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Caracterizan el 75 % de las Bacterias que Habitan en el Rumen del Ganado

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Un grupo de científicos, del que participó el INTA – Argentina, catalogó los genomas de 410 microorganismos presentes en el rumen de varias especies animales. Esto contribuirá a generar estrategias para la reducción de gases de efecto invernadero y la producción de biocombustibles.

Conocidos como rumiantes, en el reino animal los bovinos, caprinos y ovinos, entre otros, tienen la capacidad de convertir pasto en proteína animal de alto valor. Para que esto sea posible, la flora microbiana presente en el rumen fermenta el alimento y facilita la digestión de la materia vegetal rica en celulosa y lignina. Como resultado de este proceso, los animales emiten metano –uno de los gases de efecto invernadero.

Comprender las funciones de los microorganismos que integran el rumen, resulta esencial para el desarrollo de dietas más eficientes y, a su vez, ayudaría a minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Por esto, el consorcio internacional Hungate 1000, integrado por más de 55 científicos de 19 organismos de investigación de nueve países, analizó y catalogó los genomas de 410 bacterias cultivadas y arqueas –organismos unicelulares– presentes en el rumen de varias especies animales.

Del estudio, recientemente publicado en la revista científica Nature Biotechnology, participaron investigadores del Instituto de Biotecnología y del Instituto de Patobiología, ambos del Centro de Investigación en Ciencias Veterinarias y Agronómicas (CICVYA) del INTA.

Silvio Cravero, investigador del Instituto de Biotecnología del INTA, aseguró que la investigación “es un verdadero impulso a la biología del microbioma del rumen, ya que no solo permitió secuenciar los genomas de bacterias y arqueas que viven allí, sino determinar que 134 son las mismas que se encuentran en el intestino humano”.

Además de la caracterización de 410 microorganismos, el consorcio internacional analizó 91 genomas de interés, lo que elevó a 501 el número de organismos secuenciados –480 bacterias y 21 arqueas–. De esta manera, se estima que se analizó aproximadamente el 75 % de los géneros bacterianos presentes en el rumen.

 

“Este trabajo contribuirá a conocer la diversidad y el funcionamiento de las bacterias y arqueas presentes en el rumen y aportará al diseño y monitoreo de estrategias de mitigación de metano en los sistemas de producción animal”, destacó Cravero y agregó: “Será una línea de base para el estudio de microbiotas de otras especies animales”.

La colección de microorganismos y sus genomas, “constituyen un recurso biológico que se puede utilizar para avanzar en el estudio de secuencias de genes con propiedades a escala industrial y en la comprensión de la fisiología ruminal”, destacó Cravero y agregó: “Esto permitirá encontrar un equilibrio entre consumo, producción y reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero”.

María Esperanza Ceron Cucchi, del Instituto de Patobiología del INTA e integrante del consorcio internacional Hungate1000, explicó que “bacterias, protozoos, arqueas, hongos y bacteriófagos conforman la microbiota rumial cuya principal función es la de digerir enzimáticamente el alimento vegetal”.

De acuerdo con Ceron Cucchi, “la microbiota contribuye ampliamente a la promoción de la salud, productividad e inmunidad del animal. Es un campo de investigación que está en pleno auge en el mundo”.

“Por su función, estos microorganismos residentes en el tracto gastrointestinal determinan la extracción de nutrientes y participan en la regulación de su balance energético”, expresó la especialista del INTA.

De acuerdo con el artículo Cultivation and sequencing of rumen microbiome members from the Hungate1000 Collection, la fermentación entérica en rumiantes libera unos 125 millones de toneladas de metano a la atmósfera al año y es considerada la fuente antropogénica más importante de emisión de este gas de efecto invernadero.

En 2012, cuando el consorcio inició los estudios, solo 14 genomas microbianos estaban disponibles para su estudio.

Un catálogo para futuros desarrollo

Los aislamientos generados permitirán avanzar no solo en investigación orientada a la producción de biocombustibles, sino también de alimentos para animales, aditivos, antibióticos y aceites esenciales, así como incursionar en la generación de vacunas contra arqueas metanógenas, debido a que con la secuencia del genoma se puede identificar la proteína candidata para la vacuna. Tampoco descartan las aplicaciones en humanos.

El Laboratorio de Microbiología del Rumen del Instituto de Patobiología del INTA –único representante de Sudamérica en el grupo internacional– generó los primeros datos relacionados a la caracterización microbiana del rumen en camélidos sudamericanos.

Recientemente, el Instituto de Biotecnología inició colaboraciones con laboratorios de Nueva Zelanda para expresar en levaduras proteínas de arqueas metanogénicas. Serán evaluadas como inmunógenos en el diseño de vacunas destinadas a mitigar la emisión de gas metano derivado de la producción animal.

Los animales rumiantes -bovinos, caprinos y ovinos, entre otros- son capaces de convertir materia vegetal lignocelulósica en proteína animal de alto valor como carne, leche y fibra.

El rumen está formado por una comunidad de microorganismos o microbiota compleja constituida por bacterias, protozoos, fagos, arqueas y hongos. Se trata de un microbioma con alta densidad y diversidad microbiana con unos 10 mil millones de microorganismos por mililitros.

Como consecuencia del proceso de fermentación, se generan compuestos como ácidos grasos de cadena corta (acético, propiónico y butírico son los que se producen en mayor cantidad en la fermentación de los alimentos en el rumen) que son absorbidos y utilizados como fuente de energía por el animal.

Durante el proceso, también se generan moléculas simples como amonio, dióxido de carbono, hidrógeno y metano, este último reconocido entre los principales gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático.

