Así funciona la simbiosis entre las legumbres y las bacterias que puede ayudar a alimentar al planeta

¿Te has preguntado por qué las legumbres tienen un alto contenido en proteínas que otras plantas no tienen? El secreto está en su relación con las bacterias

Las proteínas son unos compuestos esenciales para la vida, tanto de las plantas como de los animales, que incluyen nitrógeno en su composición. Sin embargo, a veces las plantas tienen problemas para extraer por sí solas el nitrógeno del suelo, y muchas dependen del que procede de los excrementos animales y restos de animales muertos, o en el caso de muchos de los  cultivos humanos, de nitratos sintéticos.

Las leguminosas tienen la capacidad única de interactuar con las bacterias fijadoras de nitrógeno del suelo, conocidas como rizobios. Las leguminosas y los rizobios entablan relaciones simbióticas en caso de falta de nitrógeno, lo que permite a la planta desarrollarse sin necesidad de nitrógeno externo. En la raíz de la planta se forman nódulos simbióticos que son colonizados fácilmente por bacterias fijadoras de nitrógeno. El receptor de la superficie celular SYMRK (quinasa similar al receptor de simbiosis) es el responsable de mediar la señal simbiótica desde la percepción del rizobio hasta la formación del nódulo. Hasta hace poco se desconocía el mecanismo de activación del receptor.

En este estudio, los investigadores han identificado ahora cuatro sitios de fosforilación esenciales que actúan como catalizadores de la relación simbiótica entre las plantas leguminosas y las bacterias fijadoras de nitrógeno. Los pasos iniciales de la vía simbiótica en la superficie celular están bien caracterizados, pero la comprensión de cómo se transmite la señal aguas abajo ha sido desconocido durante años. El descubrimiento de estos lugares esenciales de fosforilación es un paso importante para trasladar a las plantas de cultivo la capacidad de formar relaciones simbióticas con bacterias fijadoras de nitrógeno.

Las bacterias que pueden ayudar a los cultivos de alimentos

«Sabíamos que el receptor y su actividad son esenciales para el establecimiento de la simbiosis, pero no sabíamos cómo ni por qué. La fosforilación es un mecanismo común para regular la actividad de las quinasas, así que teorizamos que la función de SYMRK estaba ligada a fosforilaciones específicas», explica Nikolaj Abel.

Gracias a la colaboración con el laboratorio de Ole Nørregaard Jensen, de la Universidad del Sur de Dinamarca, se identificaron varios lugares de fosforilación en distintas regiones de la quinasa SYMRK. Los investigadores lograron determinar los lugares esenciales mediante la eliminación o imitación de fosforilaciones in vivo. En concreto, cuatro sitios de la región N-terminal de SYMRK produjeron fuertes fenotipos al mutar.

«Exploramos el impacto de las mutaciones en sitios específicos creando variantes del receptor y reintroduciéndolas en plantas que carecen del receptor SYMRK funcional. Observar la nodulación espontánea sin rizobios o la ausencia de nodulación a pesar de su presencia indica que nos hemos dirigido a un elemento crucial para la vía simbiótica», explica Nikolaj Abel.

Para comprender dónde estaban situados los sitios de fosforilación identificados en la quinasa SYMRK, los investigadores determinaron la estructura del dominio intracelular de SYMRK.

«Necesitábamos poder mapear los sitios de fosforilación en un modelo estructural de la quinasa SYMRK para comprender realmente cómo estos sitios de fosforilación permiten la señalización descendente. Identificamos un motivo estructuralmente conservado en la región alfa helicoidal N-terminal que denominamos «motivo alfa-I». Esta región contiene los cuatro sitios de fosforilación conservados», explica Malita Nørgaard.

El objetivo es facilitar la simbiosis de nódulos radiculares en cultivos importantes

El objetivo a largo plazo es hacer posible la simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno en cultivos importantes como la cebada, el maíz y el arroz. Estos cultivos requieren grandes cantidades de fertilizantes nitrogenados para crecer, lo que genera enormes huellas de CO2 y hace que los pequeños agricultores no puedan producir cosechas estables.

Gracias a la identificación de los sitios de fosforilación cruciales para iniciar el programa de nodulación en leguminosas, los investigadores creen que este nuevo conocimiento tiene implicaciones prometedoras para trasladar los rasgos de fijación de nitrógeno a los cultivos.

REFERENCIA