Microbiologia agrícola

1988/08/01 Gonzalez, Edorta Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Mikrobiologia
• Nekazaritza

Bacteris del gènere Rhizobium infectant el raiz del trèvol.

Avui dia, després de la Revolució Verda, tan important en el Tercer Món, ens ha acostat la Revolució Biotecnològica. Això relaciona les capacitats bioquímiques i genètiques dels organismes vius amb objectius pràctics d'interès per a l'ésser humà. Les tècniques de biotecnologia en l'àmbit agrari es poden classificar en dues categories: la producció primària (d'una banda, pel que fa a la millora de les plantes i a la fixació de nitrogen) i la biotransformación dels residus (en termes de producció d'energia i aliments).

Aquestes noves tècniques han portat collites suficients. A tall d'exemple, en els últims trenta anys el rendiment del blat de moro s'ha multiplicat per cinc i en el cas de l'arròs s'han obtingut 60.000 varietats. Aquests procediments són de tres nivells: fitológicos, genètics i microbiològics. Moltes vegades aquestes àrees estan estretament relacionades. No obstant això, per part nostra, només us publicarem microbiologia agrícola.

Els científics, després de realitzar els seus experiments, observen sovint que els bacteris que responen biològicament en el laboratori no actuen de la mateixa manera en els camps de cultiu, ja que la producció de plantes associades a aquests microorganismes és molt baixa. L'agricultura, per tant, ens ofereix nombrosos exemples de diferències entre el que ocorre en les cubes de fermentació i en els camps de cultiu. Els biòlegs hem de tenir en compte que la cuba de fermentació és un mitjà molt concret. Totes les variables físiques, químiques i biològiques estan controlades. A més, només hi ha una espècie de microorganisme. Si volem aplicar-ho a l'agricultura, hem d'analitzar tant la interacció entre microorganismes com les relacions amb la biosfera.

Fixació de nitrogen

Veurem les aplicacions contractades. Per exemple, la microbiologia agrícola podria resoldre un problema interessant: la fixació del nitrogen. En molts pobles s'han iniciat estudis exhaustius amb l'objectiu que les plantes, per si mateixes, assenteixen correctament el nitrogen atmosfèric. Sabem que els baserritarras han de tirar fertilitzants nitrogenats perquè les plantes prenguin nitrogen, amb els costos econòmics i les conseqüències ecològiques que això comporta. La millor solució, com s'ha esmentat anteriorment, seria fixar el nitrogen des de l'aire, és a dir, prendre aquest element de forma biològicament útil. Per a entendre el procés, vegem primer el cicle del nitrogen:

El cicle del nitrogen manté l'equilibri entre les dues grans fonts de compostos nitrogenats, l'Atmosfera i l'Escorça terrestre. Les plantes verdes només poden utilitzar nitrogen quan aquest element està dins de compostos químics com l'amoníac (NH 3). Per això no poden treure el nitrogen directament de l'atmosfera. De fet, en l'atmosfera es troba en forma de molècula diatòmica (N 2). Tot això fa que el nitrogen es fixi industrialment mitjançant processos bacteriològics o naturals (per exemple, tempestes amb molt de llamp). Les plantes necessiten poc nitrogen, però de manera contínua, ja que la terra perd nitrogen mitjançant el drenatge i la collita. A més, no hem d'oblidar una altra pèrdua de nitrogen, causada per bacteris desnitrificantes.

Els bacteris del gènere Rhizobium infecten les arrels de certes plantes lleguminoses, però això no és en absolut un procés patogènic. La planta, per part seva, manté una relació simbiòtica amb el microorganisme: la planta aporta nutrients al bacteri i aquest últim nitrogen (en forma de NH 3) al vegetal. Després d'introduir-se en les arrels del leguminoso Rhizobium, genera uns embalums espectaculars, anomenats nòduls.