Si bien el ecosistema ruminal se estudia desde hace varios años, el conocimiento sobre la microbiota involucrada en la degradación de material lignocelulósico y de la formación del gas metano es limitado.

Es necesario comprender que un animal, un humano, una planta e incluso un insecto para desarrollarse requieren estar asociados a comunidades bacterianas determinadas, lo que lleva a definir el término holobionte. Donde cada uno conforma una unidad ecológica en conjunto con sus microbiomas y evolucionan juntos.

De la publicación en la revista Nature participaron científicos de Nueva Zelanda, Estados Unidos, Canadá, Australia, Japón, Reino Unido, Francia, Arabia Saudita y Dinamarca junto con integrares del proyecto Hungate1000 (cuyo nombre se debe al objetivo de llegar a estudiar 1.000 aislamientos microbianos ruminales).

El consorcio, liderado por los investigadores del Centro de Investigación en Pasturas del AgResearch, de Nueva Zelanda, recibió financiamiento del gobierno de ese país y del Departamento de Energía de los Estados Unidos, mediante el Joint Genome Institute (JGI). Además, tuvo el auspicio de la Alianza Global para la Investigación de Gases de Efecto Invernadero en la Agricultura (conocida como Global Research Alliance).

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Con estrategias de mitigación, aumentan un 40 % la productividad ganadera, con estrategias de mitigación

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En el marco del proyecto internacional GANASUR, especialistas del INTA presentaron los resultados del estudio en la Cuenca del Salado, Buenos Aires. Con estrategias de mitigación en los establecimientos se evitó la emisión de 7.400 toneladas de CO₂ y aumentó la producción por vientre un 40 %. Mejoras en la sanidad preventiva y reproductiva, descarte de animales improductivos y manejo del pastoreo, entre las estrategias implementadas.

El proyecto GANASUR se desarrolla sobre la estructura cooperativa de PROCISUR, que reúne a los institutos nacionales de investigación agropecuaria de Argentina, Brasil, Chile, Paraguay y Uruguay, junto con el IICA. La iniciativa busca identificar sistemas ganaderos representativos de cada país, evaluar opciones de mitigación y modelar los impactos productivos, económicos y ambientales asociados a su implementación.

En el caso de la Argentina, se seleccionó como caso de estudio un sistema de ciclo completo de la Pampa Deprimida. Según explicó Mauricio Álvarez, coordinador del Programa Nacional de Carnes y Fibras Animales del INTA, “se trata de una de las principales regiones ganaderas del país y porque la cría concentra una proporción muy importante de las emisiones del sistema”. Al mismo tiempo, sus brechas de eficiencia reproductiva y productiva ofrecen una oportunidad concreta para reducir emisiones sin disminuir la producción de carne.

En esta línea, puntualizó: “Para los países del CAS aumentar la productividad es una meta irrenunciable y los resultados demuestran que es posible producir más, mejorando la rentabilidad, de manera ambientalmente sostenible”.

En este sentido, subrayó: “Los resultados muestran que la mitigación puede integrarse a una estrategia de mejora productiva y económica: no se trata de producir menos, sino de producir más eficientemente, con una menor cantidad de emisiones por unidad de producto y una reducción simultánea de las emisiones absolutas”.

Las medidas de mitigación no se definieron como un paquete teórico, sino a partir de tecnologías probadas y compatibles con el funcionamiento de los establecimientos, detalló Álvarez, al tiempo que aclaró que “fueron validadas mediante consultas con productores y referentes sectoriales, que permitieron identificar aquellas que estarían dispuestos a adoptar”.

En esta línea, destacó que “uno de los principales aportes de GANASUR es haber integrado las dimensiones productiva, ambiental y económica. No alcanza con saber cuánto puede reducirse una emisión: también necesitamos conocer qué efecto tiene la tecnología sobre la productividad, cuánto cuesta implementarla y cuáles son las condiciones para que un productor decida adoptarla”.

Entre las estrategias que se aplicaron, se destacan las mejoras en la sanidad preventiva y reproductiva, el descarte de animales improductivos, el manejo del pastoreo, la recuperación de pasturas, la incorporación de leguminosas, la suplementación estratégica, la inseminación artificial a tiempo fijo y la selección genética.

“La implementación completa de esta trayectoria permitiría evitar unas 7.400 toneladas de CO₂ equivalente entre 2027 y 2040, lo que representa una reducción del 15 % de las emisiones acumuladas respecto del escenario de referencia”, confirmó el investigador. Para 2040, las emisiones anuales disminuirían hasta aproximadamente 2.645 toneladas de CO₂ equivalente y la huella de carbono por kilogramo producido se reduciría cerca de un 27 %.

“Los beneficios no serían solamente ambientales, sino también productivos”, sentenció Álvarez. Es que, según detalló, la producción por vientre aumentaría un 40 %, al pasar de 197 a 275 kg de peso vivo, mientras que el mayor volumen de carne generado y la mejora de la eficiencia permitirían alcanzar importantes beneficios económicos.

Según detalló el especialista del INTA, “la transición tecnológica se diseñó de manera gradual y acumulativa”. En una primera etapa se propuso ordenar el manejo del rodeo y mejorar su desempeño reproductivo; posteriormente, fortalecer la base forrajera y nutricional; y, finalmente, incorporar herramientas de mayor intensificación.

“Esta secuencia responde a una lógica concreta: comenzar por tecnologías de menor complejidad y avanzar hacia otras que requieren mayores capacidades e inversiones, evitando asumir que todas pueden adoptarse simultáneamente”, aclaró Álvarez.

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