A un niño el suelo es simplemente tierra, un hogar para los gusanos. A un jardinero, el suelo es una colección de materia orgánica y nutrientes. Pero a las plantas el suelo es un semillero de actividad química. Y las plantas no solo observan participan activamente en esta actividad.

Las plantas liberan productos químicos en el suelo, llamados exudados, que le dicen a los microbios que enciendan o apaguen ciertos procesos químicos. Los científicos están comenzando a comprender estas señales y esperan explotarlas para mejorar la eficiencia, sostenibilidad e impacto ambiental de la industria agrícola de un billón de dólares.

Los tres nutrientes principales que las plantas necesitan para crecer son el carbono, nitrógeno y fósforo. Las necesidades de carbono de una planta provienen del aire en forma de dióxido de carbono, pero las necesidades de nitrógeno y fósforo provienen del suelo, y, a menudo, el nitrógeno es el elemento más escaso de forma natural y, por lo tanto, para aumentar sus rendimientos, los agricultores agregan nitrógeno al suelo.

El fertilizante nitrogenado artificial es un componente esencial de un sistema agrícola que alimenta a más de 7 mil millones de personas, pero tiene un coste medioambiental enorme. A medida que crece la población, y a medida que los hábitos alimentarios cambian a dietas más basadas en la carne, La contaminación por nitrógeno parece convertirse en un problema aún mayor.

Combatir la contaminación por nitrógeno

"La medida en que nos hemos entrometido con el ciclo del nitrógeno a nivel mundial es asombrosa, "dice el profesor Herbert Kronzucker, director de la Escuela de Biociencias de la Universidad de Melbourne.

"210 millones de toneladas de nitrógeno por año se extraen de la atmósfera y se convierten en una forma sólida de nitrógeno a través de las actividades humanas. Y la mayor parte termina como fertilizante en suelos agrícolas.

"Pero menos de la mitad de esto puede ser capturado por las plantas. El resto se pierde en la atmósfera como gas nitrógeno o el gas de efecto invernadero óxido nitroso, o se filtra a las vías fluviales donde es un contaminante importante.

"En los EE.UU, más de la mitad de todos los lagos se ven gravemente afectados por demasiado nitrógeno o fósforo ".

Pero, ¿y si en lugar de agregar más y más nitrógeno al suelo, ayudamos a las plantas a utilizar mejor el nitrógeno que ya está allí?

El profesor Kronzucker y sus colegas de la Universidad de Toronto, La Universidad Laval y la Academia de Ciencias de China están buscando cultivos que se comuniquen con el suelo de una manera que reduzca sus requerimientos de nitrógeno.

"Nos interesamos en la relación entre los productos químicos de las plantas y el impacto que tienen en los microbios del suelo, "dice el profesor Kronzucker.

Intromisión humana

El nitrógeno adopta muchas formas químicas. Las formas más útiles para el crecimiento de las plantas son el nitrato (NO3-) y el amoniaco (NH3). Los procesos químicos en el suelo transforman el nitrógeno entre estas y otras formas.

Un ejemplo es un proceso llamado nitrificación, que convierte el amoniaco en nitrato. El nitrato es problemático en el suelo porque, mientras que a las plantas les encanta, no se queda como lo hace el amoníaco. Tiende a disolverse en agua y se elimina del suelo a través de la lluvia y el agua subterránea. También, los microbios del suelo convierten el nitrato en gas nitrógeno, que es inútil para las plantas.

Todos estos procesos son reversibles, y finalmente el gas nitrógeno se devuelve al suelo a través de otro proceso microbiano llamado fijación de nitrógeno, pero este proceso es demasiado lento para los sistemas agrícolas industriales. Los agricultores tienen que seguir añadiendo cada vez más nitrógeno, y generalmente se trata de fertilizantes nitrogenados artificiales.

Estos fertilizantes se producen mediante un proceso industrial intensivo en energía que "fija" el gas nitrógeno convirtiéndolo en amoníaco. Este proceso, llamado el proceso de Haber-Bosch, fue un factor importante en la Revolución Verde que comenzó en la década de 1960 y ahora proporciona alimentos a más de 7 mil millones de personas.

