El nitrógeno es uno de los macronutrientes primarios que las plantas necesitan para su ciclo de vida y supervivencia, aparte de otros como el fósforo y el potasio. Es muy importante en las etapas de crecimiento y desarrollo, especialmente en los procesos metabólicos como la producción de ácidos nucleicos, proteínas y otras moléculas. Es también un componente básico la clorofila, un pigmento de color verde que es vital para el proceso de fotosíntesis – proceso en el cual las plantas producen su propio alimento y además liberan oxígeno al ambiente [1].
A pesar de que el nitrógeno conforma un 78% de la atmósfera, no está fácilmente disponible para las plantas. Puede ser utilizado por algunas plantas (como las leguminosas y algunos arbustos leñosos) cuando es convertido en amoníaco tras su fijación por bacterias simbióticas del suelo – que sintetizan moléculas que contienen nitrógeno. El resto de plantas deben obtener el nitrógeno disponible en el suelo. Sin embargo, el uso frecuente de los suelos agrícolas agota el nitrógeno disponible, por lo cual deben aplicarse fertilizantes.
Hasta inicios del siglo XX se usó a nivel global el salitre chileno para fertilizar los cultivos, y desde el descubrimiento de los fertilizantes de nitrógeno sintético en 1910, su uso aumentó de forma exponencial, generando un fuerte impulso en los rendimientos agrícolas. Sin embargo, sólo un 30 a 50% del nitrógeno aplicado es absorbido por las plantas y el desperdicio restante produce considerables impactos negativos en el medio ambiente. Por ejemplo, estos excesos pueden infiltrarse en aguas subterráneas o ser arrastrados a cursos de agua, donde contribuyen a la floración de algas con una consecuente hipoxia (reducción del oxígeno en el agua), lo cual conduce a una pérdida significativa de la vida acuática y biodiversidad; además, contribuye al agotamiento de la capa de ozono y el calentamiento global [2].
Es por esto que los científicos buscan nuevas estrategias favorables para elevar los rendimientos de una forma ambientalmente sustentable, ya sea reduciendo la necesidad del uso de fertilizante y/o maximizando la eficiencia de uso de nitrógeno (EUN) de los cultivos [3]. Este último enfoque se ha llevado a cabo con herramientas tradicionales, basadas en la utilización de la variación alélica existente para los rasgos de EUN en diversas plantas, y también por ingeniería genética.
Mejoramiento de EUN con ingeniería genética
Mejorar la eficiencia de uso del nitrógeno en cultivos agrícolas mediante ingeniería genética requiere manipular varios genes implicados en la absorción de nitrógeno, translocación, y la removilización; metabolismo del carbono; objetivos de señalización; y elementos reguladores. Se han descubierto varios genes (provenientes de diferentes organismos) que controlan estos procesos y se ha investigado si su manipulación puede conducir a un uso más eficiente del nitrógeno en plantas [4]. Algunos ejemplos son los genes nif de Escherichia coli [5], gen GS1 de tabaco [6], genes AS1 y STP13 de Arabidopsis [7][8], gen Dof1 del maíz [9], gen NADH-GOGAT1 del arroz [10] y gen AlaAT de cebada [11].
