Científicos descubren un mecanismo que ayuda a las plantas a 'sentirse saciadas' de nitrógeno

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Investigadores de la Universidad de Nueva York identificaron los componentes moleculares responsables de la sensación de saciedad en las plantas una vez que han absorbido suficiente nitrógeno; un hallazgo que podría ayudar a los científicos a desarrollar plantas que absorban más nitrógeno del suelo y permitir a los agricultores reducir la aplicación de fertilizantes, que resulta costosa tanto para el medio ambiente como para la economía.

Arabidopsis thaliana en el Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la Universidad de Nueva York. Crédito de la imagen: Will Hinckley, NYU

“Al identificar reguladores genéticos sensibles a diferentes niveles y tipos de nitrógeno, descubrimos un factor regulador que controla el uso del nitrógeno y una clave para mejorar la absorción y asimilación del nitrógeno en nitrógeno orgánico en las plantas”, dijo Gloria Coruzzi, profesora Carroll y Milton Petrie en el Departamento de Biología y el Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la Universidad de Nueva York y coautora principal del estudio, que se publicó en la revista The Plant Cell.

Fertilizantes nitrogenados
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En las últimas décadas, el uso de fertilizantes nitrogenados ha impulsado considerablemente el rendimiento de los cultivos a nivel mundial. Sin embargo, las plantas solo absorben alrededor del 50 % de los fertilizantes aplicados. Una cantidad sustancial se filtra al agua, lo que puede dañar la vida acuática y favorecer la proliferación de algas nocivas. El nitrógeno restante en el suelo contribuye al aumento del óxido nitroso, un potente gas de efecto invernadero que atrapa el calor 273 veces más eficazmente que el dióxido de carbono en un periodo de 100 años.

Además, la producción y el transporte de fertilizantes son costosos y se ven amenazados por los problemas geopolíticos actuales; su almacenamiento y transporte también pueden ser peligrosos debido a la inestabilidad del nitrógeno presente en los fertilizantes.

El aporte argentino
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“Mejorar la eficiencia del uso de fertilizantes tendría importantes impactos ambientales, económicos y geopolíticos”, dijo Coruzzi, quien dirigió conjuntamente esta investigación colaborativa con Mariana Obertello del Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular (INGEBI) en Buenos Aires, Argentina.

Para abordar estos desafíos globales relacionados con los fertilizantes nitrogenados, los investigadores descubrieron un nuevo factor regulador que influye en la capacidad de la planta para sentirse saciada al absorber nitrógeno.

Will Hinckley, estudiante de posgrado de la NYU, coloca semillas de Arabidopsis en un sustrato vegetal que contiene nitrógeno. Crédito de la imagen: Tracey Friedman, Universidad de Nueva York

“Este conocimiento podría ayudar a diseñar variedades de plantas ‘glutantes’ que absorban más nitrógeno disponible”, dijo Will Hinckley, estudiante de doctorado del Departamento de Biología de la Universidad de Nueva York y autor principal del estudio.

En el estudio, los investigadores identificaron genes vegetales que responden al nitrógeno en función de la dosis de nitrógeno, con el objetivo de encontrar reguladores específicos de las señales de nitrógeno. Esto les permitió centrarse en una proteína llamada HHO5, que determinaron como un regulador clave en la señalización de la saturación de nitrógeno. Es importante destacar que HHO5 regula la expresión génica de la planta en todo el genoma y el crecimiento vegetal de forma dependiente de la dosis de nitrógeno.

Exceso y saciedad
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Los investigadores también descubrieron que los distintos tipos de nitrógeno tenían efectos únicos en los niveles de expresión de HHO5, el gen que produce la proteína HHO5, la cual codifica un factor de transcripción clave que activa la expresión de genes diana en todo el genoma. Observaron que los niveles de expresión de HHO5 aumentaban cuando las plantas contenían suficiente nitrógeno orgánico, una forma de nitrógeno utilizada para el transporte a larga distancia, el almacenamiento y la síntesis de aminoácidos esenciales para la nutrición humana. Una vez inducido por señales de nitrógeno orgánico, se descubrió que HHO5 desempeñaba simultáneamente dos funciones diferentes: promovía la expresión de genes que responden al nitrógeno orgánico y al metabolismo de los aminoácidos, pero al mismo tiempo inhibía la expresión de genes involucrados en la absorción de más nitrógeno inorgánico del suelo, lo que en esencia indica que el organismo está saciado.

