Un equipo de científicos internacionales ha identificado por primera vez un “interruptor de apagado” genético que detiene el proceso mediante el cual las plantas leguminosas convierten el nitrógeno atmosférico en nutrientes.
Las leguminosas como los frijoles, los guisantes y las lentejas son únicas entre los cultivos por su capacidad de interactuar con las bacterias del suelo para convertir o “fijar” el nitrógeno en una forma utilizable de nutrientes. Sin embargo, este proceso biológico que requiere mucha energía se reduce cuando el nitrógeno ya es abundante en el suelo, ya sea por procesos naturales o por la aplicación de fertilizantes sintéticos.
El último descubrimiento del regulador genético que apaga la fijación de nitrógeno cuando los niveles de nitrato en el suelo son altos permitió a los científicos eliminar el gen en leguminosas modelo, asegurando que continuaran fijando nitrógeno independientemente del entorno del suelo.
Aumentar la capacidad biológica de las leguminosas para fijar nitrógeno podría ayudar a aumentar el crecimiento y el rendimiento de los cultivos, al tiempo que reduce la necesidad de fertilizantes sintéticos, que contribuyen a la huella ambiental de la agricultura.
Los resultados de la investigación, que se llevaron a cabo como parte del proyecto internacional Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), se publicaron en Nature.
“Desde una perspectiva agrícola, la fijación de nitrógeno continua podría ser un rasgo beneficioso que aumenta la disponibilidad de nitrógeno, tanto para la leguminosa como para los cultivos futuros que dependen del nitrógeno que queda en el suelo después de que se cultivan las leguminosas”, dijo el autor principal Dr. Dugald Reid, profesor de la Universidad La Trobe y líder del grupo de investigación en el Instituto La Trobe para la Agricultura y la Alimentación Sostenibles (LISAF) y el Departamento de Ciencia Animal, Vegetal y del Suelo, e investigador de ENSA.
“Esto ayuda a sentar las bases para la investigación futura que brinda 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”.
El proyecto ENSA está actualmente financiado por Bill & Melinda Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One), una organización sin fines de lucro que invierte en investigaciones agrícolas innovadoras para satisfacer las necesidades urgentes y descuidadas de los agricultores de pequeña escala en el África subsahariana y el sur de Asia.
El equipo descubrió el regulador conocido como “Fixation Under Nitrate” (FUN) después de analizar 150.000 plantas de 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 encontró que FUN, que es un tipo de gen conocido como factor de transcripción y controla los niveles de otros genes, está presente en las leguminosas independientemente de si está activo o inactivo, e independientemente de los niveles de nitrógeno.
“Como parte del estudio, diseñamos una pantalla genética para miles de plantas en invernaderos para identificar los genes que conectan los desencadenantes ambientales con las señales biológicas”, dijo Dr. Jieshun Lin, coautor del artículo e investigador de ENSA.
“Al aumentar los niveles de nitrato disponibles para la leguminosa modelo, pudimos identificar aquellos con una regulación de fijación de nitrógeno deteriorada y descubrir el mutante FUN”.
Luego, el equipo utilizó una combinación de bioquímica, estudios de expresión génica y microscopía para descubrir que FUN se forma en filamentos de proteínas largos cuando está inactivo.
Esto llevó al descubrimiento secundario de que los niveles de zinc juegan un papel en el desencadenamiento de FUN para que se active y detenga la fijación de nitrógeno.
“Encontramos 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 activa FUN, que luego controla un gran número de genes que detienen la fijación de nitrógeno”, dijo Dr. Kasper Andersen, coautor e investigador de ENSA.
“Por lo tanto, eliminar FUN crea una condición en la que la fijación de nitrógeno ya no se detiene por la planta”.
El estudio fue dirigido por científicos de la Universidad La Trobe, Australia y la Universidad de Aarhus, Dinamarca, e involucró colaboraciones con la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF), el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, España y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM).
Los investigadores ahora están investigando cómo se desempeñan los cultivos de leguminosas comunes como la soya y el caupí cuando pierden la actividad de FUN.
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Revista
Naturaleza
Método de investigación
Ensayo controlado / clínico aleatorizado
Asunto de investigación
No aplicable
Título del artículo
El zinc media el control de la fijación de nitrógeno a través de la filamentación del factor de transcripción
Fecha de publicación del artículo
26 de junio de 2024
Declaración de COI
Aarhus University ha presentado la solicitud de patente provisional estadounidense 63/483,248
de autoría de J.L., P.K.B., J.S., K.R.A. y D.R. sobre el uso del gen FUN y los objetivos posteriores
para mejorar la fijación de nitrógeno en los cultivos de leguminosas. Los demás autores declaran no tener ningún interés en conflicto.
