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Un equipo de investigadores del CONICET y la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, junto con científicos de la Universidad de Nueva York, identificó un mecanismo genético que permite a las plantas regular cuánto nitrógeno absorben y utilizan. El estudio, publicado recientemente en la revista científica The Plant Cell, fue realizado sobre Arabidopsis thaliana, una especie utilizada como modelo de investigación, y podría servir como base para desarrollar cultivos capaces de mantener su rendimiento con un menor uso de fertilizantes nitrogenados.
El hallazgo se concentra en el gen HHO5, que funciona como un regulador de la respuesta de la planta frente a la disponibilidad de nitrógeno. Cuando la planta acumula una cantidad suficiente de nitrógeno orgánico, HHO5 interviene para reducir la incorporación de nitrógeno inorgánico desde el suelo y, al mismo tiempo, favorecer procesos que permiten aprovechar el nutriente que ya se encuentra dentro de sus tejidos.
La investigación fue dirigida por Mariana Obertello, investigadora del CONICET en el Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular “Dr. Héctor Torres” (INGEBI-CONICET). También participó Jorge Muschietti, investigador del CONICET en el mismo instituto y en el Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental de la FCEN-UBA.
El trabajo adquiere relevancia para la producción agrícola porque el nitrógeno es uno de los nutrientes esenciales para el crecimiento vegetal. Interviene en la formación de biomasa, el desarrollo de las raíces, la fotosíntesis y la generación del rendimiento de los cultivos. Sin embargo, las plantas aprovechan solo una parte del nitrógeno aportado mediante fertilizantes, lo que implica un costo económico para los productores y puede generar impactos ambientales.
“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 y la fotosíntesis”, explicó Obertello a TodoAgro.
La investigadora señaló que la eficiencia en el aprovechamiento del nutriente constituye uno de los principales desafíos para la agricultura. Según explicó, las plantas absorben alrededor del 50% del nitrógeno disponible en los fertilizantes, por lo que una parte importante del nutriente aplicado no es aprovechada directamente por los cultivos.
El objetivo de los investigadores fue comprender qué señales utiliza una planta para determinar cuándo necesita continuar absorbiendo nitrógeno y cuándo debe reducir esa incorporación.
El estudio identificó a HHO5 como un factor de transcripción, es decir, una proteína que puede regular la actividad de otros genes. En este caso, el gen interviene sobre una red de respuestas asociadas con la disponibilidad de nitrógeno.
Cuando la planta acumula suficiente nitrógeno orgánico, HHO5 se activa. El mecanismo funciona como una señal interna que indica que el vegetal cuenta con una cantidad suficiente del nutriente procesado y almacenado.
A partir de esa señal, HHO5 reprime genes relacionados con la absorción de nitrato del suelo. Uno de ellos es NRT1.1, vinculado con la incorporación de nitrógeno inorgánico. De esa manera, la planta limita la entrada adicional del nutriente.
Al mismo tiempo, el mecanismo favorece genes vinculados con el metabolismo del nitrógeno orgánico, lo que permite utilizar de manera más eficiente el nitrógeno que ya está dentro de la planta.
Por esa función, los investigadores describen a HHO5 como una especie de “interruptor de saciedad”: cuando la planta dispone de suficiente nitrógeno procesado, reduce la búsqueda de nuevas fuentes externas y concentra sus recursos en el aprovechamiento del nutriente disponible.
“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”, explicó Muschietti a TodoAgro.
El descubrimiento permite entender con mayor precisión cómo se establece el equilibrio entre la absorción de nitrógeno desde el suelo y su utilización dentro de los tejidos vegetales.
Para comprobar la función de HHO5, los científicos desarrollaron plantas mutantes en las que el gen había sido eliminado. El resultado permitió observar qué ocurre cuando desaparece ese mecanismo de regulación.
En determinadas condiciones experimentales, las plantas sin HHO5 absorbieron casi tres veces más nitrógeno inorgánico que las plantas que conservaban el gen. El resultado confirmó que HHO5 funciona como un freno de la absorción cuando la planta considera que ya dispone de suficiente nitrógeno.
Pero el aumento de la absorción no se tradujo automáticamente en una mejora general del desarrollo. Las plantas mutantes presentaron raíces más cortas, menos semillas por fruto y semillas con menor contenido de nitrógeno.
Los resultados muestran que una mayor incorporación del nutriente no necesariamente implica un mejor desempeño. El sistema vegetal necesita regular cuánto nitrógeno absorbe y cómo lo distribuye.
“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”, explicó Obertello a TodoAgro.
El hallazgo es importante porque permite observar que la eficiencia no consiste simplemente en incrementar la absorción de nitrógeno. El desafío consiste en lograr que la planta regule la incorporación y utilice el nutriente de manera adecuada según sus necesidades.
La investigación también permitió determinar que HHO5 no actúa de manera aislada. Los científicos encontraron que el gen reprime directamente determinados genes vinculados con la absorción de nitrógeno inorgánico, mientras que para activar otros genes relacionados con el metabolismo del nutriente trabaja junto con otra proteína, denominada WRKY21.
