Investigación sobre nutrición vegetal a nivel mundial desde Chile: Relación del nitrógeno con las auxinas y el sistema radicular

Ya se ha establecido que el nitrógeno se relaciona con las vías hormonales y han identificado mecanismos moleculares que conectan la percepción del nitrato del exterior de la planta con el crecimiento de esta. Así mismo descubrieron que hay una interacción directa entre la vía de señalización de auxinas y el nitrato y que esta relación incide en la estructura radicular. El biólogo de la PUC, especialista en genética molecular, Dr. Rodrigo Gutiérrez, espera que sus estudios aporten a lograr cultivos más eficientes en el uso del N, ya cuenta con patentes y con licencias otorgadas a empresas internacionales.

 

Algunos de los principales aportes científicos que se están haciendo en el ámbito de la nutrición vegetal, en particular los orientados a la comprensión de los mecanismos relativos a la absorción y eficiencia de uso del nitrógeno por las plantas, hoy provienen de Chile. Más exactamente del Departamento de Genética Molecular y Microbiología de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Pontificia Universidad Católica. El doctor de la Universidad de Michigan y posdoctor de la Universidad de Nueva York, Rodrigo Gutiérrez, líder del Laboratorio de Biología de Sistemas Vegetales (Plant Systems Biology Lab) es uno de los investigadores que trabaja en resolver los mecanismos genéticos y moleculares relacionados con el nitrógeno (N), contexto en que incluso han descubierto interacciones del nitrógeno con fitohormonas. 

Descontando al carbono (C), ya que las plantas lo toman directamente de la atmósfera en el proceso de fotosíntesis, el nitrógeno es el nutriente más importante, ya que es el requerido en mayor medida y por tanto el más limitante. Sin embargo, por otro lado, es uno de los más ineficientes en su absorción por las plantas, lo que provoca grandes pérdidas económicas y es causa de un importante impacto medio ambiental. Es así que, “en los suelos normalmente lo que se agota primero es el N. Simplemente por razones de masa el N generalmente termina siendo uno de los factores que más limitan el crecimiento”, explica Gutiérrez.

Si bien el grupo de Rodrigo Gutiérrez trabaja fundamentalmente en base a la planta modelo Arabidopsis thaliana (especie de la que se ha secuenciado todo su genoma), algunos de sus estudios ya han sido escalados a importantes cultivos de amplia distribución, como es el caso del arroz, y entre los componentes de su equipo hoy participa una ingeniero agrónomo.

LA NUTRICIÓN INCIDE EN TODO Y EL NITRÓGENO ES LA PRINCIPAL LIMITANTE

-¿Por qué te interesaste en nutrición vegetal?

-Siempre me interesaron los procesos de regulación de las plantas o cómo las plantas responden al medio ambiente y modulan distintos aspectos de su fisiología, metabolismo, crecimiento o desarrollo. Cuando tuve que decidir en qué área focalizar mis estudios analicé lo que estaba disponible en la literatura y entendí que la nutrición es un aspecto que incide en prácticamente todo. El metabolismo, la fisiología, el crecimiento, el desarrollo y casi todos los aspectos de la planta se ven afectados por la disponibilidad de nutrientes. Entre esos nutrientes, como las plantas son organismos fotosintéticos y el carbono lo resuelven a través de la fotosíntesis, el nutriente más limitante para la planta es el N. En ese sentido nos interesa entender cómo las vías de señalización de N se comunican con las vías hormonales.  

-¿Por qué las plantas no absorben N directo de la atmósfera si es uno de los elementos más presentes?

-Más de un 70% de la atmósfera está compuesto por N molecular pero se encuentra en una configuración química que es difícil de asimilar para los organismos vivos. Sin embargo, algunos organismos pueden romper esas moléculas, por lo general bacterias capaces de fijar N. Por ejemplo los rizobios toman el N molecular y lo reducen a amonio, una forma de N que sí puede ser asimilada y luego el amonio en el suelo puede ser nitrificado a nitrato, forma que también toman las plantas. Así es como entra el N al ciclo biológico, gracias a la fijación mediada por ciertos tipos de microorganismos, los que no son solo bacterias.

-¿Si esos microorganismos no cumplieran esa función no habría N biológicamente disponible? 