Plántulas de Arabidopsis creciendo en sustrato vegetal que contiene nitrógeno. Crédito de la imagen: Will Hinckley, Universidad de Nueva York

“Las plantas absorben el nitrógeno inorgánico del suelo y lo asimilan en nitrógeno orgánico. Este proceso de absorción y asimilación de nitrógeno requiere mucha energía. Por lo tanto, cuando la suficiencia de nitrógeno orgánico activa el gen HHO5, este, a su vez, le indica a la planta que deje de absorber nitrógeno inorgánico adicional del suelo, probablemente como una forma de conservar energía. Este fue el modelo que se utilizó para explicar cómo las plantas alcanzan la saciedad de nitrógeno a través del gen HHO5”, explicó Hinckley.

Los investigadores profundizaron en los mecanismos mediante los cuales HHO5 regula los genes de las plantas para comprender mejor cómo esta proteína desempeña dos funciones simultáneamente. Descubrieron que, cuando HHO5 actúa sola, desactiva la expresión de genes implicados en la absorción de nitrógeno inorgánico. Sin embargo, cuando HHO5 interactúa con otra proteína reguladora asociada, WRKY21, HHO5 se convierte en un activador genético de la señalización del nitrógeno orgánico.

Retroalimentación
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Para validar este mecanismo de retroalimentación del nitrógeno orgánico, los científicos de la NYU modificaron genéticamente células vegetales que contenían altos niveles de las proteínas reguladoras HHO5 y WRKY21 mediante una técnica genómica denominada DoubleTARGET. En DoubleTARGET, las dos proteínas reguladoras de interés —en este caso, HHO5 y WRKY21— se vinculan a diferentes marcadores genéticos fluorescentes (verdes o rojos) que se expresan en células vegetales aisladas. La secuenciación de ARN de estas células revela genes diana en el genoma que responden sinérgicamente a estos pares de proteínas reguladoras. En este estudio, las células con alta abundancia tanto de HHO5 como de la proteína asociada WRKY21 mostraron una mayor expresión de genes relacionados con la respuesta al nitrógeno orgánico y la defensa.

Arabidopsis thaliana en las cámaras de cultivo de plantas con ambiente controlado del Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la Universidad de Nueva York. Crédito de la imagen Will Hinckley, Universidad de Nueva York

Para demostrar, aún más, que la proteína reguladora HHO5 le indica a la planta que deje de absorber nitrógeno inorgánico, investigadores de Argentina y la Universidad de Nueva York colaboraron en el estudio de plantas deficientes en HHO5, utilizando Arabidopsis, una pequeña planta con flores comúnmente empleada como modelo en la investigación de biología vegetal. Cabe destacar que las plantas deficientes en HHO5 absorbieron casi tres veces más nitrógeno en comparación con las plantas con niveles normales de HHO5 en condiciones específicas de nitrógeno.

“Este hallazgo respalda la idea de que la HHO5 indica saturación de nitrógeno orgánico e inhibe la absorción de nitrógeno inorgánico del suelo. Además, dado que la eliminación de la HHO5 mejora la absorción de nitrógeno, esto indica que su modificación podría generar mejoras significativas en la asimilación y el metabolismo del nitrógeno en las plantas”, afirmó Obertello.

Patente
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La Universidad de Nueva York (NYU) presentó una solicitud de patente que abarca la investigación y los hallazgos descritos en este artículo para permitir la mejora de la eficiencia en el uso del nitrógeno por parte de las plantas.

Cita
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El estudio HHO5 orchestrates dose-dependent feedback regulation of organic versus inorganic nitrogen signaling in Arabidopsis (HHO5 orquesta la regulación por retroalimentación dependiente de la dosis de la señalización de nitrógeno orgánico versus inorgánico en Arabidopsis.) fue publicado en The Plant Cell.

Investigadores involucrados
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Además de Coruzzi y Hinckley, entre los autores del estudio se encuentran Joseph Swift, Samantha Frangos y Shao-shan Carol Huang por su trabajo realizado en la Universidad de Nueva York (NYU), así como Francisco Romei, Jorge P. Muschietti y Mariana Obertello del INGEBI en Argentina. Este trabajo fue financiado por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales (NIHSS) de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos (NIH) (RO1-GM121753, R35GM138143 y 1T32GM132037-01) a la NYU, así como por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT) (2015-3052 y 2019-4328) y el CONICET (PIP11420100100242) en Argentina. El estudio fue publicado en The Plant Cell, DOI: 10.1093/plcell/koag201.