El descubrimiento de esta interacción aporta una pieza más al complejo sistema mediante el cual las plantas perciben y responden a la disponibilidad de nutrientes.
Para llegar a estas conclusiones, el equipo combinó herramientas de genómica, bioquímica, fisiología vegetal y biología molecular. También realizó análisis bioinformáticos para integrar información previamente publicada sobre las respuestas de las plantas frente al nitrógeno orgánico e inorgánico.
A partir de esos datos, los investigadores construyeron un modelo de red regulatoria que permitió identificar las conexiones entre HHO5 y los genes sobre los cuales ejerce efectos directos o indirectos.
La utilización de Arabidopsis thaliana resulta estratégica para este tipo de investigaciones. Esta planta es un modelo ampliamente utilizado en biología vegetal porque permite estudiar mecanismos moleculares y genéticos antes de avanzar hacia especies agrícolas de mayor complejidad.
El descubrimiento no significa que exista, por el momento, una nueva variedad comercial de maíz, trigo o soja con este mecanismo modificado. El siguiente paso será determinar si existen genes homólogos a HHO5 en cultivos de interés agronómico y si cumplen funciones similares.
Entre las especies que podrían ser estudiadas se encuentran arroz, maíz y trigo, además de otros cultivos de importancia para la agricultura.
“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”, sostuvo Muschietti a TodoAgro.
El traslado de estos conocimientos a especies agrícolas presenta dificultades adicionales. Los cultivos comerciales tienen genomas más complejos y, en muchos casos, requieren más tiempo y recursos para ser cultivados y modificados genéticamente.
Por eso, identificar primero los mecanismos en una especie modelo permite reducir parte de la incertidumbre antes de avanzar hacia investigaciones específicas en plantas de interés productivo.
El potencial de la investigación está relacionado con uno de los principales desafíos de la agricultura moderna: producir más utilizando los nutrientes de manera más eficiente.
El nitrógeno es indispensable para alcanzar buenos rendimientos, pero el uso de fertilizantes nitrogenados tiene costos económicos y ambientales. Mejorar la capacidad de los cultivos para absorber y aprovechar el nutriente podría permitir reducir las cantidades aplicadas sin afectar necesariamente la productividad.
“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”, explicó Obertello a TodoAgro.
La investigadora agregó que conocer el papel de HHO5 permite pensar en estrategias destinadas a desarrollar variedades capaces de utilizar de manera más eficiente el nitrógeno disponible en el suelo.
En términos productivos, una planta que aproveche mejor el nitrógeno podría requerir menores cantidades de fertilizante para alcanzar determinados niveles de rendimiento. Sin embargo, para llegar a ese escenario todavía serán necesarias nuevas investigaciones que permitan determinar cómo funciona el mecanismo en especies agrícolas y si puede modificarse sin generar efectos negativos sobre otros componentes del desarrollo vegetal.
El trabajo fue desarrollado mediante una colaboración entre investigadores argentinos y estadounidenses. Por parte de la Universidad de Nueva York participó el laboratorio dirigido por Gloria Coruzzi, del Centro de Genómica y Biología de Sistemas del Departamento de Biología.
El equipo estadounidense incluyó a Will E. Hinckley, Joseph Swift, Samantha Frangos y Shao-Shan Carol Huang. También participó Francisco Romei, investigador del INGEBI y de la FCEN de la UBA.
La publicación en The Plant Cell incorpora los resultados a la discusión científica internacional sobre los mecanismos de regulación de nutrientes en las plantas.
Para Argentina, el estudio también representa un avance en una línea de investigación con potencial aplicación en sistemas agrícolas de gran importancia económica. La eficiencia en el uso de fertilizantes es un objetivo que combina productividad, costos y sustentabilidad.
El hallazgo de HHO5 permite comprender mejor cómo una planta determina que ya tiene suficiente nitrógeno y debe reducir su absorción. Al mismo tiempo, muestra que eliminar ese freno puede generar efectos no deseados sobre el crecimiento y la reproducción.
La investigación plantea así una idea central: la eficiencia no depende de absorber la mayor cantidad posible de nutrientes, sino de regular su incorporación y utilizarlos de manera adecuada.
El desafío científico ahora consiste en determinar si ese mecanismo puede encontrarse y eventualmente aprovecharse en cultivos agrícolas. Si futuras investigaciones confirman una función equivalente en maíz, trigo, arroz, soja u otras especies, el descubrimiento podría contribuir al desarrollo de variedades con una mayor eficiencia en el uso del nitrógeno.
Por el momento, HHO5 representa una pieza identificada dentro de una red molecular compleja. Su estudio permite avanzar en la comprensión de cómo las plantas regulan un nutriente fundamental y abre una línea de investigación que podría, a largo plazo, contribuir a reducir el uso de fertilizantes nitrogenados sin resignar rendimiento.
