Microbiología agrícola

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

• Mikrobiologia
• Nekazaritza

Bacterias do xénero Rhizobium infectando o raiz do trevo.

Hoxe en día, tras a Revolución Verde, tan importante no Terceiro Mundo, achegounos a Revolución Biotecnológica. Isto relaciona as capacidades bioquímicas e xenéticas dos organismos vivos con obxectivos prácticos de interese paira o ser humano. As técnicas de biotecnoloxía no ámbito agrario pódense clasificar en dúas categorías: a produción primaria (por unha banda, no que se refire á mellora das plantas e á fixación de nitróxeno) e a biotransformación dos residuos (en termos de produción de enerxía e alimentos).

Estas novas técnicas trouxeron colleitas suficientes. A modo de exemplo, nos últimos trinta anos o rendemento do millo multiplicouse por cinco e no caso do arroz obtivéronse 60.000 variedades. Estes procedementos son de tres niveles: fitológicos, xenéticos e microbiológicos. Moitas veces estas áreas están estreitamente relacionadas. No entanto, pola nosa banda, só publicarémosvos microbiología agrícola.

Os científicos, tras realizar os seus experimentos, observan a miúdo que as bacterias que responden biológicamente no laboratorio non actúan da mesma maneira nos campos de cultivo, xa que a produción de plantas asociadas a estes microorganismos é moi baixa. A agricultura, por tanto, ofrécenos numerosos exemplos de diferenzas entre o que ocorre nas cubas de fermentación e nos campos de cultivo. Os biólogos debemos ter en conta que a cuba de fermentación é un medio moi concreto. Todas as variables físicas, químicas e biolóxicas están controladas. Ademais, só hai una especie de microorganismo. Se queremos aplicalo á agricultura, debemos analizar tanto a interacción entre microorganismos como as relacións coa biosfera.

Fixación de nitróxeno

Imos ver as aplicacións contratadas. Por exemplo, a microbiología agrícola podería resolver un problema interesante: a fixación do nitróxeno. En moitos pobos iniciáronse estudos exhaustivos co obxectivo de que as plantas, por si mesmas, asenten correctamente o nitróxeno atmosférico. Sabemos que os baserritarras deben botar fertilizantes nitrogenados para que as plantas tomen nitróxeno, cos custos económicos e as consecuencias ecolóxicas que iso leva. A mellor solución, como se mencionou anteriormente, sería fixar o nitróxeno desde o aire, é dicir, tomar este elemento de forma biológicamente útil. Paira entender o proceso, vexamos primeiro o ciclo do nitróxeno:

O ciclo do nitróxeno mantén o equilibrio entre as dúas grandes fontes de compostos nitrogenados, a Atmosfera e a Cortiza Terrestre. As plantas verdes só poden utilizar nitróxeno cando este elemento está dentro de compostos químicos como o amoníaco (NH 3). Por iso non poden sacar o nitróxeno directamente da atmosfera. De feito, na atmosfera atópase en forma de molécula diatómica (N 2). Todo isto fai que o nitróxeno se fixe industrialmente mediante procesos bacteriológicos ou naturais (por exemplo, tormentas con moito raio). As plantas necesitan pouco nitróxeno, pero de forma continua, xa que a terra perde nitróxeno mediante a drenaxe e a colleita. Ademais, non debemos esquecer outra perda de nitróxeno, causada por bacterias desnitrificantes.

As bacterias do xénero Rhizobium infectan as raíces de certas plantas leguminosas, pero isto non é en absoluto un proceso patogénico. A planta, pola súa banda, mantén una relación simbiótica co microorganismo: a planta achega nutrientes á bacteria e este último nitróxeno (en forma de NH 3) ao vexetal. Tras introducirse nas raíces do leguminoso Rhizobium, xera uns vultos espectaculares, chamados nódulos.

Vexamos a infección dun radicular:

Na infección as bacterias adhírense ao xeito de raíz. Plantas e microorganismos coñécense mediante proteínas específicas. Pouco despois métense no cepellón e diríxense cara a unha célula da raíz. A infección produce inflamación e separación celular. A consecuencia é a formación do nódulo. Contén un denso grupo de células infectadas por bacterias simbiotas.

O Rhizobium foi illado en 1888 e quince anos despois se inoculaba nos campos de cultivo, aumentando considerablemente a produción agrícola. Na actualidade, os diferentes retornos desta especie se envasan xunto con túrbaa triturada paira a súa dispersión polos terreos. O nitróxeno é imprescindible no metabolismo das plantas. Como sabemos, participa en numerosos compostos biolóxicos. Por exemplo, as unidades de proteínas, os aminoácidos, necesitan nitróxeno paira construír enlaces peptídicos entre elas. Cando a planta morre, os aminoácidos degrádanse e aparecen en forma de amoníaco ou ion nitrato (NON 3 –). Posteriormente, as bacterias desnitrificantes transforman os nitratos en nitróxeno molecular (N 2), que se devolve á atmosfera. Así se pecha o ciclo do nitróxeno.

