Identifican un “interruptor de saciedad” de nitrógeno en plantas

Científicos del CONICET y de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEN, UBA), en colaboración con investigadores de la Universidad de Nueva York (NYU, según sus siglas en inglés), en Estados Unidos, identificaron un gen que actúa como el “interruptor de saciedad” de nitrógeno (un nutriente esencial para el crecimiento de los cultivos) en Arabidopsis thaliana, una planta que sirve como modelo de investigación y permite descifrar mecanismos genéticos, hormonales y moleculares compartidos con cultivos de gran importancia agronómica para mejorar su rendimiento. El avance, descrito en la revista The Plant Cell, abre caminos para futuras aplicaciones beneficiosas para el sector agro. 

“El nitrógeno (N) es un nutriente esencial para el crecimiento de los cultivos porque es un elemento necesario para el desarrollo de su biomasa, el rendimiento de grano, la arquitectura radicular (las raíces que absorben los nutrientes del suelo) y la fotosíntesis. Sin embargo, las plantas solo absorben alrededor del 50 por ciento del N disponible de los fertilizantes, que son costosos y generan un impacto ambiental negativo”, afirma Mariana Obertello, directora del estudio e investigadora del CONICET en el Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular, Dr. Héctor Torres (INGEBI-CONICET). Y continúa: “Por estas razones, la demanda de cultivos que puedan mantener el rendimiento con menos fertilizante nitrogenado está en aumento. Para lograrlo, primero debemos comprender cómo las plantas controlan la absorción y la asimilación de N, y cómo se pueden manipular estas señales para optimizar el crecimiento vegetal en ambientes con bajo contenido de N. Nuestro trabajo, recientemente publicado, constituye un paso importante en esa dirección”.

El estudio identificó a HHO5, un factor de transcripción (una proteína que prende o apaga otros genes) que actúa como el “interruptor de saciedad” de nitrógeno en Arabidopsis thaliana. “Lo que muestra nuestro trabajo es que cuando la planta acumula suficiente N orgánico, esto activa el gen HHO5 que regula directa o indirectamente alrededor del 12 por ciento de los genes que responden a la dosis de nitrógeno en la planta”, afirma Obertello. Y agrega: “La consecuencia de la actividad de HHO5 es una cascada de respuestas en las que hace dos cosas al mismo tiempo: Apaga (reprime directamente) los genes que absorben más nitrato del suelo (como NRT1.1), para evitar la continua absorción de N inorgánico, y prende (induce) genes relacionados con el metabolismo del nitrógeno orgánico, ayudando a aprovechar mejor el N que ya está adentro de la planta”. 

Cuando se dice que el N es un nutriente esencial, en realidad se habla de dos formas que la planta necesita. El N inorgánico es el que la planta puede absorber directamente del suelo, porque está presente naturalmente o por el agregado de fertilizantes. En cuanto a la eficiencia, las plantas solo absorben cerca del 50 por ciento del N disponible en los fertilizantes nitrogenados, que son costosos y dañan el ambiente.

El N orgánico es la forma que la planta ya procesó, “fabricó” y almacenó en sus células a partir del N inorgánico absorbido del suelo.  “Además como una señal interna, cuando hay ‘suficiente’ N orgánico circulando en su interior, la planta interpreta que está ‘saciada’ y no necesita seguir absorbiendo más N inorgánico del suelo. Justamente ese mecanismo de ‘sentirse llena’ es el centro de este estudio”, destaca Jorge Muschietti, también autor del estudio e investigador del CONICET en el INGEBI y en el Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental de la FCEN de la UBA.  

¿Qué ocurre si se elimina HHO5?

El estudio combinó genómica, bioquímica y fisiología de plantas y se emplearon múltiples herramientas de biología molecular. 

Cuando los investigadores eliminaron HHO5 (plantas mutantes sin el gen), las plantas absorbieron casi el triple de nitrógeno inorgánico en ciertas condiciones confirmando de ese modo que ese gen normalmente actúa como un freno. “Pero esas plantas también tuvieron raíces más cortas, menos semillas por fruto y semillas con menos N, mostrando que ‘comer más’ sin control tiene un costo”, afirma Obertello que también integra el Departamento de Fisiología, Biología Molecular y Celular (FBMC) de la FCEN de la UBA. 

Otro resultado interesante del estudio es que sus autores comprobaron que HHO5 apaga directamente los genes de absorción de N inorgánico, pero que cuando los activa, lo hace junto con otra proteína llamada WRKY21.

Entre otros pasos del estudio, el equipo de investigación realizó análisis bioinformáticos que permitieron integrar datos genómicos (actividad de genes, proteínas y otras moléculas) publicados de N orgánico e inorgánico para construir el modelo de red regulatoria (“network walking”) que conecta a HHO5 con sus genes blanco directos e indirectos.

“En este caso, Arabidopsis, como modelo vegetal de investigación permite descubrir mecanismos moleculares complejos antes de arriesgarse a trabajar directamente en un cultivo. El siguiente paso es encontrar mecanismos y genes homólogos en cultivos de interés como arroz, maíz, trigo y otros”, señala Muschietti.

Para Obertello “lo importante de estos hallazgos es poder trasladar el conocimiento a otra especie cercana, en este caso de interés agronómico, que son genéticamente más complejos y mucho más lentos y costosos de cultivar y editar. Saber que este gen HHO5 controla el prendido y apagado de genes que están involucrados en la incorporación de nitrógeno nos permite pensar en variedades de cultivo que puedan absorber más nitrógeno disponible del suelo, reduciendo la necesidad de aplicar tanto fertilizante”. 

Este trabajo fue un proyecto en colaboración con el laboratorio que lidera Gloria Coruzzi en el Centro de Genómica y Biología de Sistemas del Departamento de Biología de la Universidad de Nueva York e integrantes de su equipo como Will E Hinckley, Joseph Swift Samantha Frangos y Shao-Shan Carol Huang; y también participó Francisco Romei, del INGEBI y de la FCEN de la UBA.