Come i batteri fertilizzano la soia

Per crescere, le piante hanno bisogno di azoto sotto forma di ammonio. Per molte colture, gli agricoltori devono applicare questo ammonio ai campi come fertilizzante. La sua produzione è ad alta intensità energetica e costosa, e gli attuali metodi di produzione emettono molte emissioni di CO₂ rilasciato.

Tuttavia, alcune piante coltivabili si procurano da sole l'ammonio: Le radici di fagioli, piselli, trifoglio e altre leguminose ospitano batteri in grado di convertire l'azoto dell'aria in ammonio. Le piante e i cosiddetti batteri dei noduli ne traggono entrambi vantaggio e finora la visione scientifica di questa simbiosi era piuttosto semplice: la pianta ottiene l'ammonio dai batteri e in cambio i batteri ricevono dalla pianta molecole di acido carbossilico ricche di carbonio.

Interazione più complessa di quanto si pensasse

I ricercatori dell'ETH, guidati da Beat Christen, professore di biologia dei sistemi sperimentali, e Matthias Christen, scienziato dell'Istituto di biologia dei sistemi molecolari, sono ora in grado di dimostrare che l'interazione tra piante e batteri è più complessa: oltre al carbonio, i batteri ottengono dalla pianta anche l'aminoacido arginina, ricco di azoto.

"Sebbene la fissazione dell'azoto dei batteri dei noduli sia stata studiata per molti decenni, le nostre conoscenze erano incomplete", afferma Beat Christen. "Le nostre nuove scoperte permetteranno di ridurre la dipendenza dell'agricoltura dai fertilizzanti a base di ammonio, rendendo così l'agricoltura più sostenibile".

I ricercatori hanno studiato e decodificato le vie metaboliche dei batteri dei noduli che vivono insieme al trifoglio e alla soia utilizzando metodi di biologia dei sistemi. Insieme al professor Uwe Sauer dell'ETH, hanno testato i risultati in esperimenti di crescita con piante e batteri in laboratorio. Gli scienziati sospettano che le nuove scoperte non si applichino solo al trifoglio e alla soia, ma che le vie metaboliche siano simili in altre leguminose.

Più una battaglia che un accordo volontario

I risultati forniscono una nuova prospettiva sulla coesistenza tra piante e batteri dei noduli. "Contrariamente a quanto spesso viene rappresentato, questa simbiosi non è caratterizzata da un dare e avere volontario. Piuttosto, i due partner si sfruttano a vicenda ogni volta che è possibile", spiega Matthias Christen.

Come gli scienziati hanno potuto dimostrare, la soia e il trifoglio non stendono il tappeto rosso ai batteri dei noduli, ma li accolgono come un agente patogeno: le piante cercano di privare i batteri dell'ossigeno e li espongono a un ambiente acido. I batteri lottano per sopravvivere in questo ambiente inospitale. Utilizzano l'arginina delle piante perché permette loro di passare a un metabolismo che richiede pochissimo ossigeno.

Per neutralizzare l'ambiente acido, i microbi trasferiscono i protoni acidificanti alle molecole di azoto dell'aria. Questo produce ammonio, di cui si liberano convogliandolo fuori dalla cellula batterica verso la pianta. "L'ammonio, così prezioso per la pianta, è semplicemente un prodotto di scarto della lotta per la sopravvivenza dei batteri", spiega Beat Christen.

La conversione dell'azoto molecolare in ammonio non richiede solo energia per l'industria, ma anche per i batteri dei noduli. Il meccanismo appena descritto spiega perché i batteri spendono così tanta energia: Permette loro di sopravvivere.

Biotecnologia per l'agricoltura sostenibile

Le nuove conoscenze possono essere utilizzate in agricoltura e biotecnologia per trasferire la fissazione batterica dell'azoto a colture che non sono legumi, come grano, mais o riso. Gli scienziati ci hanno già provato diverse volte, ma solo con un successo modesto perché un pezzo importante del puzzle metabolico era precedentemente sconosciuto. "Ora che abbiamo decodificato il meccanismo in dettaglio, le possibilità di portare a termine con successo questo approccio dovrebbero aumentare", afferma Beat Christen.

È possibile inserire tutti i geni necessari per la via metabolica direttamente nelle piante coltivate con metodi biotecnologici. Un altro approccio potrebbe essere quello di trasferire questi geni in batteri che interagiscono con le radici del grano o del mais. Attualmente questi batteri non convertono l'azoto atmosferico in ammonio; la biotecnologia potrebbe aiutarli a farlo. I ricercatori dell'ETH proseguiranno con questo approccio.