A recolección de colleitas, as bacterias desnitrificantes e a limpeza do chan por choiva xeran a perda de nitróxeno fixada. Este nitróxeno perdido ou, mellor devandito, devolto ao chan se se desexa que as plantas da seguinte colleita sinteticen as proteínas necesarias paira o seu desenvolvemento.

A fixación do nitróxeno non é exclusiva do xénero Rhizobium. Temos outros exemplos: O actinomicete Frankia alni, un fungo, fai o mesmo co aliso nas súas relacións de simbioses. Así pois, nos bosques pódese alternar culto co abeto e o chopo Douglas. Por outra banda, algunhas bacterias só fixan o nitróxeno, é dicir, sen estar en simbiose coas plantas.

As investigacións están a levarse a cabo co obxectivo de afinar Azotobacter vinelandii nas raíces do millo. Ademais, utilizando a enxeñaría xenética fixéronse pasar uns xenes de Rhizobium a A. vinelandiita. Desta maneira o último microorganismo se adhiría ás raíces do trevo. Coa mesma técnica xenética preténdese afinar as raíces do millo A. vinelandii, pero esta unión co millo que crece en Estados Unidos é, polo momento, imposible. O obxectivo dos estudos avanzados sería introducir os xenes fijadores de nitróxeno nos cultivos. Con todo, isto considérase moi complicado.

Biólogos da Universidade de California, en Berkeley, descobren que a adición da bacteria Pseudomonas putida á remolacha azucreira ou ás patacas aumenta o rendemento destas plantas. Parece ser que o microorganismo segrega varios compostos químicos e estas sustancias combínanse co ferro terrestre. Os fungos e bacterias patógenas non poden asimilar esta nova forma de ferro. Por tanto, os microorganismos patógenos non poden atacar a planta.

Bacterias do xénero Rhizobium infectando radicais.

Xenética microbiana agrícola

No centro deste problema atópase o ácido desoxirribonucleico (ADN). É dicir, que leva codificadas as ordes xenéticas que guiarán o comportamento das células e, en consecuencia, o comportamento de plantas, animais ou microbios. Esta inconclusa molécula de ADN pode dividirse en partes —nos xenes— das que dependen as características específicas. O produto resultante da combinación artificial de fragmentos de ADN procedentes de diferentes organismos denomínase ADN recombinante.

As manipulacións xenéticas son o gran avance da biotecnoloxía nos últimos dez anos: o uso de microbios e outros organismos unicelulares. A partir deles obtivéronse una serie de medicamentos e sustancias útiles e deuse un impulso aos procesos industriais.

En microbiología agrícola utilízase frecuentemente outra estratexia xenética: introducir un xene da planta na bacteria. Paira iso, cortamos o xene que nos interesa con diferentes encimas (endonucleasas de restrición) e posteriormente introducímolo na bacteria a través dun plasma –parte do ADN que está fóra do cromosoma bacteriano- ou dun virus. Así, en moitos laboratorios os xenes vexetais han entrado no Escherichia coli. Isto non significa que a bacteria produza as proteínas correspondentes a ese xene. Estes mecanismos xenéticos non están do todo claros. Se algunha vez lográsese isto, as proteínas vexetais obteríanse mediante o cultivo de bacterias en cubas de fermentación.

A transferencia de xenes dun microorganismo a unha planta é un dos métodos máis finos que utiliza a microbiología paira axudar á agricultura. Utilizando o ADN recombinante, o campo dos xenes vexetais está sen dúbida moito máis atrasado que o dos xenes animais. Con todo, a introdución de xenes estraños ten as mesmas bases, aínda que a célula orixinal sexa animal, vexetal ou bacteriana. Na zona de introdución de xenes en células vexetais leváronse a cabo diversos estudos.

Por exemplo, Agrobacterium tumefaciens infecta a maioría das plantas dicotiledóneas. Dito microbio leva un plásmido. Isto xera tumores nestas plantas. Este mecanismo de axitación denomínase colonización xenética. Neste proceso un anaco de ADN plasmídico (ADN-T) únese ao ADN da célula vexetal. Por iso, o plásmido podería utilizarse como vector (portador) de introdución de ADN estraño en células vexetais, como se pode observar na Figura 4.

Cortamos o plásmido nun punto dentro do ADN-T deixando un oco. Iso encherao o xene estraño. Despois repítese ADN-T no momento da división de células tumorales e as células tumorales que temos nun cultivo de tecidos levarán ADN-T. Nalgúns casos rexenerarase toda a planta a partir de células tumorales cultivadas. Como consecuencia deste proceso mantense nos cromosomas da planta rexenerada por ADN-T. É máis, o novo xene que se atopa no interior do ADN-T pasará á seguinte balaunada vexetal cun xene dominante.

"Neste laboratorio de Kuala-Lumpur (Malaisia), uns biotecnólogos malayos, dentro dun programa de obtención de palmeiras de aceite de mellor calidade, encárganse do cultivo in vitro".