A continuación les presentamos una tabla que resume los principales cultivos desarrollados con ingeniería genética para mejor eficiencia de uso de nitrógeno (EUN):
| País/Región | Desarrollador | Cultivo | Proyecto |
| Estados Unidos | Arcadia Biosciences y Dupont | Maíz | En 2008 ambas empresas anunciaron que habían completado 5 años de múltiples ensayos de campo con maíz diseñado para mejor EUN, no solo con mayor rendimiento, sino también con efectos positivos para el medio ambiente [12]. |
| Australia, Francia y Estados Unidos | “Centro Australiano de Genómica Funcional de Plantas” (ACPFG), “Organización de Investigación Científica e Industrial” (CSIRO), Vilmorin, Arcadia Biosciences | Trigo/Cebada | Los dos centros de investigación pública de Australia y la semillera francesa Vilmorin anunciaron en 2012 un esfuerzo conjunto para desarrollar y comercializar trigo diseñado para una mejor EUN con el objetivo de reducir el uso de fertilizantes de nitrógeno en Australia [13]. En 2007 CSIRO y Arcadia se asociaron para trabajar en trigo y cebada. En 2012 CSIRO solicitó una licencia para 17 líneas de trigo y 10 líneas de cebaba que han sido modificadas genéticamente para EUN [14][15]. |
| Estados Unidos | Arcadia Biosciences | Canola | Desde 2007 se han completado cinco temporadas de ensayos de campo. Los resultados mostraron que las plantas de canola tuvieron el mismo rendimiento que las variedades convencionales pero usando sólo la mitad de insumos con nitrógeno [16]. |
| Estados Unidos y Bélgica | SES VanderHave y Arcadia Biosciences | Remolacha Azucarera | Se han llevado a cabo 3 años de ensayos de campo para evaluar el rendimiento de remolacha azucarera con mejor EUN. Los resultados muestran que las variedades modificadas tienen rendimientos más altos que las no modificadas bajo diversas aplicaciones de fertilizantes a largo plazo [17]. |
| Estados Unidos y Sudáfrica | “Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar de Sudáfrica” (SASRI) y Arcadia BioSciences | Caña de Azúcar | Ambas instituciones anunciaron en 2011 una alianza para producir variedades de alto rendimiento de caña de azúcar que requieren la mitad del fertilizante de nitrógeno que necesitan las variedades convencionales de caña [18]. |
| Estados Unidos, Colombia, África | Arcadia Biosciences, “Fundación Africana de Tecnología Agrícola” (AATF) y el “Centro Internacional de Agricultura Tropical” (CIAT) | Arroz | Tras más de 4 años de ensayos de campo con variedades de arroces africanos modificados, en condiciones de poca agua y solo un 50% de la aplicación normal de fertilizante nitrogenado, mostraron un aumento promedio de 30% en el rendimiento [19]. Actualmente el proyecto esta sumando los rasgos de tolerancia a sequía y salinidad [20]. |
| China | “Instituto de Genética y Biología del Desarrollo” (IGDB) de la Academia China de Ciencias. | Arroz | En 2015 se reportó el desarrollo de variedad de arroz japonica (la más cultivada en el norte de China por su adaptación, pero con una gran necesidad de fertilizantes) con un gen de la variedad índica (adaptada al sur del país). Esto aumentó la velocidad a la que el arroz puede absorber nitruro del suelo por más de un tercio, mejorando notablemente el rendimiento del grano y la EUN [21]. |
| Brasil y Estados Unidos | FuturaGene y Arcadia Biosciences | Eucalipto y Álamo | En 2013 anunciaron una alianza para desarrollar ambas especies de árboles con una mejor EUN. Se plantearon como objetivo aumentar el rendimiento y productividad forestal, y al mismo tiempo reducir el uso de insumos y sus consecuencias ambientales asociadas [22]. |
| Francia y Estados Unidos | Vilmorin y Arcadia Biosciences | Trigo | Se firmó un acuerdo para desarrollar trigo modificado genéticamente con mejor EUN. Esperan poder disponer de esta variedad pronto a nivel comercial, reduciendo a la mitad el uso de fertilizantes de nitrógeno, logrando así un importante ahorro económico y un impacto ambiental positivo [23]. |
Aparte de estas iniciativas públicas y privadas, la Fundación Bill & Melinda Gates está financiando proyectos de envergadura para conseguir mediante modificación genética plantas que fijen el nitrógeno con el fin de mejorar la producción agraria de África. Dos proyectos que están siendo financiados con tal objetivo son ENSA (Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa) [24] y NFIX del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (UPM-INIA, España) [25]. Los dos proyectos se enfocan en la transformación directa del genoma para transferir la capacidad de formar nódulos de las legumbres hacia los cereales. Ambas investigaciones, que se encuentran actualmente en proceso de desarrollo, y sus descubrimientos son libres de derechos de patente.
