arruinar el experimento.”

Chanyarat Paungfoo-Lonhienne, investigadora de la Universidad de Queensland, en Australia, afirma que el resultado obtenido con el agave “impulsa a investigar si ése es también un modo de nutrición de otras plantas”. En 2010, la científica condujo el primero estudio en demostrar que ciertas plantas –en ese caso, el tomate y la Arabidopsis thaliana, una planta modelo empleada en estudios– son capaces de digerir bacterias y hongos invasores. Para Paungfoo-Lonhienne, la comprensión del funcionamiento de la interacción de esas bacterias con las plantas y la asociación de dicha combinación con otras técnicas orgánicas puede llevar a resultados interesantes: “Puede hacer disminuir el uso de fertilizantes, cuando no reemplazarlo totalmente”.

Proyectos
1. Oxígeno singlete y peróxidos en química biológica (nº 2012/ 12663-1); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Paolo Di Mascio (IQ-USP); Inversión R$ 3.408.783,02 (FAPESP).
2. Redoxoma (nº 2013/07937-8); Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Ohara Augusto; Inversión R$ 22.604.697,96 (FAPESP – para todo el proyecto).

Artículo científico
BELTRÁN-GARCÍA, M. J. et al. Nitrogen acquisition in Agave tequilana from degradation of endophytic bacteria. Scientific Reports. v. 4, n. 6.938. 6 nov. 2014.

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