Hallan un "interruptor de apagado" genético en las leguminosas que limita la capacidad biológica para obtener nutrientes
El descubrimiento de un nuevo regulador genético en leguminosas podría ser clave para entender cómo aumentar la capacidad del cultivo para convertir el nitrógeno del aire en nutrientes y mejorar la calidad del suelo.
05-07-2024
Un grupo internacional de científicos, incluyendo al catedrático Manuel González-Guerrero de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (ETSIAAB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ha descubierto por primera vez un 'interruptor de apagado' genético que interrumpe el proceso por el cual las leguminosas transforman el nitrógeno del aire en nutrientes.
Las legumbres como las judías, los guisantes y las lentejas destacan entre otros cultivos por su capacidad de interactuar con las bacterias del suelo para convertir o "fijar" el nitrógeno en una forma asimilable para la mayoría de los organismos. Sin embargo, este proceso biológico, que demanda mucha energía de la planta. Por ello, cuando los suelos contienen en cantidades elevadas formas asimilables de nitrógeno (mediante procesos naturales o por aplicación de fertilizantes sintéticos), la planta reduce la fijación de nitrógeno evitando así un gasto innecesario para el organismo.
La eliminación del regulador genético descubierto permitió a los científicos de este equipo mantener la fijación de nitrógeno cuando los niveles de nitrato en el suelo son altos. De este modo las plantas podrían seguir usando nitrógeno del aire independientemente de las condiciones del suelo.
Aumentar la capacidad biológica de las leguminosas para fijar nitrógeno podría ayudar a aumentar el crecimiento y el rendimiento de los cultivos y, al mismo tiempo, reducir la necesidad de fertilizantes sintéticos, que contribuyen a la huella ambiental de la agricultura.
Los resultados de la investigación, que se llevó a cabo como parte del proyecto internacional Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), acaban de ser publicados en la prestigiosa revista Nature.
"Desde una perspectiva agrícola, la fijación continua de nitrógeno podría ser una característica beneficiosa que aumenta la disponibilidad de nitrógeno, tanto para la leguminosa como para cultivos futuros que dependen del nitrógeno que queda en el suelo después de que se cultivan las leguminosas", dijo el Dr. Dugald Reid, autor principal del trabajo e investigador de ENSA.
"Esto ayuda a sentar las bases para futuras investigaciones que nos proporcionen nuevas formas de gestionar nuestros sistemas agrícolas para reducir el uso de fertilizantes nitrogenados, aumentar los ingresos agrícolas y reducir el impacto del uso de fertilizantes nitrogenados en el medio ambiente", añade.
El proyecto ENSA está financiado actualmente por Bill & Melinda Gates Agriculture Innovations (Gates Ag One), una organización sin fines de lucro que invierte en investigación agrícola innovadora para satisfacer las necesidades urgentes y desatendidas de los pequeños agricultores en el África subsahariana y el sur de Asia.
Un estudio con más de 150.000 plantas
El equipo descubrió el regulador conocido como 'Fijación bajo nitrato' (FUN) después de examinar 150.000 plantas leguminosas individuales en las que se habían eliminado genes para identificar cómo las plantas controlan el cambio de la fijación de nitrógeno a la absorción de nitrógeno del suelo.
Se descubrió que FUN, que es un tipo de proteína conocida como factor de transcripción y cuya función es controlar los niveles de expresión de otros genes, está presente en las legumbres independientemente de si se encuentra activo o inactivo y de los niveles de nitrógeno.
"Como parte del estudio, diseñamos un cribaje genético con miles de plantas cultivadas en invernaderos para identificar los genes que conectan las señales ambientales con las respuestas biológicas", dijo el Dr. Jieshun Lin , coautor del artículo e investigador de ENSA. "Al aumentar los niveles de nitrato disponibles para nuestra leguminosa modelo, pudimos identificar aquellas con una regulación deficiente de la fijación de nitrógeno y descubrir el mutante FUN".
A continuación, el equipo utilizó una combinación de bioquímica, estudios de expresión genética y microscopía para descubrir que FUN se organiza en largos filamentos de proteína cuando está inactiva. Esto llevó al descubrimiento secundario de que los niveles de zinc desempeñan un papel en hacer que FUN se active y detenga la fijación de nitrógeno.
“Descubrimos que cambiar el nitrógeno del suelo altera los niveles de zinc en la planta. El zinc no se había relacionado previamente con la regulación de la fijación de nitrógeno, pero nuestro estudio encontró que un cambio en los niveles de zinc a su vez activa FUN, que controla una gran cantidad de genes que inhiben la fijación de nitrógeno”, dijo el Dr. Kasper Andersen , co -autor e investigador de ENSA. "Por lo tanto, eliminar FUN crea una condición en la que la planta ya no bloquea la fijación de nitrógeno", concluye
El estudio ha sido liderado por científicos de la Universidad La Trobe (Australia) y la Universidad de Aarhus (Dinamarca), e implicó colaboraciones con la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (European Synchtron Radiation Facility, ESRF) y el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (UPM-INIA/CSIC).
Los investigadores ahora están investigando cómo se comportan otros cultivos de leguminosas comunes, como la soja y las judías, cuando FUN pierde su actividad.
JIESHUN LIN, PETER K. BJØRK, MARIE V. KOLTE, EMIL POULSEN, EMIL DEDIC, TANER DRACE, STIG U. ANDERSEN, MARCIN NADZIEJA, HUIJUN LIU, HIRAM CASTILLO-MICHEL, VIVIANA ESCUDERO, MANUEL GONZÁLEZ-GUERRERO, THOMAS BOESEN, JAN SKOV PEDERSEN, JENS STOUGAARD,KASPER R. ANDERSEN Y DUGALD REID. Zinc mediates control of nitrogen fixation via transcription factor filamentation. Nature 631, 164–169 (2024).
Fuente: Comunicación UPM