Después de los cereales, las leguminosas constituyen la segunda familia en importancia para la alimentación humana y animal. Sin embargo, en contraste con ellos, las leguminosas son capaces de crecer en suelos áridos, de escasa fertilidad, lo que se debe a su capacidad para establecer asociaciones simbióticas con bacterias del suelo llamadas rhizobia. Estos microorganismos forman unos órganos especiales en las raíces de las leguminosas, los nódulos, donde el dinitrógeno (N2) atmosférico se transforma en amonio que se exporta a la planta para su crecimiento. Desde su descubrimiento en los nódulos de las leguminosas hasta nuestros días, el conocimiento de las bacterias capaces de establecer simbiosis con estas plantas ha avanzado en múltiples aspectos. Sobre todo, los avances en las técnicas moleculares de identificación bacteriana y el acceso a lugares inexplorados ha permitido confirmar que la interacción de las leguminosas con los rhizobia es más antigua de lo que se creía y que las bacterias fijadoras de dinitrógeno (N2) son más abundantes y diversas de lo que se había pensado. Trataremos de describir la historia de una asociación cuyo desarrollo ha sido, y es, clave en la historia de la humanidad tal como la conocemos ahora.PALABRAS CLAVE: leguminosa; rizobio; simbiosis; fijación biológica de nitrógeno.
After cereals, legumes constitute the second most important family of crops for human and animal consumption. However, in contrast to the former, legumes are capable of growing in arid soils of low fertility, due to their ability to establish symbiotic associations with soil bacteria called rhizobia. These microorganisms form special organs in the roots of legumes called nodules, where atmospheric dinitrogen (N2) is transformed into ammonium that is exported to the plant for growth. Since their discovery in legume nodules until today, knowledge of the bacteria capable of establishing symbiosis with these plants has advanced in many aspects. Especially, advances in molecular techniques for bacterial identification and access to unexplored places have confirmed that the interaction of legumes with rhizobia is older, and that N2-fixing bacteria are more abundant and diverse, than considered previously. Here, we attempt to relate the history of an association whose development is key in the history of mankind as we know it now.KEYWORDS: legume; rhizobia; symbiosis; biological nitrogen fixation.
Hace más de 10000 años tuvo lugar un cambio radical en el modo de vida de nuestros antepasados, de ser nómadas que recorrían grandes distancias para conseguir su sustento, comenzaron a usar las semillas como alimento, se asentaron y se convirtieron en agricultores. Con la agricultura era posible obtener el alimento necesario dentro de un área relativamente pequeña comparada con la extensión de terreno que, como cazadores, debían recorrer para obtener el alimento suficiente. Esto les permitió sustentar a poblaciones cada vez más numerosas, dando lugar a más y más asentamientos que, con el tiempo, dieron origen a las primeras ciudades (Davis,
Como la sociedad empezó a girar en torno a esta nueva actividad, la supervivencia se supeditó a la obtención de cosechas suficientes para mantener a los pobladores de estas nuevas ciudades. Esto hizo necesario crear formas de control, de buscar la manera de crear registros de producción y, poco a poco, se fueron implementando sistemas de organización cada vez más complejos. Así nacieron la escritura, los gobiernos, el comercio y, con éste último, deviene el intercambio cultural, la entrada y salida de nuevos productos, el intercambio de ideas e historias desde lugares más lejanos, y la generación de nuevos conocimientos. Podemos imaginar que, seguramente, el crecimiento de las plantas a partir de semillas se había observado por nuestros antepasados desde hacía más tiempo pero, por alguna razón, se había ignorado durante miles de años. No obstante, cualesquiera que sean las razones de sus orígenes, la agricultura, sin lugar a dudas, permitió el nacimiento de las primeras civilizaciones.
