El nitrógeno es un componente esencial de todos los organismos vivos. También es el elemento clave que controla el crecimiento de los cultivos en la tierra, así como de las microscópicas plantas oceánicas que producen la mitad del oxígeno de nuestro planeta. El gas nitrógeno atmosférico es, con diferencia, la mayor reserva de nitrógeno, pero las plantas no pueden transformarlo en una forma utilizable.
En cambio, las plantas de cultivo como la soja, los guisantes y la alfalfa (conocidas colectivamente como legumbres) han adquirido bacterias rizobias que "fijan" el nitrógeno atmosférico en amonio. Esta asociación convierte a las legumbres en una de las fuentes de proteínas más importantes en la producción de alimentos.
Científicos del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen, Alemania, informan ahora en Nature , que los rizobios también pueden formar asociaciones similares con pequeñas plantas marinas llamadas diatomeas, un descubrimiento que resuelve un misterio marino de larga data y que tiene aplicaciones agrícolas potencialmente de gran alcance.
Durante muchos años se supuso que la mayor parte de la fijación de nitrógeno en los océanos la realizaban organismos fotosintéticos llamados cianobacterias. Sin embargo, en vastas regiones del océano, no hay suficientes cianobacterias para dar cuenta de la fijación medida de nitrógeno. Esto generó una controversia y muchos científicos plantearon la hipótesis de que los microorganismos no cianobacterianos debían ser los responsables de la fijación de nitrógeno "faltante".
"Durante años, hemos estado encontrando fragmentos de genes que codifican la enzima nitrogenasa fijadora de nitrógeno, que parecía pertenecer a un fijador de nitrógeno no cianobacteriano en particular", dice Marcel Kuypers, autor principal del estudio. "Pero no pudimos determinar con precisión quién era el enigmático organismo y, por lo tanto, no teníamos idea de si era importante para la fijación de nitrógeno".
En 2020, los científicos viajaron desde Bremen al Atlántico norte tropical para unirse a una expedición en la que participaron dos buques de investigación alemanes. Recogieron cientos de litros de agua de mar de la región, en la que tiene lugar gran parte de la fijación mundial de nitrógeno marino, con la esperanza de identificar y cuantificar la importancia del misterioso fijador de nitrógeno. Les llevó los siguientes tres años lograr finalmente descifrar su genoma.
"Fue un trabajo de detective largo y minucioso", afirma Bernhard Tschitschko, primer autor del estudio y experto en bioinformática, "pero al final el genoma resolvió muchos misterios".
La primera fue la identidad del organismo:"Aunque sabíamos que el gen de la nitrogenasa se originaba a partir de una bacteria relacionada con Vibrio, inesperadamente, el organismo en sí estaba estrechamente relacionado con los rizobios que viven en simbiosis con las leguminosas", explica Tschitschko. Junto con su genoma sorprendentemente pequeño, esto planteó la posibilidad de que los rizobios marinos pudieran ser un simbionte.
La primera simbiosis conocida de este tipo
Estimulados por estos descubrimientos, los autores desarrollaron una sonda genética que podría usarse para marcar fluorescentemente los rizobios. Una vez que lo aplicaron a las muestras originales de agua de mar recolectadas en el Atlántico Norte, sus sospechas de que se trataba de un simbionte se confirmaron rápidamente.
"Encontramos conjuntos de cuatro rizobios, siempre ubicados en el mismo lugar dentro de las diatomeas", dice Kuypers. "Fue muy emocionante ya que se trata de la primera simbiosis conocida entre una diatomea y un fijador de nitrógeno no cianobacteriano".
Los científicos denominaron al simbionte recién descubierto Candidatus Tectiglobus diatomicola. Una vez que finalmente descubrieron la identidad del fijador de nitrógeno faltante, centraron su atención en descubrir cómo viven en asociación las bacterias y las diatomeas. Utilizando una tecnología llamada nanoSIMS, pudieron demostrar que los rizobios intercambian nitrógeno fijado con la diatomea a cambio de carbono. Y esto implica mucho esfuerzo:"Para favorecer el crecimiento de la diatomea, la bacteria fija 100 veces más nitrógeno del que necesita", explica Wiebke Mohr, uno de los científicos del artículo.
A continuación, el equipo volvió a los océanos para descubrir qué tan extendida podría estar la nueva simbiosis en el medio ambiente. Rápidamente resultó que la asociación recién descubierta se encuentra en todos los océanos del mundo, especialmente en regiones donde las cianobacterias fijadoras de nitrógeno son raras. Por lo tanto, estos pequeños organismos probablemente sean actores importantes en la fijación total de nitrógeno oceánico y, por lo tanto, desempeñan un papel crucial en el mantenimiento de la productividad marina y la absorción oceánica global de dióxido de carbono.
¿Un candidato clave para la ingeniería agrícola?
Aparte de su importancia para la fijación de nitrógeno en los océanos, el descubrimiento de la simbiosis sugiere otras interesantes oportunidades en el futuro. Kuypers está particularmente entusiasmado con lo que significa el descubrimiento desde una perspectiva evolutiva.
"Las adaptaciones evolutivas de Ca. T. diatomicola son muy similares a las de la cianobacteria endosimbiótica UCYN-A, que funciona como un orgánulo fijador de nitrógeno en etapa temprana. Por lo tanto, es realmente tentador especular que Ca. T. diatomicola y su diatomea huésped También podría estar en las primeras etapas de convertirse en un solo organismo."
Tschitschko está de acuerdo en que la identidad y la naturaleza similar a un orgánulo del simbionte son particularmente intrigantes:"Hasta ahora, se ha demostrado que tales orgánulos sólo se originan en las cianobacterias, pero las implicaciones de encontrarlos entre los rizobiales son muy interesantes, considerando que estas bacterias son increíblemente importantes para la agricultura. El tamaño pequeño y la naturaleza parecida a un orgánulo de los rizobiales marinos significa que algún día podrían ser un candidato clave para diseñar plantas fijadoras de nitrógeno".
Los científicos ahora continuarán estudiando la simbiosis recién descubierta y verán si también existen otras similares en los océanos.
Más información: Bernhard Tschitschko et al, La simbiosis entre rizobios y diatomeas repara la falta de nitrógeno en el océano, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07495-w
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