Otro proyecto financiado por la Fundación Gates para África es una investigación en maíz del Centro John Innes del Reino Unido, que trabaja en la posibilidad de que el cultivo se asocie con bacterias fijadoras de nitrógeno y ofrecer esta tecnología a través de la semilla [26]. También recibe fondos el proyecto “Maíz mejorado para los suelos de África” (IMAS), coordinado por el “Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo” (CIMMYT) y cuenta con diversos colaboradores del sector público-privado de Estados Unidos, Kenia y Sudáfrica. El enfoque considera herramientas biotecnológicas y transgenia para generar variedades de maíz que rindan de 30 a 50% más que las variedades convencionales, con la misma cantidad de fertilizante nitrogenado o en suelos poco fértiles. La tecnología generada también será libre de patentes [27].
Chile
En el caso de Chile, no hay proyectos públicos de cultivos transgénicos para mejor eficiencia del uso de nitrógeno, pero sí hay un proyecto con financiamiento del Ministerio de Agricultura para eficiencia en el uso del fósforo del suelo en trigo [28][29].
El proyecto inició el año 2001 en el Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA), y desarrolló líneas de trigo transgénico con genes provenientes de lupino para mejorar la absorción del fósforo del suelo – nutriente prácticamente inaccesible en los suelos ácidos del sur de Chile para el trigo y otros cultivos, excepto para el lupino, que se usó como fuente de los transgenes. En 2011 el proyecto se trasladó a la Universidad de Concepción donde sigue su desarrollo.
Este es uno de 32 proyectos de desarrollo de cultivos transgénicos realizado o llevado a cabo por entidades públicas chilenas (usando financiamiento público), sin embargo, sin un cambio en la legislación ni voluntad política, ninguno podrá ser aprovechado por los agricultores chilenos [28].
Perspectivas a futuro
A nivel comercial los dos rasgos dominantes en cultivos transgénicos son la resistencia a insectos y tolerancia a herbicidas. Sin embargo otros como la tolerancia a sequía y biofortificación de nutrientes ya están tomando mayor presencia comercial, y pronto podría unirse la eficiencia de uso de nitrógeno (EUN).
Tres revisiones científicas, en 2007, 2010 y 2012, determinaron de forma independiente que la mejora de la eficiencia y uso del nitrógeno en plantas a través de la biotecnología es una estrategia importante para hacer frente a los crecientes costos, impactos ambientales negativos, y los rendimientos decrecientes de la fertilización nitrogenada [30][31][1].
Con el desarrollo de cultivos con mejor EUN, las preocupaciones ambientales como las anteriormente mencionadas podrían disiparse o al menos reducirse en forma importante. Y esto sería al mismo tiempo que los agricultores aumentan sus rendimientos, disminuyen las pérdidas económicas y ahorran el dinero gastado en insumos y fertilizantes nitrogenados. La ingeniería genética ofrece una buena herramienta para cumplir tal objetivo, y dependerá en gran parte de los marcos regulatorios de cada país si estos avances podrán ser aprovechados por sus propios agricultores, o si su comercialización será retrasada.
Referencias:
1.- McAllister, C. H., Beatty, P. H., Good, A. G. (2012). Engineering nitrogen use efficient crop plants: the current status. Plant Biotechnology, 10: 1011–1025
2.- Sebilo M, Mayer B, Nicolardot B, Pinay G, Mariotti A. 2013. Long-term fate of nitrate fertilizer in agricultural soils. Proceedings of the National Academies of Sciences USA, 110:18185–18189
3.- Han M.,Okamoto M., Beatty P.,S Rothstein S., Good A. 2015. The Genetics of Nitrogen Use Efficiency in Crop Plants. Annual Review of Genetics, 49:269-89
4.- Improving Plant Nitrogen-Use Efficiency. 2011. R.R. Pathak, S. Lochab, and N. Raghuram. In: Murray Moo-Young (ed.), Comprehensive Biotechnology, Second Edition, volume 4, pp. 209-218. Elsevier.