-Una buena parte del N entra al sistema mediante la fijación biológica por bacterias y arqueas. Otra parte entra mediante la fijación química, la que ocurre en la atmósfera producto de descargas eléctricas y otros fenómenos relacionados con procesos químicos. Sin embargo, hoy la principal fuente de N para los sistemas proviene de la fijación química de N mediante el proceso de Haber-Bosch (producción de urea). 

LA RELACIÓN NITRÓGENO FITOHORMONAS

-¿Qué has descubierto sobre la relación N – fitohormonas?

-Hemos realizado varios trabajos, algunos publicados y otros en proceso de publicación, en los que hemos identificado mecanismos moleculares que conectan la percepción del nitrato del exterior de la planta con el crecimiento de esta, fundamentalmente por la vía de las auxinas. Uno de los pocos trabajos publicados en esa área es nuestro y en él identificamos un receptor de la auxina que está controlado por nitrato, de modo de que hay una interacción directa entre la vía de señalización de auxinas y el nitrato. Este mecanismo cumple fundamentalmente funciones en la estructura radicular. Controla el crecimiento de la raíz principal y el crecimiento de las raíces laterales. Estamos a punto de enviar a publicación un trabajo donde describimos un regulador que hasta el momento no se había asociado con esto, pero que regula el rendimiento de las plantas o, en el fondo, la eficiencia de uso de N.

-Aclara Gutiérrez que si bien ese misterioso regulador ya tiene nombre, no lo puede revelar porque ese trabajo todavía no se ha publicado. Sin embargo, anticipa que es un gen que produce una proteína que cumple una función reguladora. “Si bien nosotros trabajamos en base a la planta modelo Arabidopsis thaliana, este gen en particular ya lo probamos en arroz y observamos un 20% de aumento del rendimiento en condiciones limitantes de nitrógeno. El mecanismo que encontramos es un regulador que controla directamente la captación de nitratos”, explica. El arroz por un lado es clave por su importancia en la alimentación humana y por otro es uno de los cultivos de menor eficiencia de uso de N. “Esperamos que este descubrimiento tenga un gran impacto tanto en el campo científico como en la industria, pero aun falta saber con certeza si funciona en terreno”, señala. 

NITRATOS Y OTRAS FUENTES DE N SON SEÑALES QUE LAS PLANTAS SON CAPACES DE PERCIBIR

-Se podría presumir que el N participa como material constructivo a través de los aminoácidos y que por ese lado incide con el crecimiento pero ustedes han descubierto que además funciona como señal. 

-Hay bastante gente que ha estudiado esto en el mundo pero ahora se sabe, por estos trabajos, que los nitratos y otras fuentes de N son señales que las plantas son capaces de percibir. Existe una vía de transducción de señales y nosotros encontramos un componente central de esta vía de transducción de señales, el que conecta a la percepción del nitrato con la regulación del desarrollo de las raíces. Esa ha sido nuestra contribución, pero hay gente que ha trabajado en el receptor, el que corresponde a un transportador de afinidad dual cuya gracia es que transporta nitrato y auxinas. El mecanismo que ellos proponen es que la auxina estaría vinculada a la percepción de nitrato porque compiten por el mismo receptor. 

-¿Qué otras funciones cumplen los genes controlados por N?

-Diversas funciones y presentan distintos niveles. El nitrato, por ejemplo, regula su vía de captación, los transportadores de nitrato, regula la reducción del nitrato, la asimilación de nitrato en aminoácidos, una gran cantidad de vías metabólicas que tienen que ver con la generación de energía, etc. Está todo conectado, el metabolismo de carbohidratos y el metabolismo del N. Luego, a otros niveles, se relaciona con genes involucrados en el desarrollo, en el crecimiento, etc. Hemos encontrado que regula cerca del 20% del genoma de la planta. 

LA RELACIÓN NITRÓGENO SANIDAD VEGETAL

-¿Han encontrado diferencias dependiendo de la fuente de N. Es decir, si a la planta se le aporta N nítrico o amoniacal?

-Hay diferencias y las plantas así mismo muestran preferencias. Algunas prefieren el nitrato otras el amonio, otras se desarrollan mejor con una determinada proporción entre ambas fuentes. Eso varía de especie en especie. Es así que si se hace una perturbación con nitrato o con amonio, hay algunas cosas que se parecen pero otras que son distintas (dependiendo de la especie), y si se usan fuentes tales como urea u otras fuentes orgánicas también se observan diferencias. Sin embargo, por lo general en los suelos predomina nitrato y amonio y a menos que sean suelos ácidos la fuente principal de N en el suelo es nitrato.  