Actualmente, la agricultura mantiene un papel elemental en la supervivencia de nuestra sociedad, y la obtención de alimento a partir de las cosechas continúa siendo la preocupación de todos los gobiernos. Desde los inicios de la agricultura en las distintas partes del mundo, las principales cosechas las constituyen los cereales y las leguminosas. Los informes de
Ahora bien, siendo la agricultura de vital importancia para la sociedad desde tiempos ancestrales, se han desarrollado distintas técnicas para la obtención de más y mejores cosechas (Frioni,
La Royal Society de Londres difundió las descripciones hechas por Leeuwenhoek de sus observaciones al microscopio, y son tan detalladas que es posible saber que los “animálculos”, como él los llamó, no eran otra cosa que bacterias y protozoos. Leeuwenhoek también demostró que tales animálculos eran abundantes, diversos y que era posible encontrarlos prácticamente en todos los lugares (Brock,
Los trabajos de investigación de Beijerinck y Winogradsky dirigidos a dilucidar el papel que desempeñan las bacterias en determinados procesos biogeoquímicos permitieron el desarrollo de los medios selectivos y de enriquecimiento, con lo que fue posible aislar microorganismos capaces de utilizar determinados nutrientes del medio. Estos descubrimientos constituyeron una poderosa herramienta para el estudio de distintos grupos microbianos y dio origen a numerosos descubrimientos que, a su vez, sentaron las bases para nuevas investigaciones. Los avances de la microbiología continuaron y con ellos, poco a poco, se esclareció el misterio de cómo las leguminosas enriquecían los suelos de cultivo. A ello contribuyó que ya se sabía que el nitrógeno (N) es un factor limitante de la producción vegetal, por lo que muchos estudios se dirigieron a entender su movilización dentro de los ecosistemas.
A mediados del siglo XIX, los experimentos de Boussingault mostraron que las leguminosas asimilaban (fijaban) el nitrógeno de la atmósfera donde se encuentra en forma de N2, y Woronin, en 1866, descubrió las bacterias que se albergaban en los nódulos de sus raíces. En 1879, los experimentos de Frank pusieron de manifiesto que ciertas bacterias del suelo y plantas leguminosas se relacionaban de alguna forma, ya que esas bacterias eran capaces de inducir la formación de más nódulos. Con todas estas observaciones, y después de la introducción del concepto de simbiosis por De Bary en 1878, Schindler (
Resumiendo lo anterior, hasta ese momento se sabía: (i) que las plantas leguminosas asimilaban N2 de la atmósfera, (ii) que estas mismas plantas albergaban bacterias en sus nódulos radicales, (iii) que estas bacterias infectaban a otras plantas leguminosas y generaban la formación de más nódulos, y (iv) que existían bacterias asimiladoras de N2 en vida libre. Estos resultados generaron variedad de opiniones, a veces opuestas, entre la comunidad científica acerca de las funciones de los nódulos en las raíces de las leguminosas. Entre esas opiniones se consideraba la posibilidad de que las bacterias de los nódulos fueran las responsables de la asimilación del nitrógeno del aire y, si era así, se preguntaba si el proceso se limitaba a las leguminosas o si habría otras plantas capaces de llevarlo a cabo.
Fueron Hellriegel y Wilfarth, en
La continuación de la investigación sobre la simbiosis rizobio-leguminosa permitió describir la existencia en el interior de los nódulos de unas células especializadas denominadas bacteroides (Prazmowski,
Aparentemente, esta historia podría haber terminado aquí, pero solo era el principio, ya que todos estos estudios conformaron la base de posteriores investigaciones sobre la simbiosis leguminosa-bacteria, que ha resultado ser mucho más compleja de lo que cualquiera podría haber imaginado. Después de que Beijerinck obtuviera el primer cultivo puro a partir de nódulos de leguminosas parecía que la mayoría de los investigadores coincidían en que los microorganismos que producían nódulos podrían formarlos en cualquier leguminosa, y que además se trataba siempre del mismo tipo de bacterias. Sin embargo, los trabajos de Hellriegel y Wilfarth contradecían lo anterior, ya que los microorganismos aislados de los nódulos de una leguminosa no podían infectar siempre a cualquier leguminosa.