Vegem la infecció d'un radicular:

En la infecció els bacteris s'adhereixen a tomb d'arrel. Plantes i microorganismes es coneixen mitjançant proteïnes específiques. Poc després es fiquen en la mota i es dirigeixen cap a una cèl·lula de l'arrel. La infecció produeix inflamació i separació cel·lular. La conseqüència és la formació del nòdul. Conté un dens grup de cèl·lules infectades per bacteris simbiotas.

El Rhizobium va ser aïllat en 1888 i quinze anys després s'inoculava en els camps de cultiu, augmentant considerablement la producció agrícola. En l'actualitat, els diferents retorns d'aquesta espècie s'envasen juntament amb la torba triturada per a la seva dispersió pels terrenys. El nitrogen és imprescindible en el metabolisme de les plantes. Com sabem, participa en nombrosos compostos biològics. Per exemple, les unitats de proteïnes, els aminoàcids, necessiten nitrogen per a construir enllaços peptídics entre elles. Quan la planta mor, els aminoàcids es degraden i apareixen en forma d'amoníac o ió nitrat (NO 3 –). Posteriorment, els bacteris desnitrificantes transformen els nitrats en nitrogen molecular (N 2), que es retorna a l'atmosfera. Així es tanca el cicle del nitrogen.

La recol·lecció de collites, els bacteris desnitrificantes i la neteja del sòl per pluja generen la pèrdua de nitrogen fixada. Aquest nitrogen perdut o, més ben dit, retornat al sòl si es desitja que les plantes de la següent collita sintetitzin les proteïnes necessàries per al seu desenvolupament.

La fixació del nitrogen no és exclusiva del gènere Rhizobium. Tenim altres exemples: L'actinomicete Frankia alni, un fong, fa el mateix amb l'alliso en les seves relacions de simbiosis. Així doncs, en els boscos es pot alternar culte amb l'avet i el pollancre Douglas. D'altra banda, alguns bacteris només fixen el nitrogen, és a dir, sense estar en simbiosi amb les plantes.

Les recerques s'estan duent a terme amb l'objectiu d'afinar Azotobacter vinelandii en les arrels del blat de moro. A més, utilitzant l'enginyeria genètica es van fer passar uns gens de Rhizobium a A. vinelandiita. D'aquesta manera l'últim microorganisme s'adhiría a les arrels del trèvol. Amb la mateixa tècnica genètica es pretén afinar les arrels del blat de moro A. vinelandii, però aquesta unió amb el blat de moro que creix als Estats Units és, de moment, impossible. L'objectiu dels estudis avançats seria introduir els gens fixadors de nitrogen en els cultius. Tanmateix, això es considera molt complicat.

Biòlegs de la Universitat de Califòrnia, en Berkeley, descobreixen que l'addició del bacteri Pseudomonas putida a la remolatxa sucrera o a les patates augmenta el rendiment d'aquestes plantes. Sembla ser que el microorganisme segrega diversos compostos químics i aquestes substàncies es combinen amb el ferro terrestre. Els fongs i bacteris patògens no poden assimilar aquesta nova forma de ferro. Per tant, els microorganismes patògens no poden atacar la planta.

Bacteris del gènere Rhizobium infectant radicals.

Genètica microbiana agrícola

En el centre d'aquest problema es troba l'àcid desoxiribonucleic (ADN). És a dir, que porta codificades les ordres genètiques que guiaran el comportament de les cèl·lules i, en conseqüència, el comportament de plantes, animals o microbis. Aquesta inconclusa molècula d'ADN pot dividir-se en parts —en els gens— de les quals depenen les característiques específiques. El producte resultant de la combinació artificial de fragments d'ADN procedents de diferents organismes es denomina ADN recombinant.

Les manipulacions genètiques són el gran avanç de la biotecnologia en els últims deu anys: l'ús de microbis i altres organismes unicel·lulars. A partir d'ells s'han obtingut una sèrie de medicaments i substàncies útils i s'ha donat un impuls als processos industrials.