En años recientes, La actividad humana ha más que duplicado la cantidad de nitrógeno que ingresa al suelo de la Tierra. Y la mitad de este nitrógeno adicional se desperdicia. Pero el profesor Kronzucker dice que no tiene por qué ser así.

Las plantas que crecen en áreas con poca o intermitente disponibilidad de nitrógeno producen exudados que pueden bloquear o mejorar las transformaciones de nitrógeno del suelo para mejorar la absorción de nitrógeno cuando la disponibilidad de nitrógeno del suelo es baja.

El potencial de los exudados vegetales

El profesor Kronzucker comenzó a estudiar cómo los exudados de las plantas interactúan con la química del nitrógeno del suelo en los árboles forestales de Canadá. Pero desde entonces se ha interesado más en la forma en que esta interacción funciona con las principales plantas de cultivo del mundo.

El año pasado, su grupo publicó su investigación sobre los exudados vegetales del arroz.

"El arroz alimenta a tres mil millones de personas, pero no había sido investigado por sus exudados vegetales, "dice el profesor Kronzucker.

Descubrieron que todas las cepas de arroz que probaron tenían exudados que podrían afectar el nitrógeno del suelo.

"Este es un cambio de paradigma. Dondequiera que miremos, encontramos algo, "dice el profesor Kronzucker.

Luego, el equipo se dedicó a revisar todos los estudios existentes sobre exudados vegetales en el arroz, trigo y maíz. Estaban particularmente interesados ​​en productos químicos que inhiben específicamente la nitrificación, el proceso que convierte el amoniaco en nitrato.

Este trabajo está publicado en Plantas de la naturaleza .

Descubrieron que se sabe muy poco sobre estos inhibidores biológicos de la nitrificación (BNI) en los exudados de las raíces del trigo y el maíz. los dos cultivos mundiales más importantes después del arroz. De hecho, no se sabe nada en absoluto sobre los BNI en el maíz.

De su experiencia con el arroz, El profesor Kronzucker cree que estos exudados se encontrarán en el trigo y el maíz, solo tenemos que buscarlos.

A medida que comprendamos mejor cómo las plantas se comunican con el suelo, estos descubrimientos podrían conducir a nuevas técnicas agrícolas, aditivos para suelos artificiales, o modificación genética para producir cepas de cultivos que pueden limitar la pérdida de nitrógeno. Sin embargo, El profesor Kronzucker dice que existe un "enorme potencial" en simplemente seleccionar cultivares de arroz existentes, trigo y maíz para "superestrellas del nitrógeno".

"Si haces bien el trabajo de detección con los tipos de genotipos que existen, no tienes que mirar la modificación genética, " él dice.

Una nueva revolución verde

Al profesor Kronzucker no le sorprende que la raíz exuda del arroz, el trigo y el maíz son tan poco conocidos. En los países desarrollados, El fertilizante nitrogenado es relativamente barato y ha habido pocos incentivos para que los agricultores dediquen tiempo o esfuerzo a reducir el uso de fertilizantes. Por lo tanto, ha habido pocos incentivos, o financiación, para que la investigación ayude en esto. El profesor Kronzucker cree que esto cambiará.

"Ahora tenemos límites de carbono, tenemos formas de reducir las emisiones de carbono. Necesitamos formas similares de reducir las emisiones de nitrógeno. Las buenas prácticas deben ser recompensadas, y las malas prácticas deben ser sancionadas ".

Espera que esto conduzca a una nueva revolución verde.

"Desde el inicio de la revolución verde en la década de 1960, hemos visto un éxito fenomenal en el rendimiento. Pero debido a que los fertilizantes estaban tan fácilmente disponibles, la mayoría de los cultivares se desarrollaron en sistemas con alto contenido de nitrógeno y fósforo, no bajo limitación de nutrientes.

"Ahora hay un cambio hacia cultivares que son eficientes en cuanto a nutrientes. En algunas partes del planeta, los agricultores hacen esto por necesidad, no tienen elección. En África, es típico trabajar en condiciones de nutrientes limitados ".

El profesor Kronzucker dice que lugares como África es donde se encontrarán las "superestrellas del nitrógeno".

"En estos lugares hay muchos tesoros que los agricultores han seleccionado".