En les properes dècades, la humanitat haurà d'alimentar milers de milions de persones més en un planeta sotmès a onades de calor extremes, sequeres intenses i terres degradats. Davant d'aquest panorama, la manera com cultivem i entenem les plantes està canviant a tota velocitat, i una de les línies més fascinants és la de les trucades, de forma col·loquial, “plantes que respiren nitrogen”.
Darrere aquesta idea tan cridanera hi ha un repte gegantí: aconseguir que els cultius siguin capaços de aprofitar el nitrogen de l'aire i reduir la dependència de fertilitzants químics, alhora que s'adapten a un clima més càlid, sec i variable. Centres capdavanters com el Centre de Biotecnologia i Genòmica de Plantes (CBGP) ja estan ficats de ple en aquest desafiament, combinant biotecnologia, ecologia i agricultura sostenible per sostenir la producció d'aliments en un món en canvi constant.
Per què el nitrogen és tan important per a les plantes
Pot semblar exagerat, però sense nitrogen no hi hauria vida tal com la coneixem, perquè aquest element és clau perquè les plantes formin proteïnes, enzims i pigments necessaris per a la fotosíntesi. Sense una font adequada de nitrogen, un cultiu no pot créixer bé, produir biomassa ni oferir rendiments acceptables.
Tot i que l'aire que respirem està format al voltant d'un 78% de gas nitrogen (N₂), les plantes no poden utilitzar directament. El nitrogen atmosfèric és molt estable i la majoria dels éssers vius no tenen les eines bioquímiques necessàries per trencar aquesta molècula i transformar-la en compostos assimilables com l'amoni o el nitrat.
En condicions naturals, les plantes obtenen nitrogen sobretot del sòl, en forma de ions nitrat (NO₃⁻) i amoni (NH₄⁺), procedents de la descomposició de matèria orgànica o de processos de fixació biològica realitzats per microorganismes. Quan el terra és pobre en nitrogen, les plantes pateixen clorosi, creixen poc i la seva productivitat es desploma.
Per compensar aquesta limitació, l'agricultura moderna ha donat suport a fertilitzants de síntesi que subministren grans quantitats de nitrogen. El problema és que el model s'ha tornat insostenible per l'elevat consum energètic, la petjada de carboni i la contaminació de terres, aigües i atmosfera associada a l'abús de fertilitzants químics.
Bona part de la investigació actual se centra a entendre i aprofitar millor les estratègies naturals mitjançant les quals alguns organismes i algunes associacions planta-microbi són capaços de fixar nitrogen atmosfèric i posar-lo a la disposició dels ecosistemes.
Fixació biològica de nitrogen: el truc dels bacteris
Mentre que les plantes no poden utilitzar el gas nitrogen directament, certs bacteris sí que ho fan gràcies a una enzim molt especialitzat anomenat nitrogenasa. Aquesta proteïna és capaç de trencar el N₂ atmosfèric i transformar-lo en compostos nitrogenats que, amb el temps, passen a formar part de la cadena tròfica.
Aquests bacteris fixadors de nitrogen es troben tant de forma lliure a terra com en estreta relació amb les arrels de certes espècies vegetals. Algunes estableixen simbiosi molt estretes amb plantes, allotjant-se dins d'estructures especials que es formen a les arrels i que permeten un intercanvi de recursos molt afinat.
A les anomenades plantes fixadores simbiòtiques, la planta allotja al bacteri i li subministra sucres obtinguts mitjançant la fotosíntesi, mentre que el microorganisme li torna el favor proporcionant nitrogen "nou" procedent de l'atmosfera. Aquest intercanvi és tan eficient que pot cobrir bona part de les necessitats del cultiu i enriquir el terra per a futures plantes.
Quan aquestes plantes associades a bacteris acaben el seu cicle de vida i les seves restes s'incorporen a terra, el nitrogen que havien acumulat als seus teixits s'allibera mitjançant un procés conegut com mineralització del nitrogen. La matèria orgànica es descompon i el nitrogen orgànic es transforma en amoni i nitrat, formes que altres plantes poden absorbir fàcilment.
D'aquesta manera, les comunitats vegetals que inclouen fixadors de nitrogen juguen un paper crucial a la fertilitat natural de molts ecosistemes i sistemes agrícoles, reduint la necessitat d'aportar tant fertilitzant extern.
Plantes que “respiren” nitrogen: lleguminoses, nòduls i simbiosi
El grup més conegut de plantes associades a bacteris fixadors de nitrogen és el de les lleguminoses, una família enorme que inclou cultius tan quotidians com pèsols, mongetes, llenties, cigrons, faves o trèvols. Aquestes espècies han desenvolupat, al llarg de l'evolució, la capacitat de formar nòduls a les seves arrels per acollir bacteris específics.
