En las próximas décadas, la humanidad tendrá que alimentar a miles de millones de personas más en un planeta sometido a olas de calor extremas, sequías intensas y suelos degradados. Ante este panorama, la forma en la que cultivamos y entendemos las plantas está cambiando a toda velocidad, y una de las líneas más fascinantes es la de las llamadas, de forma coloquial, “plantas que respiran nitrógeno”.
Detrás de esa idea tan llamativa hay un reto gigantesco: conseguir que los cultivos sean capaces de aprovechar el nitrógeno del aire y reducir la dependencia de fertilizantes químicos, al tiempo que se adaptan a un clima más cálido, seco y variable. Centros punteros como el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP) ya están metidos de lleno en este desafío, combinando biotecnología, ecología y agricultura sostenible para sostener la producción de alimentos en un mundo en cambio constante.
Por qué el nitrógeno es tan importante para las plantas
Puede sonar exagerado, pero sin nitrógeno no habría vida tal y como la conocemos, porque este elemento es clave para que las plantas formen proteínas, enzimas y pigmentos necesarios para la fotosíntesis. Sin una fuente adecuada de nitrógeno, un cultivo no puede crecer bien, producir biomasa ni ofrecer rendimientos aceptables.
Aunque el aire que respiramos está formado en torno a un 78 % de gas nitrógeno (N₂), las plantas no pueden utilizarlo directamente. El nitrógeno atmosférico es muy estable y la mayoría de los seres vivos no tienen las herramientas bioquímicas necesarias para romper esa molécula y transformarla en compuestos asimilables como el amonio o el nitrato.
En condiciones naturales, las plantas obtienen nitrógeno sobre todo del suelo, en forma de iones nitrato (NO₃⁻) y amonio (NH₄⁺), procedentes de la descomposición de materia orgánica o de procesos de fijación biológica realizados por microorganismos. Cuando el suelo es pobre en nitrógeno, las plantas sufren clorosis, crecen poco y su productividad se desploma.
Para compensar esa limitación, la agricultura moderna se ha apoyado en fertilizantes de síntesis que suministran grandes cantidades de nitrógeno. El problema es que el modelo se ha vuelto insostenible por el elevado consumo energético, la huella de carbono y la contaminación de suelos, aguas y atmósfera asociada al abuso de fertilizantes químicos.
Buena parte de la investigación actual se centra en entender y aprovechar mejor las estrategias naturales mediante las cuales algunos organismos y algunas asociaciones planta-microbio son capaces de fijar nitrógeno atmosférico y ponerlo a disposición de los ecosistemas.
Fijación biológica de nitrógeno: el truco de las bacterias
Mientras que las plantas no pueden usar el gas nitrógeno directamente, ciertas bacterias sí lo hacen gracias a una enzima muy especializada llamada nitrogenasa. Esta proteína es capaz de romper el N₂ atmosférico y transformarlo en compuestos nitrogenados que, con el tiempo, pasan a formar parte de la cadena trófica.
Estas bacterias fijadoras de nitrógeno se encuentran tanto de forma libre en el suelo como en estrecha relación con las raíces de ciertas especies vegetales. Algunas de ellas establecen simbiosis muy estrechas con plantas, alojándose dentro de estructuras especiales que se forman en las raíces y que permiten un intercambio de recursos muy afinado.
En las llamadas plantas fijadoras simbióticas, la planta hospeda a la bacteria y le suministra azúcares obtenidos mediante la fotosíntesis, mientras que el microorganismo le devuelve el favor proporcionando nitrógeno “nuevo” procedente de la atmósfera. Este intercambio es tan eficiente que puede cubrir buena parte de las necesidades del cultivo y enriquecer el suelo para futuras plantas.
Cuando estas plantas asociadas a bacterias terminan su ciclo de vida y sus restos se incorporan al suelo, el nitrógeno que habían acumulado en sus tejidos se libera mediante un proceso conocido como mineralización del nitrógeno. La materia orgánica se descompone y el nitrógeno orgánico se transforma en amonio y nitrato, formas que otras plantas pueden absorber fácilmente.
De este modo, las comunidades vegetales que incluyen fijadores de nitrógeno juegan un papel crucial en la fertilidad natural de muchos ecosistemas y sistemas agrícolas, reduciendo la necesidad de aportar tanto fertilizante externo.