Con el tiempo resultó evidente que algunos aislados estaban limitados a cierto grupo de leguminosas (espectro de hospedador muy estrecho), mientras que otros podían nodular a más de una especie de leguminosa (espectro de hospedador muy amplio). Estas observaciones dieron lugar al concepto de “grupos de inoculación cruzada” (Baldwin y Fred,
En los inicios del siglo XX era indispensable conocer los grupos de inoculación cruzada a los que pertenecían los rhizobia utilizados como inoculantes, ya que el uso de fertilizantes químicos no se había generalizado aún, y la agricultura era todavía dependiente del uso de las leguminosas para mantener la fertilidad del suelo o del uso de estiércol y residuos vegetales para abastecer las necesidades de N de sus cultivos. Con la llegada de la revolución verde a mediados del siglo XX y la aparición de abonos químicos se perdió, de forma paulatina, la necesidad de utilizar los rizobios como fertilizantes. No obstante, la necesidad de alimentar a una población cada vez más abundante ha ocasionado el empleo masivo de fertilizantes químicos que, junto a plaguicidas y herbicidas, ha resultado en la contaminación de aguas y sedimentos, erosión de los suelos, e incluso daños a la salud humana. Esta situación ha ocasionado el auge de la agricultura biológica que trata de prescindir al máximo de cualquier producto químico, lo que ha revitalizado tanto el interés en la rotación de cultivos como las prácticas de inoculación.
Actualmente, se sabe que más de la mitad de todo el N incorporado en los sistemas terrestres es resultado de la fijación biológica de nitrógeno en simbiosis. Dicho de otra manera, el nutriente fundamental para el desarrollo vegetal y el de todos los seres vivos, es transformado de una forma inerte (N2) en formas asimilables por los organismos, con lo que se mantiene el equilibrio de los ecosistemas. No es de extrañar, por tanto, que la creciente preocupación por la conservación de los ecosistemas del planeta y la implantación de actividades agrícolas respetuosas con el medioambiente, hagan que los estudios sobre la simbiosis leguminosa-bacteria se consideren de gran relevancia en la actualidad.
El interés en el estudio de esta simbiosis no estriba únicamente en su papel ecológico en los sistemas agroforestales, sino además en la importancia de las leguminosas a nivel económico y cultural. Las leguminosas representan la tercera familia más grande de plantas con flor de las que se conocen alrededor de 727 géneros y casi 20000 especies. Estas plantas son tan diversas que, entre sus miembros, podemos encontrar pequeñas hierbas, arbustos, enredaderas, árboles gigantes y hasta algunas plantas acuáticas. Constituyen los componentes principales de la mayoría de los tipos de vegetación del mundo; además su capacidad de fijar N2 en simbiosis con los rhizobia les proporciona la ventaja de colonizar suelos en los que otro tipo de plantas no podrían asentarse fácilmente. De ahí, su importante papel ecológico y su protagonismo en la restauración de ecosistemas.
Al mismo tiempo, desde hace milenios, el hombre utiliza los productos derivados de las leguminosas de múltiples maneras y contribuyen en gran medida a la economía mundial. No sólo se utilizan como alimento para los animales y los seres humanos sino también en la preparación de bebidas, nutraceúticos, productos farmacéuticos y procesos biotecnológicos. Además, se aprovechan las enzimas que producen, se emplean en el control de plagas, como fertilizantes, en la industria minera, en la elaboración de celulosa y producción de biodiesel, en la construcción y en el ecoturismo. Todo ello sin olvidar que han sido clave en la historia de la ciencia ya que los guisantes (
Desde finales del siglo XIX, la Microbiología hizo posible el aislamiento de gran variedad de microorganismos, por lo que se hizo necesario crear un marco taxonómico para encuadrar a los organismos que se describían. Cohn (
Con el establecimiento de una taxonomía bacteriana más sólida, así como con la inclusión de las nuevas herramientas de la biología molecular, se ha constatado la gran biodiversidad de los rhizobia, de los que ya se han descrito unas 200 especies diferentes incluidas en, al menos, 20 géneros y distribuidas en dos clases, Alfaproteobacteria y Betaproteobacteria (Peix, Ramírez-Bahena, Velázquez y Bedmar,