En aquesta relació, la planta emet senyals químics cap a l'entorn radicular que atrauen certs bacteris del sòl capaços de fixar nitrogen. Quan s'estableix el contacte, l'arrel comença a formar estructures especialitzades anomenades nòduls, que actuen com a petits “reactors biològics” protegits, on els bacteris viuen i treballen en condicions adequades.
Dins aquests nòduls, els bacteris fixen el nitrogen atmosfèric i el transformen en compostos nitrogenats que flueixen cap a la planta, mentre que la planta envia sucres i altres compostos als bacteris per mantenir-los actius. Encara que aquests microorganismes no fan fotosíntesi, depenen de la energia química generada per la planta gràcies a la llum solar.
El resultat pràctic és que el cultiu obté una font contínua de nitrogen sense necessitat de rebre tants fertilitzants externs, i part d'aquest nitrogen quedarà a terra quan la planta mori o quan s'incorporin les restes vegetals mitjançant labors agrícoles. De fet, la descomposició de restes de lleguminoses enriqueix notablement el contingut de nitrogen del sòl.
Aquest mecanisme explica per què les lleguminoses s'utilitzen sovint en rotacions o com a adobs verds: no només produeixen aliment, sinó que ajuden a millorar la fertilitat de la parcel·la ia sostenir sistemes agrícoles més sostenibles a mitjà i llarg termini.
Distribució i diversitat de les plantes fixadores de nitrogen
El paper ecològic de les plantes associades a bacteris fixadors de nitrogen és tan important que diversos equips científics han estudiat detalladament la seva distribució a gran escala. Als Estats Units, investigadors de diferents centres, com el Museu d'Història Natural de Florida i les universitats de Louisiana i Mississippi, han analitzat registres d'espècies natives i invasores a desenes de localitzacions per entendre millor aquest patró.
D'entrada, es podria pensar que als sòls pobres en nitrogen hi hauria d'haver més abundància i diversitat de plantes fixadores, ja que el seu avantatge competitiu seria més gran en ambients limitats per aquest nutrient. No obstant això, l'anàlisi detallada matisa força aquesta idea aparentment lògica.
En comparar diferents regions, els investigadors van observar que la quantitat de fixadors de nitrogen tendia a augmentar en àrees amb menys nitrogen disponible a terra, cosa que sí que encaixa amb la hipòtesi clàssica. Però també van veure que, a mesura que els ambients esdevenien més secs, la presència general d'aquestes plantes disminuïa.
El més cridaner va ser que, en fixar-se en la diversitat de fixadors de nitrogen nadius, van detectar un patró diferent: la diversitat d'espècies fixadores natives creixia de forma notable a les regions àrides, independentment de la quantitat de nitrogen present a terra. És a dir, allà on les condicions hídriques són més dures, el ventall de fixadors nadius pot ser molt alt.
Aquests resultats mostren que, a gran escala, la distribució de les plantes que allotgen bacteris fixadors no depèn només del nitrogen del sòl, sinó d'una combinació complexa de factors com la disponibilitat d‟aigua, la història evolutiva i la dinàmica de les comunitats vegetals. Comprendre aquests patrons és clau per dissenyar sistemes agrícoles més ben adaptats a cada regió.
El paper del CBGP: biotecnologia vegetal davant del canvi climàtic
Mentre s'avança en el coneixement ecològic de les plantes fixadores, centres de recerca com el Centre de Biotecnologia i Genòmica de Plantes (CBGP), vinculat a la Universitat Politècnica de Madrid, se centren en un altre front: adaptar els cultius al clima extrem que ja estem vivint i que s'intensificarà les properes dècades.
Les previsions apunten que a mitjans de segle caldrà alimentar a prop de 9.700 milions de persones en un planeta més calorós, sec i sotmès a episodis climàtics extrems molt més freqüents. L'any 2024 ja es va situar com un dels més calorosos des que hi ha registres, ia Europa es van comptabilitzar desenes de milers de morts vinculades a onades de calor, amb Espanya com un dels països més afectats.
Davant aquest panorama, al CBGP estudien de forma integral com creixen les plantes, com dialoguen amb els microorganismes de l'entorn i de quina manera responen a canvis ambientals com l'augment de temperatura, la sequera perllongada o la salinització dels sòls agrícoles.
