El crecimiento de las plantas es apoyado por millones de diminutos microbios del suelo que compiten y cooperan entre sí mientras realizan funciones importantes en la raíz de la planta, incluyendo mejorar el acceso a nutrientes y proteger contra patógenos. Como subproducto de su metabolismo, los microbios del suelo también pueden producir óxido nitroso, o N₂O, un potente gas de efecto invernadero que principalmente ha sido estudiado por su impacto en el clima. Aunque algo de N₂O ocurre de forma natural, su producción puede aumentar debido a la aplicación de fertilizantes y otros factores.

Mientras se ha creído durante mucho tiempo que el óxido nitroso no interactúa de manera significativa con los organismos vivos, un nuevo artículo de dos investigadores del MIT muestra que en realidad puede moldear las comunidades microbianas, haciendo que algunas cepas bacterianas tengan más probabilidades de crecer que otras.

Basándose en la prevalencia de los procesos biológicos que el óxido nitroso afecta, los investigadores estiman que alrededor del 30 por ciento de todas las bacterias con genomas secuenciados son susceptibles a la toxicidad del óxido nitroso, lo que sugiere que la sustancia podría desempeñar un papel importante y poco valorado en los intrincados ecosistemas microbianos que influyen en el crecimiento de las plantas.

Los investigadores han publicado sus hallazgos hoy en mBio, una revista de la Sociedad Americana de Microbiología. Si sus resultados de laboratorio se trasladan a entornos agrícolas, podrían influir en la forma en que los agricultores realizan tareas cotidianas que exponen a los cultivos a picos de óxido nitroso, como el riego y la fertilización.

“Este trabajo sugiere que la producción de N₂O en entornos agrícolas merece atención por la salud de las plantas,” dice la autora principal Darcy McRose, profesora de desarrollo profesional Thomas D. y Virginia W. Cabot del MIT, quien escribió el artículo junto con el autor principal y estudiante de doctorado Philip Wasson. “No ha estado en el radar de la gente, pero es particularmente dañino para ciertos microbios. Esto podría ser otro perjuicio del N₂O además de su impacto climático. Con más investigación, se podría entender cómo el momento de la producción de N₂O influye en estas relaciones microbianas, y ese momento podría ser gestionado para mejorar la salud de los cultivos.”

Un gas tóxico

El óxido nitroso se demostró como tóxico hace décadas cuando los investigadores se dieron cuenta de que puede desactivar la vitamina B12 en el cuerpo humano. Desde entonces, ha llamado principalmente la atención como un gas de efecto invernadero de larga duración que puede dañar la capa de ozono. Pero en cuanto a entornos agrícolas, la mayoría de las personas ha asumido que no interactúa con los organismos que crecen en el suelo alrededor de la raíz de la planta, una región llamada rizosfera.

“En general, existe la suposición de que el N₂O no es dañino en absoluto a pesar de esta historia de estudios publicados que muestran que puede ser tóxico en contextos específicos,” dice McRose, quien se unió al profesorado del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental en 2022. “La gente no ha extendido ese entendimiento a las comunidades microbianas en la rizosfera.”

Si bien algunos estudios han mostrado sensibilidad al óxido nitroso en un puñado de microorganismos, se sabe menos sobre cómo este afecta la distribución de las comunidades microbianas en la raíz de la planta. McRose y Wasson buscaron llenar ese vacío de investigación.

Comenzaron analizando un proceso ubicuo que las células usan para crecer llamado biosíntesis de metionina. La biosíntesis de metionina puede ser realizada por enzimas que dependen de la B12 — y por otras enzimas que no. Muchas bacterias tienen ambos tipos.

Utilizando un microbio bien estudiado llamado Pseudomonas aeruginosa, los investigadores eliminaron genéticamente la enzima que no depende de la B12 y encontraron que el microbio se volvió sensible al óxido nitroso, con su crecimiento perjudicado incluso por el óxido nitroso que él mismo producía.

Luego los investigadores analizaron una comunidad microbiana sintética de la planta Arabidopsis thaliana, encontrando que muchos microbios de la raíz también eran sensibles al óxido nitroso. Combinar microbios sensibles con bacterias productoras de óxido nitroso dificultó su crecimiento.

“Esto sugiere que las bacterias productoras de N₂O pueden afectar la supervivencia de sus vecinos inmediatos,” explica Wasson. En conjunto, los experimentos confirmaron la sospecha de los investigadores de que la producción de óxido nitroso puede dificultar el crecimiento de bacterias del suelo que dependen de la vitamina B12 para producir metionina.

“Estos resultados sugieren que los productores de óxido nitroso moldean las comunidades microbianas,” dice McRose. “En el laboratorio el resultado es muy claro, y el trabajo va más allá de solo observar un organismo. Los experimentos de cocultivo no son lo mismo que un estudio en campo, pero es una demostración contundente.”

Del laboratorio a la granja

En las granjas, el suelo comúnmente experimenta picos de óxido nitroso durante días o semanas por la adición de fertilizante nitrogenado, la lluvia, el deshielo y otros eventos. Los investigadores advierten que sus experimentos en laboratorio son solo el primer paso para entender cómo el óxido nitroso afecta las poblaciones microbianas en entornos agrícolas.

Wasson llama al artículo una prueba de concepto y planea estudiar suelos agrícolas a continuación.

“En los ambientes agrícolas, el N₂O ha sido históricamente alto,” dice Wasson. “Queremos ver si podemos detectar una firma de esta exposición a N₂O mediante estudios de secuenciación genómica, donde los únicos microbios que permanecen no son sensibles al N₂O. Este es el próximo paso obvio.”

McRose afirma que los hallazgos podrían llevar a una nueva forma de entender el óxido nitroso tanto para investigadores como para agricultores.

“Lo importante y emocionante de este caso es que predice que los microbios con una versión de una enzima serán sensibles al N₂O y los que tienen otra versión de la enzima no serán sensibles,” dice McRose. “Esto sugiere que en el ambiente, la exposición al N₂O va a seleccionar ciertos tipos de organismos basados en su contenido genómico, lo cual es una hipótesis altamente verificable.”

El trabajo fue apoyado, en parte, por el Comité de Apoyo a la Investigación del MIT y una beca colaborativa de posgrado en Salud y Ciencias de la Vida del MIT (HEALS).

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