Desarrollan tecnología que reducirá uso de fertilizantes y herbicidas en la agricultura

En el golfo de México, en la desembocadura del río Misisipi, existe un área de alrededor de 15 mil kilómetros cuadrados donde los niveles de oxígeno son tan bajos que la vida marina no puede sobrevivir. Esta zona, denominada zona muerta, es 10 veces más grande que la Ciudad de México y es provocada por la presencia excesiva de nutrientes en el agua, nutrientes provenientes del uso de fertilizantes en la agricultura.

Sesenta por ciento de los fertilizantes empleados en la industria agrícola se desperdicia, al no poder ser absorbido por las plantas logra llegar a los ríos, que al desembocar en el mar crean las zonas muertas. Este es uno de los ejemplos que ilustran el gran desafío del siglo XXI para la humanidad: producir mayor cantidad de alimentos con menos agroquímicos y con técnicas amigables con el ambiente.

Justamente ese es el reto al que el investigador y director del Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad (Langebio), Luis Herrera Estrella, se ha enfrentado durante más de dos décadas. Su trabajo lo ha llevado a desarrollar una solución biotecnológica que permitirá sustituir uno de los agroquímicos más dañinos para el ambiente: los fertilizantes a base de fosfatos.

El investigador logró incorporar en varias especies vegetales, como el maíz y la soya, el gen de una bacteria que le permite a las plantas producir una enzima para utilizar como nutriente el fosfito (PO₃^3-) en vez del fosfato (PO₄^3-), comúnmente empleado en los fertilizantes y cuyas características lo convierten en un contaminante.

Este desarrollo podría reducir hasta 50 por ciento el uso de fertilizantes en la agricultura y disminuir el uso de herbicidas, además de ayudar a la biodiversidad de los cultivos y de evitar la erosión del suelo.

Problemas de los fertilizantes de fosfato

El fósforo es un elemento químico esencial para la vida en la Tierra. En la forma de fosfato es un componente primordial de los ácidos nucleicos, que guardan la información genética, forma parte de las membranas celulares y está involucrado en el transporte y almacenamiento de energía. Por ello, las plantas necesitan forzosamente de la absorción de fosfato del suelo para su desarrollo.

El problema es que el fosfato, por su naturaleza química, forma complejos insolubles con otros componentes del suelo, esto impide que las plantas puedan utilizarlo. De allí que solo de 20 a 30 por ciento del fosfato pueda ser aprovechado, desperdiciándose más de 60 por ciento del fertilizante empleado por el agricultor, explica Luis Herrera Estrella.

Eventualmente, con la lluvia y el riego, el fosfato que permaneció en el suelo escurrirá a los ríos y llegará al mar, provocando un crecimiento excesivo de algas y fitoplancton que liberan toxinas al agua, tapan el paso de la luz solar y provocan un déficit de oxígeno, creando un ambiente en el que no pueden sobrevivir los animales marinos. Estas son las llamadas zonas muertas.

Estas zonas se encuentran en Estados Unidos, Europa, China y México, siendo la más grande la del delta del río Misisipi, cuyo tamaño rebasa 10 veces el derrame petrolero de 2016, comenta Luis Herrera Estrella, y agrega que es un problema del que no se habla mucho, pues varios países, incluyendo México, dependen del maíz y la soya de Estados Unidos para su alimentación.

La solución dentro de una bacteria

El equipo de investigación del Langebio, dirigido por Luis Herrera Estrella, decidió enfrentar el problema del fosfato y pensaron que si el fosforo no se fijara tan rápidamente al suelo, las plantas podrían utilizarlo y se evitaría el desperdicio y la contaminación de las aguas. Afortunadamente existe un compuesto de fósforo que no forma complejos insolubles con el suelo: el fosfito.

La solución no era tan simple como sustituir el fosfato por el fosfito en los fertilizantes, pues el fosfito no puede ser utilizado por las plantas, ya que estas no poseen la capacidad para transformar el fosfito en fosfato, que es el compuesto que requieren para vivir.

