Biología Molecular y Genética de las Interacciones Rizobio-Leguminosas

Nuestra línea de investigación estudia las bases moleculares y genéticas de la relación simbiótica entre las bacterias fijadoras de nitrógeno (rizobios) y las plantas leguminosas, con especial atención a la soja (Glycine max), el cultivo de leguminosas de mayor importancia económica a nivel mundial. Combinamos la biología molecular fundamental con la investigación agrícola aplicada para abordar uno de los desafíos más importantes de nuestro tiempo: hacer que la agricultura sea más sostenible reduciendo su dependencia de los fertilizantes nitrogenados químicos. El nitrógeno es esencial para el crecimiento, el desarrollo y la producción de semillas de las plantas; sin embargo, su disponibilidad en los suelos es limitada, lo que ha llevado al uso extensivo y costoso de fertilizantes químicos en todo el mundo. Las leguminosas ofrecen una solución natural, ya que han evolucionado la capacidad de establecer una simbiosis con los rizobios, microorganismos que convierten el nitrógeno atmosférico en formas asimilables por las plantas dentro de órganos especializados de la raíz denominados nódulos. Comprender y optimizar esta asociación simbiótica para sustituir el uso de fertilizantes químicos constituye el objetivo principal de nuestro trabajo.

Compatibilidad simbiótica y reconocimiento de señales. Una de las preguntas centrales que impulsa nuestra investigación es qué determina la compatibilidad entre una determinada cepa de rizobio y una variedad de leguminosa. El uso de los rizobios como bioinoculantes en agricultura está limitado por la especificidad del hospedador: no todas las cepas son capaces de establecer una simbiosis eficaz con todas las leguminosas. Estudiamos el diálogo molecular que sustenta esta compatibilidad desde ambas perspectivas. Por parte de la bacteria, nos centramos en las moléculas que son reconocidas por la planta: los polisacáridos de superficie, los Factores Nod y las proteínas efectoras transferidas al interior de la planta a través del Sistema de Secreción de Tipo III. Por parte de la planta, investigamos los mecanismos que activan el programa simbiótico en respuesta a estas moléculas bacterianas, así como las respuestas inmunitarias que pueden bloquear el establecimiento de la simbiosis.

Diseño de proteínas guiado por inteligencia artificial para la ingeniería de la simbiosis. Nuestro objetivo es mejorar la compatibilidad entre rizobios y leguminosas mediante el diseño de proteínas asistido por inteligencia artificial. Utilizando una plataforma que integra herramientas como RFdiffusion, ProteinMPNN y AlphaFold, estamos generando proteínas capaces de ampliar la simbiosis a combinaciones de rizobios y leguminosas que, de otro modo, serían incompatibles. Esta estrategia abre la puerta al desarrollo de una nueva generación de inoculantes rizobianos con una compatibilidad más amplia y una mayor aplicabilidad agrícola.

Ómicas de plantas y microorganismos para mejorar la fijación de nitrógeno. Aunque nuestro trabajo molecular analiza en detalle los componentes individuales de la compatibilidad simbiótica, la fijación de nitrógeno en condiciones agrícolas está determinada por la interacción de muchos más factores: el genotipo de la planta, la cepa de rizobio, el microbioma del suelo y el ambiente. Nuestra investigación busca comprender y aprovechar esta complejidad mediante un enfoque integrado basado en tecnologías ómicas.

Por parte de la planta, secuenciamos y caracterizamos fenotípicamente amplios paneles de diversidad de soja, que incluyen más de 600 genotipos representativos de variedades élite para grano y edamame, variedades tradicionales (landraces) y soja silvestre. Evaluamos rasgos relacionados con la fijación de nitrógeno y empleamos estudios de asociación del genoma completo (GWAS, por sus siglas en inglés) para identificar los haplotipos responsables de una simbiosis fijadora de nitrógeno más eficiente. Por parte de los rizobios, hemos generado secuencias genómicas de alta calidad para una colección de más de 200 cepas competitivas y utilizamos genómica comparativa para caracterizar su diversidad genética e identificar los candidatos más prometedores para ensayos de compatibilidad con distintos haplotipos vegetales. Actualmente estamos ampliando este enfoque al microbioma de la raíz en su conjunto, utilizando secuenciación metagenómica y herramientas bioinformáticas para relacionar la composición de las comunidades microbianas del suelo con el rendimiento de la simbiosis planta-rizobio. El objetivo final es desarrollar una estrategia de emparejamiento basada en genómica, capaz de identificar las combinaciones óptimas de genotipo de leguminosa, cepa de rizobio y comunidad microbiana que maximicen conjuntamente la fijación simbiótica de nitrógeno.

Investigación aplicada: producción sostenible de soja. Transformamos este conocimiento en soluciones prácticas para una agricultura sostenible. La Unión Europea y España han incrementado la producción de soja en los últimos años; sin embargo, la mayor parte de la demanda interna sigue cubriéndose mediante importaciones. Nuestro trabajo aplicado tiene como objetivo aumentar la producción local y sostenible de soja, al tiempo que se reduce la huella ambiental asociada al uso de fertilizantes nitrogenados. Para ello, llevamos a cabo ensayos de campo con nuestros paneles de rizobios y variedades de soja con el fin de identificar las combinaciones cultivar-cepa que mejor se adaptan a las condiciones locales de clima y suelo, evaluando tanto la eficiencia simbiótica como el crecimiento de las plantas.