-¿Estas señales relacionadas con el N dependen también de otros elementos nutricionales o de otros factores? 

-Se aprecia una clara relación con varios elementos. Por ejemplo, con azufre y fosfato, con la luz... con prácticamente todo. Es muy complejo porque una parte central del metabolismo de la planta tiene que ver con el N. Por ejemplo, uno de los factores de transcripción que publicamos hace poco, que es central en la respuesta a nitrato, corresponde a un factor que se había descrito en el contexto de la resistencia a infecciones por bacterias. Eso indica que hay una conexión íntima entre la tolerancia de la planta a una infección bacteriana y su nutrición nitrogenada.  

NUEVAS VARIEDADES CON MAYOR EFICIENCIA DE USO DE N

-¿Crees que en base a tus estudios en el futuro se podrá ‘programar’ una planta, por ejemplo una especie frutal, para que no incorpore excesos de N de modo de que se mantenga nutricionalmente equilibrada?

-Creo que eso es totalmente factible. Sin embargo, según establecimos, como es una molécula muy difícil de aislar de otros componentes y el conocimiento que tenemos hasta hoy a nivel molecular no es tan detallado todavía no se puede hacer. Pero pensando en el largo plazo y en la medida en que avanzamos, es muy factible. 

-Las grandes empresas semilleras buscan transgénicos e híbridos que crezcan bien en condiciones limitantes de N o de agua, ¿en qué se diferencian de tu enfoque?

-Las grandes empresas y sus pipelines básicamente prueban una mutación en cada uno de los genes del genoma de, por ejemplo, el maíz. Nosotros, en tanto, usamos una aproximación de biología de sistemas donde integramos información que está disponible en la literatura y en el dominio público y a partir de eso generamos modelos integrados e hipótesis concretas que nos llevan a identificar factores que son relevantes para, en este caso, el N. Nos ha ido relativamente bien identificando distintos componentes que regulan el desarrollo de las raíces, de los pelos radiculares, la floración, la eficiencia en el uso de N y distintos otros rasgos. 

-¿Cómo crees que se llevarán estos conocimientos a la práctica y al campo?

-Hay distintas estrategias posibles. Una puede ser a través de transgenia pero otra es a través de los programas de mejoramiento tradicionales porque nuestros estudios permitirán encontrar un gen con ciertas características en una población. De hecho ahora estamos patentando la tecnología y es justamente lo que estamos proponiendo, que se pueda usar en los programas de mejoramiento clásicos, sin necesidad de recurrir a transgenia. Esto sería una ventaja frente a otras cosas que andan dando vueltas. Creo que es factible generar una nueva variedad que tenga una mayor eficiencia de uso de N. El punto que todavía desconocemos es si esto va a funcionar en el campo en situaciones normales, como sí hemos visto que funciona en el laboratorio.

LA DIFICULTAD DE TRANSFORMAR EL CONOCIMIENTO EN PRODUCTO EN LATINOAMÉRICA

-¿Cuándo crees que van a entrar a la etapa de campo?

-Estamos comenzando las conversaciones con empresas pero uno de los aspectos que más lamento es que en Chile o incluso en la región, es difícil que podamos escalar esta tecnología. El conocimiento que estamos generando tiene el mismo estándar que los que se generan en Francia o EEUU, pero llevar eso a un producto en Latinoamérica es súper complicado porque a la cadena de generación de tecnología le falta un tremendo espacio en el medio. Lo más probable es que luego de patentar esto tengamos que licenciarlo a una de las grandes transnacionales de la genética. Como de hecho hicimos ya con otra tecnología, que licenciamos a una empresa de EEUU. Lo que no es muy bueno para la región porque si se pudiera hacer el desarrollo acá, obviamente que más beneficios se quedarían en nuestro país. En Chile he buscado y no visualizo cómo hacer, por ejemplo, un spin off para lograr el desarrollo que viene a continuación, que es llevar esto a terreno y evaluar para ver si se comporta como esperamos.  

http://virtualplant.bio.puc.cl/