A conclusión máis destacable de todo iso sería: Os xenes estraños xerados no interior do ADN-T pasarían á descendencia paira obter novas variedades vexetais. Algúns científicos que traballan no Instituto Max Planck de Mellora Vexetal de Colonia comprobaron todo o exposto anteriormente no caso do xene que codifica a planta de tabaco e a encima opina sintetasa.

Un grupo de investigadores da Universidade Sussex tamén conseguiu una nova transferencia xenética. Nesta ocasión, os xenes responsables da fixación do nitróxeno na bacteria Klebsiella neumoniae foron introducidos nun plasma de E. coli e posteriormente introducidos nun fermento. Este é un gran avance científico. De feito, os fermentos son eucariotas, polo que están máis cerca filogenéticamente (en grao de parentesco) das plantas.

Outro terceiro tipo de investigación é a constatación de investigadores da Universidade de California, en Berkeley, que se o xeo afecta tanto ás plantas de fresas, é porque as bacterias que atraen e fixan os cristais de xeo viven nas follas. Este fenómeno é debido a unha proteína destes microbios, e os biólogos californianos han podido retirar o xene que o produce, e grazas a iso esperan que as plantas de fresas, tratadas con esta bacteria antihielo, e coa esperanza de que se reproduza de forma natural, os grandes danos do xeo, acaben nun prazo.

Outra cousa é que os enxeñeiros xenéticos teñan a esperanza de mellorar os insecticidas biolóxicos que poderían ser utilizados en lugar dos insecticidas químicos que habitualmente contaminan o medio ambiente, que poderían acabar cos parásitos sen contaminar a contorna. Por exemplo, as técnicas de ADN recombinante están a lograr mellorar os resultados do bacilo Bacillus thuringiensis, utilizado desde hai anos paira eliminar especies nocivas. Destaca o caso da gusana que toca os piñeiros do norte de Inglaterra. Noutras rexións a quebrantahuesos parásitos está controlada por un virus vacuolar que infecta a vermes.

Agora este virus cultívase paira estendelo en piñeirais e potenciar o seu efecto destrutivo. Polo momento, os experimentos realízanse cun virus inalterado, pero que en parte do ADN sen código génico leva una marca paira poder analizar in situ a súa propagación ou resistencia. Se todo vai ben, ao virus inxectaráselle un xene capaz de sintetizar una toxina insecticida. Non hai que dicir que estas técnicas vulneran amplas vías de oclusión contra insectos nocivos noutros países.

Avances en biotecnoloxía

Paira coñecer o avance da biotecnoloxía en materia agraria respecto da Revolución Verde, na seguinte táboa móstranse as diferenzas entre ambas:

Organismos de investigación en microbiología agrícola

O devandito de que a maioría dos científicos fala é que as axudas á investigación tamén son moi escasas. Sabemos se estas queixas son razoables ou non.

En canto ao caso dos EEUU, en 1982 o Goberno de Reagan entregou ao Departamento de Agricultura 691 millóns de dólares paira a investigación. Este ano era o 5,3% do orzamento paira a investigación básica e aplicada. Con todo, só una pequena parte desta cantidade alcanzou a área de microbiología agrícola. A modo de exemplo, no estudo básico da fixación de nitróxeno, os mecanismos xenéticos de mellora vexetal, as situacións de presión ambiental, a investigación básica das necesidades de crecemento vexetal e de alimentación humana só se gastaron 26 millóns de dólares.

A área de microbiología recibiu 4,6 millóns. Estas cifras son, como é obvio, moi reducidas e danse no país máis avanzado. Por tanto, no Terceiro Mundo pódese intuír facilmente que a situación é moito máis preocupante e non podemos esquecer que nestes países pobres as necesidades en materia agraria son enormes, dado que a pantasma da fame avanza constantemente.

Na seguinte táboa pódese comparar o número de biotecnólogos:

Como é evidente, os países en desenvolvemento teñen una enorme falta de expertos e biotecnólogos. É, sen dúbida, una das mellores vías de cooperación territorial e internacional nesta materia paira trasladarse aos países pobres e cumprir as súas promesas. Tamén paira resolver os problemas que expón este problema. Esta colaboración canalízase a través de acordos bilaterais entre empresas e entidades do sector privado. Dentro da UNESCO, por exemplo, as institucións e reunións que se ocupan destes temas son:

Unesco

ENTIDADE

1.- MIRCEN: Microbiological Resources Centers. É una rede mundial.

Obxectivo: recollida, coidado e utilización de escorias microbianas paira o desenvolvemento nacional e a cooperación internacional.

VIAS

2.- IGAM: Reunións científicas sobre os efectos da microbiología aplicada a nivel mundial.

Obxectivo: Fomentar a cooperación entre os países industriais e os países en desenvolvemento, promover a investigación e a formación locais.

3.- ORGANISMOS E ORGANISMOS NON GOBERNAMENTAIS DAS NACIÓNS UNIDAS

4.- COLABORACIÓN CON ENTIDADES REXIONAIS:

Exemplo dos países desenvolvidos, os invernadoiros da empresa Monsanto.

Fonte: Céres, FAO/Buttel et ao.