Justamente, la forma en la que se establece la simbiosis desde un punto de vista bioquímico, así como el comportamiento de los plásmidos, han sido otros de los aspectos más estudiados de la simbiosis leguminosa-bacteria, sobre todo desde el surgimiento de la genética molecular en la segunda mitad del siglo XX. Los experimentos de Avery, McLeod y McCarty en 1944, que demostraron que el “principio transformador” es el ADN, junto a la determinación de su estructura en 1953 por Watson y Crick, fueron los principales eventos que constituyeron el inicio de esta nueva ciencia. La Genética ha permitido conocer procesos fundamentales de la célula como la regulación de la expresión o los mecanismos de transferencia y recombinación génicas. Además, con el desarrollo de la ingeniería genética y la secuenciación de ADN, ha sido posible profundizar y ampliar el conocimiento sobre éstos y otros procesos celulares. Los avances de la genética han sido tales que ya en 1995 se publicó la primera secuencia completa del genoma de la bacteria
Los estudios genéticos sobre la relación leguminosa-bacteria se centraron en la búsqueda de los genes bacterianos involucrados en la simbiosis y, en un principio, Balassa (
Muchas de las investigaciones realizadas a lo largo de la última década del siglo XX se centraron en el esclarecimiento de las funciones de los genes de nodulación (
Igualmente, el estudio de genes individuales demostró el interés sobre el estudio de la información genética en conjunto. De esta manera, Kündig, Hennecke y Göttfert, (
En
Al inicio del nuevo siglo XXI los rhizobia no quedaron fuera de la emergente era genómica y la obtención de genomas completos, por lo que algunas de las principales especies fueron las primeras en ser secuenciadas, entre ellas
Sin duda, una de las más importantes contribuciones de la biología molecular al estudio de la relación leguminosa-bacteria, ha sido la inclusión en la taxonomía de los rhizobia el análisis de marcadores filogenéticos como los genes ribosómicos 16S y los denominados “housekeeping”, principalmente
La especificidad de los rhizobia para nodular una leguminosa está codificada en elementos genéticos susceptibles de ser transferidos entre especies e, incluso, entre géneros, y esta capacidad para transferirse horizontalmente determina el espectro de hospedador de un rizobio. Esta transferencia génica permitiría a cepas de distintas especies, que pertenecen a la misma simbiovariedad, nodular la misma leguminosa y que una misma especie de rhizobia que contenga cepas pertenecientes a diferentes simbiovariedades pueda nodular a diferentes leguminosas. Por otra parte, las leguminosas pueden tener diferente grado de especificidad de modo que leguminosas muy promiscuas pueden formar nódulos con cepas de rhizobia de diferentes simbiovariedades, mientras que aquellas que son muy restrictivas sólo pueden formar nódulos con una única simbiovariedad. Para explicarlo de un modo más sencillo, puede ser adecuada la analogía de una llave-cerradura, donde una cerradura con una amplia abertura para la llave (leguminosas promiscuas), permiten la entrada de varios tipos de llaves, que por el hecho de entrar en la cerradura son capaces de accionar el mecanismo de apertura, como las cerraduras antiguas, mientras que cerraduras con una estrecha abertura para la llave (leguminosas restrictivas), como las cerraduras de seguridad actuales, sólo es posible abrirlas con un tipo de llave específico. De una u otra forma, la presencia de simbiovariedades en rhizobia refleja una co-evolución bacteria-planta, y el estudio de las mismas en los rhizobia es fundamental a nivel práctico, ya que de ello depende un buen empleo como biofertilizante.
Evidentemente, las leguminosas y sus endosimbiontes (rhizobia) serán objeto de estudio en los años venideros y con la llegada de la era genómica y sus distintas ramas, entre ellas la metagenómica, la proteómica y la transcriptómica, las posibilidades de estudio se multiplican exponencialmente. Este texto ha pretendido ofrecer una modesta aproximación a la historia, hasta la fecha, de los estudios dirigidos a comprender la significativa relación leguminosa-bacteria, que resulta cada vez más sorprendente y que, sin duda, aún no ha terminado de escribirse.
Los autores agradecen al gobierno de España la concesión de los diferentes proyectos de investigación que les han permitido estudiar diferentes aspectos de la asociación simbiótica rhizobia-leguminosa a lo largo de su actividad profesional. Este agradecimiento se hace extensivo a la Junta de Castilla y León y a la Junta de Andalucía que también han subvencionado la investigación realizada.