Plantas que “respiran” nitrógeno: leguminosas, nódulos y simbiosis
El grupo más conocido de plantas asociadas a bacterias fijadoras de nitrógeno es el de las leguminosas, una familia enorme que incluye cultivos tan cotidianos como guisantes, judías, lentejas, garbanzos, habas o tréboles. Estas especies han desarrollado, a lo largo de la evolución, la capacidad de formar nódulos en sus raíces para dar cobijo a bacterias específicas.
En esta relación, la planta emite señales químicas hacia el entorno radicular que atraen a ciertas bacterias del suelo capaces de fijar nitrógeno. Cuando el contacto se establece, la raíz comienza a formar estructuras especializadas llamadas nódulos, que actúan como pequeños “reactores biológicos” protegidos, donde las bacterias viven y trabajan en condiciones adecuadas.
Dentro de esos nódulos, las bacterias fijan el nitrógeno atmosférico y lo transforman en compuestos nitrogenados que fluyen hacia la planta, mientras que la planta envía azúcares y otros compuestos a las bacterias para mantenerlas activas. Aunque estos microorganismos no realizan fotosíntesis, dependen de la energía química generada por la planta gracias a la luz solar.
El resultado práctico es que el cultivo obtiene una fuente continua de nitrógeno sin necesidad de recibir tantos fertilizantes externos, y parte de ese nitrógeno quedará en el suelo cuando la planta muera o cuando se incorporen los restos vegetales mediante labores agrícolas. De hecho, la descomposición de restos de leguminosas enriquece notablemente el contenido de nitrógeno del suelo.
Este mecanismo explica por qué las leguminosas se utilizan a menudo en rotaciones o como abonos verdes: no sólo producen alimento, sino que ayudan a mejorar la fertilidad de la parcela y a sostener sistemas agrícolas más sostenibles a medio y largo plazo.
Distribución y diversidad de las plantas fijadoras de nitrógeno
El papel ecológico de las plantas asociadas a bacterias fijadoras de nitrógeno es tan importante que varios equipos científicos han estudiado en detalle su distribución a gran escala. En Estados Unidos, investigadores de distintos centros, como el Museo de Historia Natural de Florida y las universidades de Luisiana y Mississippi, han analizado registros de especies nativas e invasoras en decenas de localizaciones para entender mejor este patrón.
De entrada, se podría pensar que en los suelos pobres en nitrógeno debería haber más abundancia y diversidad de plantas fijadoras, ya que su ventaja competitiva sería mayor en ambientes limitados por este nutriente. Sin embargo, el análisis detallado matiza bastante esa idea aparentemente lógica.
Al comparar diferentes regiones, los investigadores observaron que la cantidad de fijadores de nitrógeno tendía a aumentar en áreas con menos nitrógeno disponible en el suelo, algo que sí encaja con la hipótesis clásica. Pero también vieron que, a medida que los ambientes se volvían más secos, la presencia general de estas plantas disminuía.
Lo más llamativo fue que, al fijarse en la diversidad de fijadores de nitrógeno nativos, detectaron un patrón diferente: la diversidad de especies fijadoras nativas crecía de forma notable en las regiones áridas, independientemente de la cantidad de nitrógeno presente en el suelo. Es decir, allí donde las condiciones hídricas son más duras, el abanico de fijadores nativos puede ser muy alto.
Estos resultados muestran que, a gran escala, la distribución de las plantas que albergan bacterias fijadoras no depende sólo del nitrógeno del suelo, sino de una combinación compleja de factores como la disponibilidad de agua, la historia evolutiva y la dinámica de las comunidades vegetales. Comprender estos patrones es clave para diseñar sistemas agrícolas mejor adaptados a cada región.
El papel del CBGP: biotecnología vegetal frente al cambio climático
Mientras se avanza en el conocimiento ecológico de las plantas fijadoras, centros de investigación como el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP), vinculado a la Universidad Politécnica de Madrid, se centran en otro frente: adaptar los cultivos al clima extremo que ya estamos viviendo y que se intensificará en las próximas décadas.
Las previsiones apuntan a que a mediados de siglo habrá que alimentar a cerca de 9.700 millones de personas en un planeta más caluroso, seco y sometido a episodios climáticos extremos mucho más frecuentes. El año 2024 se situó ya como uno de los más calurosos desde que hay registros, y en Europa se contabilizaron decenas de miles de muertes vinculadas a olas de calor, con España como uno de los países más afectados.
Ante este panorama, en el CBGP estudian de forma integral cómo crecen las plantas, cómo dialogan con los microorganismos del entorno y de qué forma responden a cambios ambientales como el aumento de temperatura, la sequía prolongada o la salinización de los suelos agrícolas.