Un dels grans objectius del centre és desenvolupar noves varietats de cultiu, o seleccionar dentre les ja existents, aquelles que siguin capaces de mantenir rendiments acceptables sota estrès ambiental. Això implica no només tolerar condicions adverses, sinó fer-ho sense dependre tant d'insums externs com fertilitzants i aigua.
Per aconseguir-ho, els investigadors analitzen els mecanismes moleculars que permeten a certes plantes resistir millor els estressos ambientals. Identifiquen proteïnes de defensa, rutes de senyalització i gens clau que s'activen davant de condicions extremes, i utilitzen aquesta informació per generar el que anomenen “proves de concepte”.
En aquestes proves, creen plantes transgèniques que acumulen determinades proteïnes o activen mecanismes concrets de tolerància, per tal de comprovar si realment milloren el seu comportament davant de sequera, calor o salinitat. D'aquesta manera, validen experimentalment quines estratègies són més eficaces abans de plantejar-se una aplicació a gran escala.
Cultius més resistents: tomàquets, bràsiques i seguretat alimentària
Un dels resultats destacats d'aquest enfocament ha estat el desenvolupament de plantes de tomàquet amb alta tolerància a la salinitat, un problema cada vegada més freqüent en zones agrícoles on el reg i l'evaporació intensa concentren sals a terra. L'equip del CBGP ha aconseguit varietats transgèniques que resisteixen millor aquests nivells de sal.
Aquests tomàquets resistents ja han donat lloc a una sol·licitud de patent europea, i la idea és estendre la tecnologia a altres cultius especialment sensibles a la salinitat, com pèsols, mongetes, blat de moro o maduixes. Si s'aconsegueix, suposaria un enorme avantatge en àrees on l'aigua de reg és de qualitat limitada o els sòls s'han vist degradats.
Alhora, el grup treballa a traslladar aquests avenços a les trucades bràsiques, una família vegetal que inclou col, col, bròquil i altres hortalisses essencials a la dieta. Augmentar la resistència d‟aquestes verdures bàsiques significaria blindar una part molt important de la seguretat alimentària en un entorn climàtic incert.
Tot i això, no tot és tan senzill com introduir proteïnes de defensa i llest. Moltes d'aquestes proteïnes pertanyen a famílies en què també es troben al·lèrgens alimentaris, i això obliga a extremar les precaucions. No totes les proteïnes de defensa són al·lergògenes, però algunes sí que poden desencadenar reaccions en persones sensibles.
Per aquest motiu, el CBGP compta amb un equip especialitzat en al·lèrgens que avalua a fons aquestes proteïnes. El seu treball se centra a identificar quines característiques estructurals converteixen una proteïna en un potencial al·lergen i quins no, de manera que es puguin dissenyar solucions biotecnològiques segures per al consum humà.
Aquest enfocament rigorós és essencial perquè la innovació en cultius transgènics o millorats tingui cabuda real al mercat, garantint la seguretat alimentària i el desenvolupament responsable de noves varietats que ajudin a enfrontar el canvi climàtic sense generar problemes addicionals.
Cap a cereals que “respirin” nitrogen de l'aire
Entre els projectes més ambiciosos que s'estan duent a terme al CBGP, destaca el liderat per l'investigador Luis Rubio, finançat per la Fundació Gates. La seva meta és tan simple d'explicar com difícil d'assolir: aconseguir que els cereals siguin capaços de captar i metabolitzar el nitrogen de l'aire, reduint de forma dràstica la dependència de fertilitzants químics.
A diferència de les lleguminoses, cultius bàsics com l'arròs, el blat o el blat de moro no formen de forma natural associacions simbiòtiques tan potents amb bacteris fixadors de nitrogen. Tampoc no disposen de la maquinària interna per fixar N₂ per si mateixos, ja que manquen de l'enzim nitrogenasa que sí que posseeixen determinats bacteris.
L'equip de Rubio utilitza com a model un bacteri fixador de nitrogen vinculat al llevat del pa, conegut com Azotobacter vinelandii (sovint malcitada en alguns mitjans), capaç de fixar nitrogen de manera eficient. La idea és transferir els gens implicats en la fixació de nitrogen des d'aquests bacteris a les plantes.
Al laboratori, els investigadors treballen en la introducció i l'expressió coordinada d'aquests gens bacterians a les cèl·lules vegetals, amb l'objectiu que els cereals puguin activar internament un sistema de fixació de nitrogen funcional. És un repte enorme perquè la nitrogenasa és molt complexa i extremadament sensible a l'oxigen, per la qual cosa requereix condicions molt concretes per funcionar.
