El nitrógeno es el elemento más abundante de la atmósfera. Aunque el oxígeno —que representa el 21 % del aire que pasa por nuestros pulmones— es el gas que respiramos, el nitrógeno constituye el 78 % del aire y nuestra vida también depende de él.
El nitrógeno forma parte de la estructura de nuestro ADN, de las proteínas de nuestros músculos y de las miles de enzimas —diminutas maquinas moleculares responsables de acelerar reacciones celulares— que nos mantienen vivos. Sin embargo, los seres humanos no somos capaces de asimilar el nitrógeno del aire; debemos ingerirlo en nuestros alimentos. Aun si sólo comemos carne, las vacas y los pollos tampoco pueden utilizar el nitrógeno del aire. Ellos y nosotros dependemos de las plantas para consumirlo.
Las plantas obtienen el nitrógeno ayudándose de organismos microscópicos conocidos como diazótrofos, bacterias capaces de fijar en la tierra el nitrógeno del aire utilizando la enzima nitrogenasa. Algunas plantas, como las leguminosas, incluso han desarrollado estructuras especializadas, llamadas nódulos, para alojar bacterias fijadoras de nitrógeno. Esta relación se conoce como simbiosis rizobiana, pero no todas las plantas tienen bacterias en sus tejidos. Aquellas que no logran alojar a los diazótrofos en sus raíces, dependen únicamente del nitrógeno fijado por los microorganismos que viven libremente en el suelo o bien de la aplicación de fertilizantes sintéticos. De hecho, es probable que, si se utiliza fertilizante, se haga para que las plantas crezcan y produzcan más hojas. Además de nitrógeno, la mayoría de los fertilizantes químicos contiene fósforo y potasio. En conjunto, estos compuestos han sido pieza clave en la agricultura moderna, permitiendo el aumento en la productividad de cultivos.
Ilustración: Patricio Betteo
Sin embargo, el uso de fertilizantes a base de nitrógeno promueve la generación de óxido nitroso (N2O), un gas de efecto invernadero. Al aumentar la concentración de nitrógeno disponible en el suelo, los microorganismos de vida libre lo transforman en óxido nitroso que se descarga a la atmósfera. En México, la agricultura generó el 67.2 % de las emisiones de óxido nitroso en 2014, incluso por encima de las generadas por el transporte. Datos más recientes muestran que en Estados Unidos, en 2018, la agricultura fue la mayor fuente de emisiones de este gas, contribuyendo con el 77.8 %.
Dado que plantas como el arroz o el maíz —cereales que, junto con el trigo, sorgo y mijo aportan 60 % de la ingesta calórica de la población mundial— normalmente no albergan diazótrofos en sus raíces, dependen del uso de fertilizantes sintéticos para aumentar su productividad. Sin embargo, en 2002 un grupo de investigadores de México y Francia encontró un maíz llamado Tsaa poo’pmook (cv. Piedra blanca), creciendo en la Sierra Mixe de Oaxaca.
Este maíz ha sido llamado el “Santo Grial de la agricultura” por su capacidad de tomar nitrógeno del aire. Pero, el trabajo de estos investigadores no demostró que la planta utilice el nitrógeno fijado por las bacterias del género Burkholderia como fertilizante; algo que, en 2018, otro grupo de investigadores de dos universidades en Estados Unidos logró hacer.
Cabe destacar que el maíz tradicional de la sierra Mixe, a diferencia de los maíces modernos, desarrolla largas raíces sobre el tallo fuera de la tierra, conocidas como raíces adventicias.
Las variedades modernas de maíz, también conocidas como maíces híbridos, son formas comerciales no transgénicas, generadas a partir del cruce controlado de líneas de maíz relacionadas genéticamente (líneas endogámicas). De acuerdo con un estudio publicado en 2019, se calcula que entre el 42.5 % y 58 % de la superficie cultivable en México está dedicada para el cultivo de variedades modernas de maíz —utilizadas principalmente para la producción de tortillas.