En microbiologia agrícola s'utilitza sovint una altra estratègia genètica: introduir un gen de la planta en el bacteri. Per a això, tallem el gen que ens interessa amb diferents enzims (endonucleasas de restricció) i posteriorment ho introduïm en el bacteri a través d'un plasma –part de l'ADN que està fora del cromosoma bacterià- o d'un virus. Així, en molts laboratoris els gens vegetals han entrat en l'Escherichia coli. Això no significa que el bacteri produeixi les proteïnes corresponents a aquest gen. Aquests mecanismes genètics no estan del tot clars. Si alguna vegada s'aconseguís això, les proteïnes vegetals s'obtindrien mitjançant el cultiu de bacteris en cubes de fermentació.

La transferència de gens d'un microorganisme a una planta és un dels mètodes més fins que utilitza la microbiologia per a ajudar a l'agricultura. Utilitzant l'ADN recombinant, el camp dels gens vegetals està sens dubte molt més retardat que el dels gens animals. No obstant això, la introducció de gens estranys té les mateixes bases, encara que la cèl·lula original sigui animal, vegetal o bacteriana. En la zona d'introducció de gens en cèl·lules vegetals s'han dut a terme diversos estudis.

Per exemple, Agrobacterium tumefaciens infecta la majoria de les plantes dicotiledóneas. Aquest microbi porta un plasmidi. Això genera tumors en aquestes plantes. Aquest mecanisme d'agitació es denomina colonització genètica. En aquest procés un tros d'ADN plasmídico (ADN-T) s'uneix a l'ADN de la cèl·lula vegetal. Per això, el plasmidi podria utilitzar-se com a vector (portador) d'introducció d'ADN estrany en cèl·lules vegetals, com es pot observar en la Figura 4.

Tallem el plasmidi en un punt dins de l'ADN-T deixant un buit. Això ho omplirà el gen estrany. Després es repeteix ADN-T en el moment de la divisió de cèl·lules tumorals i les cèl·lules tumorals que tenim en un cultiu de teixits portaran ADN-T. En alguns casos es regenerarà tota la planta a partir de cèl·lules tumorals conreades. Com a conseqüència d'aquest procés es manté en els cromosomes de la planta regenerada per ADN-T. És més, el nou gen que es troba a l'interior de l'ADN-T passarà a la següent balaunada vegetal amb un gen dominant.

"En aquest laboratori de Kuala-Lumpur (Malàisia), uns biotecnólogos malais, dins d'un programa d'obtenció de palmeres d'oli de millor qualitat, s'encarreguen del cultiu in vitro".

La conclusió més destacable de tot això seria: Els gens estranys generats a l'interior de l'ADN-T passarien a la descendència per a obtenir noves varietats vegetals. Alguns científics que treballen en l'Institut Max Planck de Millora Vegetal de Colònia han comprovat tot l'exposat anteriorment en el cas del gen que codifica la planta de tabac i l'enzim opina sintetasa.

Un grup d'investigadors de la Universitat Sussex també ha aconseguit una nova transferència genètica. En aquesta ocasió, els gens responsables de la fixació del nitrogen en el bacteri Klebsiella neumoniae han estat introduïts en un plasma d'E. coli i posteriorment introduïts en un llevat. Aquest és un gran avanç científic. De fet, els llevats són eucariotes, per la qual cosa estan més a prop filogenéticamente (en grau de parentiu) de les plantes.

Un altre tercer tipus de recerca és la constatació d'investigadors de la Universitat de Califòrnia, en Berkeley, que si el gel afecta tant a les plantes de maduixes, és perquè els bacteris que atreuen i fixen els cristalls de gel viuen en les fulles. Aquest fenomen és degut a una proteïna d'aquests microbis, i els biòlegs californians han pogut retirar el gen que el produeix, i gràcies a això esperen que les plantes de maduixes, tractades amb aquest bacteri antihielo, i amb l'esperança que es reprodueixi de manera natural, els grans danys del gel, acabin en un termini.

