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Desde lentejas hasta garbanzo, e incluso el humilde frijol horneado, las legumbres son quizás mejor conocidas como una fuente alternativa de proteína basada en plantas. Estas plantas son héroes ambientales: trabajan junto con microbios del suelo para el aire, enriqueciendo el suelo con nutrientes para permitirles prosperar.
A medida que su capacidad de fijación de nitrógeno se está entendiendo mejor, los científicos esperan encontrar maneras de aumentar la productividad, y eventualmente aplican algunas de estas características efectivas enriquecedoras del suelo a otros cultivos como los cereales. Con la capacidad de fijar nitrógeno, los cultivos necesitarían menos fertilizantes nitrogenados y la salud del suelo mejoraría simultáneamente.
Los pulsos, las semillas secas comestibles de las plantas de leguminosas, son alimentos básicos en las dietas de las personas y del ganado en todo el mundo. En toda Europa y Estados Unidos, se comen comúnmente como frijoles enlatado, garbaneros y lentejas, mientras que en el África subsahariana, el cowpea se encuentra entre las legumbres más importantes.
Alto en proteínas, carbohidratos, fibras dietéticas, vitaminas y minerales, las legumbres juegan un papel fundamental en las dietas saludables nutritivas. Tanto las semillas como las hojas también se utilizan como alimento para el ganado. Para los pequeños agricultores de las naciones en desarrollo, las legumbres nutritivas son un sustituto rentable de las proteínas animales y constituyen una gran proporción de las dietas típicas.
En Kenia Occidental, Ruanda y Burundi, la gente come más de 30 kg de frijoles al año en promedio, mientras que muchos países africanos recomiendan legumbres como alternativa cárterna en las directrices dietéticas. Los pulsos también se pueden almacenar durante períodos prolongados sin afectar su contenido nutricional.
La magia interior de las raíces nodules
Hace unos 100 millones de años, las legumbres desarrollaron la capacidad natural de albergar bacterias beneficiosas dentro de estructuras dedicadas llamadas nodules de raíz. Aquí, las bacterias convierten el nitrógeno gaseoso del aire y del suelo en una forma que sea accesible a la planta como nutrientes.
Así, las legumbres necesitan menos fertilizante de nitrógeno que los cereales y otros cultivos vegetales. Una legumbre de alto rendimiento puede fijar hasta 300 kg de nitrógeno por hectárea, lo que de lo contrario costaría a los agricultores alrededor de $1 por kg en fertilizantes para satisfacer las necesidades de nutrientes de la planta.
En el proyecto Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture, estamos tratando de entender cómo exactamente las legumbres hacen esto. Estamos explorando cómo estos nódulos de raíz que fijan nitrógeno evolucionaron sólo en legumbres en primer lugar. Con ese conocimiento, esperamos encontrar maneras de aumentar la eficiencia de la fijación de nitrógeno dentro de los nódulos de la raíz y maximizar el crecimiento y el rendimiento de los cultivos de leguminosas.
Bacterias beneficiosas
Mi grupo de investigación está investigando cómo las legumbres pueden involucrarse con bacterias beneficiosas y evitar microbios causantes de enfermedades. Mientras que bacterias como la rizobia en estos nódulos de raíz ayudan a las plantas a obtener nutrientes, otros microbios del suelo, incluyendo bacterias y hongos, podrían causar enfermedades y evitar que las plantas conviertan tanto nitrógeno. Así que la planta debe tener un mecanismo de defensa que mantenga a raya a los microbios causantes de enfermedades. Esto también puede impedirle participar plenamente con bacterias beneficiosas.
Nuestro equipo de investigadores ha identificado factores potenciales que limitan la fijación de nitrógeno en los nódulos de Medicago, también conocido como medico o trésco de barril. Esta legumbre se utiliza con frecuencia para la investigación y no se cultiva para el consumo. Al estudiar estos factores limitantes, esperamos mejorar la eficiencia de la fijación de nitrógeno sin afectar los mecanismos de defensa incorporados de los cultivos para protegerlo de las enfermedades.
Después de haber estudiado este mecanismo con la legumbre de la investigación, los investigadores estudian ahora algunas leguminaciones relevantes como la soja y el tesina para entender cuán extendidos y aplicables están los mecanismos biológicos subyacentes, y si se pueden aprovechar para mejorar otras legumbres en el futuro.
A pesar de ser algunos de los cultivos domesticados más antiguos, muchas legumbres están mucho menos adaptadas a la agricultura y, por lo tanto, tienen un potencial significativo de mejora adicional a través de la cría y la ingeniería genética, haciéndolos más adecuados y sostenibles para los sistemas alimentarios modernos.
Los beneficios de una fijación de nitrógeno más eficiente en las leguminosas incluirían un mayor crecimiento y biomasa y, esperamos, mayor contenido de proteínas en las semillas o legumbres. Esto aumentaría el valor nutricional por cultivo, lo que significaría que se podría producir alimentos ricos en nutrientes de alta calidad por hectárea.
Los rendimientos más altos crearían nuevas oportunidades para que los pequeños agricultores y de subsistencia crezcan y se beneficien de las leguminosas, como la soja, a medida que los cultivos comerciales mejoren los medios de vida rurales. Las legumbres más productivas podrían ser más eficaces como cultivo de rotación que mejora la salud del suelo, que es especialmente importante para los agricultores que tratan con suelo degradado, como los que se encuentran en todo el África subsahariana.
Cuanto más sepamos acerca de esta capacidad única de las legumbres, mayor será nuestra probabilidad de desarrollar con éxito otros cultivos con una capacidad similar. Esta evolución, aunque a algunos años de distancia, podría transformar la agricultura sostenible, especialmente en las zonas en las que el acceso a los fertilizantes sintéticos ya está limitado por el costo y la disponibilidad.
Extender la fijación de nitrógeno a otros cultivos ha sido durante mucho tiempo una ambición de científicos de cultivos en todo el mundo y a medida que avanza el estudio de la biología vegetal, el pulso del progreso se está acelerando.