Las raíces adventicias del maíz tradicional de Oaxaca producen mucílago, una sustancia gelatinosa compuesta de azúcares, como arabinosa, fucosa y galactosa, en el que viven bacterias fijadoras de nitrógeno. Los investigadores también encontraron que las raíces no son suficientes para hospedar a los diazótrofos: estas bacterias necesitan un ambiente libre de oxígeno y rico en nutrientes para poder fijar nitrógeno. Es ahí donde el mucílago se vuelve fundamental para asegurar el éxito de esta relación simbiótica, pues provee un medio anóxico y nutritivo para que las bacterias trabajen sin contratiempo. De hecho, son tan exitosas, que entre el 29 % y el 82 % del nitrógeno de la planta proviene del aire que atrapan las bacterias.
Los investigadores aún no saben cómo es que el maíz de Oaxaca adquiere a los diazótrofos inicialmente, pero han propuesto dos explicaciones. Por una parte, las semillas de maíz podrían adquirir a las bacterias del suelo circundante al caer de la mazorca. Sin embargo, durante sus estudios, los científicos encontraron evidencia de fijación de nitrógeno en las raíces adventicias del pariente silvestre del maíz (Zea mays ssp. mexicana, teosinte). Por lo tanto, sugieren que los genes del teosinte que codifican para la producción de bacterias fijadoras de nitrógeno podrían haber sido introgresados, o transferidos, al genoma del maíz de la Sierra Mixe.
El desarrollo de variedades modernas de maíz capaces de fijar nitrógeno y fertilizarse a sí mismas no sucederá en el futuro cercano debido las implicaciones técnicas que esto conlleva. Sin embargo, como otros han planteado, será interesante ver cómo los habitantes de la Sierra Mixe se beneficiarían de las ganancias económicas que supondría utilizar su maíz de manera comercial.
Los investigadores comentan en su publicación haber recibido una certificación de cumplimiento del protocolo de Nagoya. Además, reportan haber adquirido las semillas de Oaxaca a través de un Acuerdo de Acceso y Distribución de Beneficios (ABS en inglés). Este acuerdo es un sistema de ley internacional que busca repartir de manera justa, entre usuarios y países donantes, los beneficios generados del uso de recursos genéticos. En el caso del maíz de la Sierra Mixe, el acuerdo fue firmado entre la comunidad oaxaqueña y BioN2, una subsidiaria de la compañía productora de alimentos Mars, que financió parte de la investigación.
México cuenta con recursos genéticos más que valiosos para alimentar a su población, reducir la dependencia a los fertilizantes químicos y así combatir el cambio climático. Queda pendiente que se echen a andar los programas basados en datos científicos para revolucionar el campo en nuestro país.
Lorena Villanueva Almanza
Doctora en Biología de Plantas por la Universidad de California Riverside y escritora de ciencia. Su trabajo ha sido publicado en el periódico The Indianapolis Star, las revistas Science y Este País entre otras publicaciones.
Referencias
Lumen, “Boundless Microbiology”, Nitrogen Fixation.
Nature Research, “Rhizobial Symbiosis”.
Fertilizer history, “WWII Nitrogen Production Issues in Age of Modern Fertilizers”, University of Nebraska-Lincoln.
Emisión de gases de efecto invernadero de la fertilización nitrogenada en México.
Overview of Greenhouse Gases, “Nitrous Oxide Emissions”, United States Environmental Protection Agency.
Genetic Resources and Biodiversity for Food and Agriculture, A Treasure for the Future, Food and Agriculture Organization.
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Contemporary evolution of maize landraces and their wild relatives influenced by gene flow with modern maize varieties.
Indigenous Maize: Who Owns the Rights to Mexico’s ‘Wonder’ Plant?
Balanced Options for Access and Benefit-Sharing: Stakeholder Insights on Provider Country Legislation.
Mars, Incorporated – List of covered Mars US entities and subsidiaries.