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Cultivos que producen su propio fertilizante, una realidad cada vez más cercana

Una nueva forma de modificar la base genética del proceso de fijación de nitrógeno ha sido descubierta por un equipo de investigación del Reino Unido y China, lo cual nos acerca un paso más al objetivo de mejorar una serie de cultivos agrícolas que fijen su propio nitrógeno. Esto no solo reduce los costos de insumos y fertilizantes al agricultor, también reduciría el impacto ambiental inevitable que produce el escurrimiento de fertilizantes nitrogenados hacia aguas subterráneas, lagos y ríos.

Uno de los principales factores que limitan el crecimiento de los cultivos es la disponibilidad de nitrógeno, pero solo las bacterias y otros microbios unicelulares llamados arqueas pueden tomar nitrógeno del aire y fijarlo en una forma que pueda ser utilizada por las plantas. El proceso llevado a cabo por estos microorganismos se conoce como fijación biológica de nitrógeno.

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Las leguminosas obtienen nitrógeno a partir de bacterias simbióticas fijadoras de nitrógeno, pero los cultivos de cereales como el trigo y el maíz dependen de la disponibilidad de nitrógeno fijo en el suelo. En muchos casos, la adición de fertilizantes químicos es la única manera de proporcionar a los cultivos suficiente nitrógeno para asegurar una buena cosecha.

El uso de fertilizantes nitrogenados libera óxido nitroso, un gas de efecto invernadero que es 300 veces más poderoso que el dióxido de carbono. Al diseñar cultivos que fijen su propio nitrógeno, se espera reducir el uso de fertilizantes nitrogenados, mitigando así su impacto en el medio ambiente. Un salto como este también podría tener implicancias en todo el mundo para la productividad de los cultivos de cereales.

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En este estudio, el equipo de investigación ha sido capaz de modificar la fijación de nitrógeno mediante el empleo de una nueva estrategia, que simplifica el proceso de modificación de múltiples genes para asegurarse de que su expresión está equilibrada en su nuevo huésped. La fijación de nitrógeno es un proceso complicado y delicado que requiere un equilibrio de numerosos componentes clave. Hasta ahora, lograr el equilibrio adecuado de estos componentes ha sido un desafío importante para la ingeniería genética de la fijación de nitrógeno en los cultivos de cereales.

El nuevo método funciona organizando grandes cantidades de genes que se requieren para la fijación de nitrógeno en un número menor de “genes gigantes”. Estos se expresan luego en la célula huésped como proteínas enormes conocidas como “poliproteínas” que posteriormente son cortadas por una enzima de proteasa específica para liberar los componentes individuales de fijación de nitrógeno. Una parte innovadora de este método es cómo el grupo identificó la cantidad de cada componente requerido y luego los agrupó. Este paso asegura que se produce el equilibrio correcto.

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El profesor Ray Dixon, líder del proyecto en microbiología molecular en el John Innes Center, dijo: “Este es un desarrollo realmente emocionante para la biología sintética porque acerca el objetivo de la ingeniería genética de la fijación de nitrógeno en los cereales”.

El equipo colaborativo de la Universidad de Pekín y el Centro John Innes dice que este interesante método será útil para trasladar sistemas complejos de procariotas, como las bacterias, hacia huéspedes eucariotas, como las plantas.

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El profesor Dixon continúa: “En el futuro, este método también se puede aplicar para modificar las vías metabólicas de las plantas para producir metabolitos secundarios antifúngicos y antibacterianos que proporcionan resistencia a los patógenos”.

Las principales conclusiones técnicas del estudio publicado en PNAS incluyen:

  1. Una estrategia de empalme de proteínas postraduccional derivada de virus de ARN fue explotada para minimizar el número de genes del sistema de nitrogenasa clásico para optimizar la estequiometría de la expresión génica de la fijación de nitrógeno (nif).
  2. Los genes se agruparon en función de sus niveles de expresión y tolerancia de sus productos proteicos a una “cola” C-terminal que permanece después de la escisión de la proteasa TEVp.
  3. Después de múltiples rondas de ciclos de reagrupamiento, 14 genes esenciales fueron ensamblados selectivamente en 5 genes gigantes que permiten el crecimiento en dinitrógeno.
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