Uno de los grandes objetivos del centro es desarrollar nuevas variedades de cultivo, o seleccionar de entre las ya existentes, aquellas que sean capaces de mantener rendimientos aceptables bajo estrés ambiental. Esto implica no sólo tolerar condiciones adversas, sino hacerlo sin depender tanto de insumos externos como fertilizantes y agua.
Para lograrlo, los investigadores analizan los mecanismos moleculares que permiten a ciertas plantas resistir mejor los estreses ambientales. Identifican proteínas de defensa, rutas de señalización y genes clave que se activan ante condiciones extremas, y utilizan esa información para generar lo que llaman “pruebas de concepto”.
En estas pruebas, crean plantas transgénicas que acumulan determinadas proteínas o activan mecanismos concretos de tolerancia, con el fin de comprobar si realmente mejoran su comportamiento frente a sequía, calor o salinidad. De este modo, validan experimentalmente qué estrategias son más eficaces antes de plantearse una aplicación a gran escala.
Cultivos más resistentes: tomates, brásicas y seguridad alimentaria
Uno de los resultados destacados de este enfoque ha sido el desarrollo de plantas de tomate con alta tolerancia a la salinidad, un problema cada vez más frecuente en zonas agrícolas donde el riego y la evaporación intensa concentran sales en el suelo. El equipo del CBGP ha logrado variedades transgénicas que resisten mejor estos niveles de sal.
Estos tomates resistentes ya han dado lugar a una solicitud de patente europea, y la idea es extender la tecnología a otros cultivos especialmente sensibles a la salinidad, como guisantes, judías, maíz o fresas. Si se consigue, supondría una ventaja enorme en áreas donde el agua de riego es de calidad limitada o los suelos se han visto degradados.
Al mismo tiempo, el grupo trabaja en trasladar estos avances a las llamadas brásicas, una familia vegetal que incluye col, repollo, brócoli y otras hortalizas esenciales en la dieta. Aumentar la resistencia de estas verduras básicas significaría blindar una parte muy importante de la seguridad alimentaria en un entorno climático incierto.
Sin embargo, no todo es tan sencillo como introducir proteínas de defensa y listo. Muchas de esas proteínas pertenecen a familias en las que también se encuentran alérgenos alimentarios, y eso obliga a extremar las precauciones. No todas las proteínas de defensa son alergénicas, pero algunas sí pueden desencadenar reacciones en personas sensibles.
Por este motivo, el CBGP cuenta con un equipo especializado en alérgenos que evalúa a fondo estas proteínas. Su trabajo se centra en identificar qué características estructurales convierten a una proteína en un potencial alérgeno y cuáles no, de manera que se puedan diseñar soluciones biotecnológicas seguras para el consumo humano.
Este enfoque riguroso es esencial para que la innovación en cultivos transgénicos o mejorados tenga cabida real en el mercado, garantizando la seguridad alimentaria y el desarrollo responsable de nuevas variedades que ayuden a enfrentar el cambio climático sin generar problemas adicionales.
Hacia cereales que “respiren” nitrógeno del aire
Entre los proyectos más ambiciosos que se están llevando a cabo en el CBGP destaca el liderado por el investigador Luis Rubio, financiado por la Fundación Gates. Su meta es tan simple de explicar como difícil de alcanzar: lograr que los cereales sean capaces de captar y metabolizar el nitrógeno del aire, reduciendo de forma drástica la dependencia de fertilizantes químicos.
A diferencia de las leguminosas, cultivos básicos como el arroz, el trigo o el maíz no forman de forma natural asociaciones simbióticas tan potentes con bacterias fijadoras de nitrógeno. Tampoco disponen de la maquinaria interna para fijar N₂ por sí mismos, ya que carecen de la enzima nitrogenasa que sí poseen determinadas bacterias.
El equipo de Rubio utiliza como modelo una bacteria fijadora de nitrógeno vinculada a la levadura del pan, conocida como Azotobacter vinelandii (a menudo malcitada en algunos medios), capaz de fijar nitrógeno de manera eficiente. La idea es transferir los genes implicados en la fijación de nitrógeno desde estas bacterias a las plantas.
En el laboratorio, los investigadores trabajan en la introducción y expresión coordinada de estos genes bacterianos en las células vegetales, con el objetivo de que los cereales puedan activar internamente un sistema de fijación de nitrógeno funcional. Es un reto enorme, porque la nitrogenasa es muy compleja y extremadamente sensible al oxígeno, por lo que requiere condiciones muy concretas para funcionar.