Una altra cosa és que els enginyers genètics tinguin l'esperança de millorar els insecticides biològics que podrien ser utilitzats en lloc dels insecticides químics que habitualment contaminen el medi ambient, que podrien acabar amb els paràsits sense contaminar l'entorn. Per exemple, les tècniques d'ADN recombinant estan aconseguint millorar els resultats del bacil Bacillus thuringiensis, utilitzat des de fa anys per a eliminar espècies nocives. Destaca el cas de la gusana que toca els pins del nord d'Anglaterra. En altres regions la trencalossos paràsits està controlada per un virus vacuolar que infecta a cucs.

Ara aquest virus es conrea per a estendre'l en pinedes i potenciar el seu efecte destructiu. De moment, els experiments es realitzen amb un virus inalterat, però que en part de l'ADN sense codi gènic porta una marca per a poder analitzar in situ la seva propagació o resistència. Si tot va bé, al virus se li injectarà un gen capaç de sintetitzar una toxina insecticida. No cal dir que aquestes tècniques vulneren àmplies vies d'oclusió contra insectes nocius en altres països.

Avanços en biotecnologia

Per a conèixer l'avanç de la biotecnologia en matèria agrària respecte a la Revolució Verda, en la següent taula es mostren les diferències entre ambdues:

Organismes de recerca en microbiologia agrícola

Aquest que la majoria dels científics parla és que les ajudes a la recerca també són molt escasses. Sabem si aquestes queixes són raonables o no.

Quant al cas dels EUA, en 1982 el Govern de Reagan va lliurar al Departament d'Agricultura 691 milions de dòlars per a la recerca. Enguany era el 5,3% del pressupost per a la recerca bàsica i aplicada. No obstant això, només una petita part d'aquesta quantitat va aconseguir l'àrea de microbiologia agrícola. A tall d'exemple, en l'estudi bàsic de la fixació de nitrogen, els mecanismes genètics de millora vegetal, les situacions de pressió ambiental, la recerca bàsica de les necessitats de creixement vegetal i d'alimentació humana només es van gastar 26 milions de dòlars.

L'àrea de microbiologia va rebre 4,6 milions. Aquestes xifres són, com és obvi, molt reduïdes i es donen al país més avançat. Per tant, en el Tercer Món es pot intuir fàcilment que la situació és molt més preocupant i no podem oblidar que en aquests països pobres les necessitats en matèria agrària són enormes, atès que el fantasma de la fam avança constantment.

En la següent taula es pot comparar el número de biotecnólogos:

Com és evident, els països en desenvolupament tenen una enorme falta d'experts i biotecnólogos. És, sens dubte, una de les millors vies de cooperació territorial i internacional en aquesta matèria per a traslladar-se als països pobres i complir les seves promeses. També per a resoldre els problemes que planteja aquest problema. Aquesta col·laboració es canalitza a través d'acords bilaterals entre empreses i entitats del sector privat. Dins de la UNESCO, per exemple, les institucions i reunions que s'ocupen d'aquests temes són:

Unesco

ENTITAT

1.- MIRCEN: Microbiological Resources Centers. És una xarxa mundial.

Objectiu: recollida, cura i utilització d'escòries microbianes per al desenvolupament nacional i la cooperació internacional.

VIES

2.- IGAM: Reunions científiques sobre els efectes de la microbiologia aplicada a nivell mundial.

Objectiu: Fomentar la cooperació entre els països industrials i els països en desenvolupament, promoure la recerca i la formació locals.

3.- ORGANISMES I ORGANISMES NO GOVERNAMENTALS DE LES NACIONS UNIDES

4.- COL·LABORACIÓ AMB ENTITATS REGIONALS:

Exemple dels països desenvolupats, els hivernacles de l'empresa Monsanto.

Font: Céres, FAO/Buttel et al.