“Lo que el equipo hizo fue pensar: bueno, las bacterias sin increíbles y pueden hacer de todo, seguro alguna bacteria en algún lugar en el mundo podrá transformar el fosfito en fosfato para desarrollarse”, narra Luis Herrera Estrella.

Los investigadores llegaron a esta conclusión al reflexionar que hace más de tres millones de años, cuando los organismos vivos no habían desarrollado la fotosíntesis y no había oxígeno en la Tierra, el fósforo se encontraba en su forma menos oxidada, como fosfito, y a pesar de ello la vida ya existía y utilizaban fosfato para su ADN y para otras funciones. Por lo tanto, debían tener la capacidad de transformar un compuesto en otro.

Esta capacidad de transformar el fosfito en fosfato debía estar escrita en el genoma de las bacterias, y los investigadores pensaron que en algún lugar podía existir una especie de bacteria que todavía conservara ese gen. Y, efectivamente, la encontraron.

Una solución para el ambiente

Una vez que encontraron una bacteria con el gen para producir una enzima capaz de transformar el fosfito en fosfato, había que descubrir si las plantas serían capaces de hacer lo mismo. Entonces, el equipo de Luis Herrera Estrella introdujo el gen de la bacteria en una planta modelo, la Arabidopsis thaliana, y hallaron que era posible, la planta utilizaba fosfito para nutrirse. Resultados que publicaron en la revista Nature.

“Ese fue un momento increíble, porque nos permitió pensar en todas las ventajas de dejar a un lado el uso de fertilizantes de fosfato. La primera es una ventaja de costos, pues al no fijarse en el suelo, podría reducirse hasta en 50 por ciento la cantidad de fertilizante a utilizar. Pero la más importante es la del impacto ecológico que este desarrollo tendría al disminuir drásticamente la cantidad de fósforo vertida a los mares y ríos“, considera el director del Langebio.

Fertilizantes y herbicidas: dos pájaros de un tiro

Una vez que Luis Herrera Estrella comenzó a probar esta modificación en otro tipo de plantas, como el maíz, la soya y el arroz, se dio cuenta de que esta modificación genética había vuelto a las plantas más competitivas, es decir, como podían utilizar el fosfito como nutriente crecían mucho más rápido que las plantas que solo utilizaban fosfato, compuesto que ya no estaba siendo añadido como fertilizante. Los científicos habían descubierto una técnica que evitaría el uso irracional de herbicidas.

Esto además ayudaría enormemente a evitar la erosión del suelo y a la biodiversidad de los cultivos, pues las demás hierbas seguirían creciendo alrededor del cultivo de interés. Pero al ser mucho más pequeñas que el cultivo y al ya no competir por nutrientes, ya no sería necesario matarlas, permitiendo que estas plantas conservaran el suelo.

El fósforo, un recurso no renovable

Otra razón apremiante para disminuir el uso de fertilizantes de fósforo en la agricultura es que este elemento es limitado en el planeta, y se calcula que las reservas de fósforo se agotarán en 150 años, lo que generará una verdadera crisis en la agricultura y el modo de alimentación mundial, explica Luis Herrera Estrella.

Y señala que este nuevo desarrollo permitirá alargar la vida de las reservas de fósforo al doble, tiempo que podrá usarse para desarrollar métodos de reciclaje del fósforo. Desarrollar formas de recuperar de los ríos y reutilizar este elemento es imprescindible, pues una vez que llega al mar se va al fondo o se diluye tanto que es casi imposible recuperarlo.

Del laboratorio al campo

Las pruebas de laboratorio con plantas modificadas de maíz, soya y arroz ya se han realizado. Pero ahora el equipo de investigación necesita saber si en condiciones reales, en el campo, las plantas efectivamente pueden utilizar el fosfito y se logra reducir la cantidad de fertilizantes y herbicidas utilizados en el cultivo.

Estas pruebas se harán en su mayoría en Brasil, país que lleva años permitiendo el cultivo de transgénicos y que permitirá seguir perfeccionando esta tecnología con el objetivo de generar una agricultura más sostenible, concluye Luis Herrera Estrella.

Fuente: CONACYT.