Si ese objetivo se alcanza, aunque sea de forma parcial, podría suponer una revolución para la agricultura mundial: los cereales podrían cubrir buena parte de sus necesidades nitrogenadas por sí mismos, reduciendo el uso de fertilizantes sintéticos y, con ello, la contaminación de suelos, aguas y atmósfera asociada a su producción y aplicación.
Fertilizantes químicos y sostenibilidad agrícola
Actualmente, los fertilizantes nitrogenados son imprescindibles para sostener los altos rendimientos de la producción global de cereales. Gracias a ellos se ha logrado alimentar a una población en crecimiento constante, pero esa dependencia tiene un coste ambiental cada vez más difícil de asumir.
La síntesis industrial de fertilizantes consume grandes cantidades de energía y emite gases de efecto invernadero; su uso intensivo en campo provoca contaminación del aire por emisiones de óxidos de nitrógeno y amoníaco, y la escorrentía arrastra nitratos a ríos, acuíferos y mares, favoreciendo procesos como la eutrofización.
Además, el abuso de fertilizantes y ciertas prácticas de manejo puede acelerar la degradación de los suelos agrícolas, reduciendo su capacidad de retención de agua y nutrientes y atrapando a los agricultores en un círculo vicioso de dependencia de insumos externos.
Según investigadores del proyecto de cereales autofertilizantes, una disminución importante en el uso de estos fertilizantes podría abrir la puerta a una agricultura mucho más sostenible. Menos fertilizante significa menos emisiones asociadas a su fabricación, menos contaminación de aguas y más posibilidades de recuperar suelos degradados.
La aspiración última es desarrollar variedades de arroz, trigo y maíz capaces de autofertilizarse en gran medida, utilizando el nitrógeno del aire como fuente principal. No obstante, el propio equipo reconoce que se trata de una meta de enorme complejidad tecnológica, que probablemente requerirá décadas de investigación antes de verse reflejada en el campo a gran escala.
Infraestructuras de vanguardia: invernaderos y rizotrones
Para llevar a cabo estos proyectos, el CBGP dispone de unas instalaciones de alrededor de 1.900 m² dedicadas al cultivo de plantas en condiciones controladas. Una pieza central de esta infraestructura es un invernadero de unos 1.200 m² equipado con sistemas avanzados de climatización e iluminación.
Estos invernaderos permiten cultivar diferentes especies de interés agrícola o modelos experimentales bajo condiciones perfectamente reguladas de temperatura, luz, humedad y composición del sustrato. Así se pueden reproducir escenarios de estrés por calor, sequía o salinidad para evaluar el comportamiento de las plantas modificadas o seleccionadas.
La instalación cuenta con módulos de contención tipo P2 especialmente diseñados para trabajar con plantas transgénicas. En estos espacios, la temperatura puede controlarse en un rango amplio, aproximadamente entre 10 y 45 ºC, algo clave para simular olas de calor o condiciones de frío moderado.
Además, el invernadero integra un sistema de fenotipado digital automatizado con robots que se desplazan por los pasillos para capturar imágenes y datos de las plantas. Este sistema permite seguir, de manera precisa y a gran escala, aspectos como el crecimiento, el estado hídrico o la gravedad de los síntomas de estrés.
Otro elemento muy interesante de la infraestructura son los llamados rizotrones, unas estructuras compuestas por placas transparentes que dejan al descubierto el sistema radicular. Gracias a ellos se pueden obtener imágenes detalladas de las raíces, medir su crecimiento, su grosor y analizar cómo responden a distintos productos o condiciones ambientales.
La combinación de estos invernaderos controlados, sistemas robotizados de análisis y rizotrones convierte al centro en un entorno ideal para probar nuevas variedades y tecnologías antes de escalar su uso. Además, estas instalaciones no están reservadas únicamente a los equipos internos: se abren también a proyectos de otros organismos públicos y privados interesados en responder a los retos agrícolas del futuro.
Toda esta investigación sobre proteínas de resistencia, simbiosis fijadoras de nitrógeno y cereales capaces de aprovechar el nitrógeno atmosférico apunta hacia un modelo agrícola donde las plantas trabajan de forma más estrecha con los microorganismos y con su propia biología para producir más con menos insumos externos. Aunque muchas de estas metas tardarán años o décadas en hacerse realidad a gran escala, cada avance acerca un poco más la posibilidad de cultivos que, de manera figurada, “respiren” nitrógeno del aire y sostengan la alimentación mundial en un planeta sometido a presión climática.