Si aquest objectiu s'assoleix, encara que sigui parcialment, podria suposar una revolució per a l'agricultura mundial: els cereals podrien cobrir bona part de les seves necessitats nitrogenades per si mateixos, reduint l'ús de fertilitzants sintètics i, amb això, la contaminació de sòls, aigües i atmosfera associada a la seva producció i aplicació.
Fertilitzants químics i sostenibilitat agrícola
Actualment, els fertilitzants nitrogenats són imprescindibles per sostenir els alts rendiments de la producció global de cereals. Gràcies a ells s'ha aconseguit alimentar una població en creixement constant, però aquesta dependència té un cost ambiental cada cop més difícil d'assumir.
La síntesi industrial de fertilitzants consumeix grans quantitats denergia i emet gasos defecte hivernacle; el seu ús intensiu al camp provoca contaminació de l'aire per emissions d'òxids de nitrogen i amoníac, i l'escorriment arrossega nitrats a rius, aqüífers i mars, afavorint processos com l'eutrofització.
A més, l'abús de fertilitzants i certes pràctiques de maneig pot accelerar la degradació dels sòls agrícoles, reduint la seva capacitat de retenció d'aigua i nutrients i atrapant els agricultors en un cercle viciós de dependència d'insums externs.
Segons investigadors del projecte de cereals autofertilitzants, una disminució important en lús daquests fertilitzants podria obrir la porta a una agricultura molt més sostenible. Menys fertilitzant significa menys emissions associades a la fabricació, menys contaminació d'aigües i més possibilitats de recuperar sòls degradats.
L'aspiració última és desenvolupar varietats d'arròs, blat i blat de moro capaços de autofertilitzar-se en gran mesura, utilitzant el nitrogen de l'aire com a font principal. Tot i això, el mateix equip reconeix que es tracta d'una meta d'enorme complexitat tecnològica, que probablement requerirà dècades d'investigació abans de veure's reflectida al camp a gran escala.
Infraestructures d'avantguarda: hivernacles i rizotrons
Per dur a terme aquests projectes, el CBGP disposa d'unes instal·lacions al voltant de 1.900 m² dedicades al cultiu de plantes en condicions controlades. Una peça central d‟aquesta infraestructura és un hivernacle d‟uns 1.200 m² equipat amb sistemes avançats de climatització i il·luminació.
Aquests hivernacles permeten cultivar diferents espècies d'interès agrícola o models experimentals sota condicions perfectament regulades de temperatura, llum, humitat i composició del substrat. Així, es poden reproduir escenaris d'estrès per calor, sequera o salinitat per avaluar el comportament de les plantes modificades o seleccionades.
La instal·lació compta amb mòduls de contenció tipus P2 especialment dissenyats per treballar amb plantes transgèniques. En aquests espais, la temperatura es pot controlar en un rang ampli, aproximadament entre 10 i 45 ºC, una cosa clau per simular onades de calor o condicions de fred moderat.
A més, l'hivernacle integra un sistema de fenotipat digital automatitzat amb robots que es desplacen pels passadissos per capturar imatges i dades de les plantes. Aquest sistema permet seguir, de manera precisa ia gran escala, aspectes com ara el creixement, l'estat hídric o la gravetat dels símptomes d'estrès.
Un altre element molt interessant de la infraestructura són els anomenats rizotrons, unes estructures compostes per plaques transparents que deixen al descobert el sistema radicular. Gràcies a ells es poden obtenir imatges detallades de les arrels, mesurar-ne el creixement, el gruix i analitzar com responen a diferents productes o condicions ambientals.
La combinació d'aquests hivernacles controlats, sistemes robotitzats d'anàlisi i rizotrons converteix el centre en un entorn ideal per provar noves varietats i tecnologies abans d'escalar-ne l'ús. A més, aquestes instal·lacions no estan reservades únicament als equips interns: també s'obren a projectes d'altres organismes públics i privats interessats a respondre als reptes agrícoles del futur.
Tota aquesta investigació sobre proteïnes de resistència, simbiosi fixadores de nitrogen i cereals capaços d'aprofitar el nitrogen atmosfèric apunta cap a un model agrícola on les plantes treballen de manera més estreta amb els microorganismes i amb la seva pròpia biologia per produir més amb menys insums externs. Tot i que moltes d'aquestes metes trigaran anys o dècades a fer-se realitat a gran escala, cada avenç acosta una mica més la possibilitat de cultius que, de manera figurada, “respirin” nitrogen de l'aire i sostinguin l'alimentació mundial en un planeta sotmès a pressió climàtica.