5.- Swain H., Abhijita S. 2013. Nitrogen fixation and its improvement through genetic engineering. Journal of Global Biosciences, 2(5): 98-112
6.- Oliveira, I. C., Brears, T., Knight, T. J., Clark, A., & Coruzzi, G. M. (2002). Overexpression of Cytosolic Glutamine Synthetase. Relation to Nitrogen, Light, and Photorespiration. Plant Physiology, 129(3), 1170–1180
7.- Lam H.-M., Wong P., Chan H.-K., Yam K.-M., Chen L., Chow C.-M., et al. (2003). Overexpression of the ASN1 gene enhances nitrogen status in seeds of Arabidopsis. Plant Physiology, 132: 926–935
8.- Schofield RA, Bi YM, Kant S, Rothstein SJ. (2009). Over-expression of STP13, a hexose transporter, improves plant growth and nitrogen use in Arabidopsis thaliana seedlings. Plant Cell & Environment, 32: 271–285
9.- Yanagisawa S. Dof1 and Dof2 transcription factors are associated with expression of multiple genes involved in carbon metabolism in maize. (2000). The Plant Journal, 21:281–288
10.- Yamaya T, Obara M, Nakajima H, Sasaki S, Hayakawa T, Sato T. (2002). Genetic manipulation and quantitative-trait loci mapping for nitrogen recycling in rice. Journal of Experimental Botany, 53:917–25
11.- Shrawat, A. K., Carroll, R. T., DePauw, M., Taylor, G. J. and Good, A. G. (2008). Genetic engineering of improved nitrogen use efficiency in rice by the tissue-specific expression of alanine aminotransferase. Plant Biotechnology Journal, 6: 722–732
12.- “DuPont and Arcadia Biosciences Collaborate to Improve Nitrogen Use Efficiency in Corn”. 2008. URL: Arcadia Biosciences. http://www.arcadiabio.com/news/press-release/dupont-and-arcadia-biosciences-collaborate-improve-nitrogen-use-efficiency-corn
13.- «ACPFG and CSIRO join forces with Vilmorin & Cie to commercialize Nitrogen Use Efficiency (NUE) wheat in Australia». 2012. ACPFG. URL: http://www.acpfg.com.au/uploads/documents/news/NUEwheat%20ACPFG_CSIRO_Vilmorin.pdf
14.- «Arcadia Biosciences and Australian Research Organizations Enter Research and Commercial License Agreement for Development of Nitrogen Use Efficient Wheat». 2007. Arcadia Biosciences. URL: http://www.arcadiabio.com/news/press-release/arcadia-biosciences-and-australian-research-organizations-enter-research-and-comm
15.- «Nitrogen genetics open a new efficiency frontier». 2015. GRDC. URL: https://grdc.com.au/Media-Centre/Ground-Cover/Ground-Cover-Issue-116-May-June-2015/Nitrogen-genetics-open-a-new-efficiency-frontier
16.- «Development of Commercial Nitrogen Use Efficient Canola Varieties Shows Early Development Success». 2007. Arcadia Biosciences. URL: http://www.arcadiabio.com/news/press-release/development-commercial-nitrogen-use-efficient-canola-varieties-shows-early-develo
17.- «SESVanderHhave and arcadia biosciences achieve field performance milestone for nitrogen use efficient sugar beets». 2012. SESVanderHave. URL: https://www.sesvanderhave.com/sites/default/files/files/12_06_04_SES_PR_Final.pdf
18.- «Arcadia Biosciences and the South African Sugarcane Research Institute to Develop Nitrogen Use Efficient Sugarcane». 2011. Arcadia Biosciences. URL: http://www.arcadiabio.com/news/press-release/arcadia-biosciences-and-south-african-sugarcane-research-institute-develop-nitrog
19.- «Nitrogen Use Efficient Rice Demonstrates an Average Yield Increase of 30 Percent in Four Years of Field Trials». 2015. BusinessWire. URL: http://www.businesswire.com/news/home/20150909005548/en/Nitrogen-Efficient-Rice-Demonstrates-Average-Yield-Increase
20.- «Nitrogen-Use Efficient, Water-Use Efficient and Salt-Tolerant Rice Project». 2016. African Agricultural Technology Foundation (AATF). URL: http://www.aatf-africa.org/files/Rice-project-brief.pdf
21.- Hu, B., Wang, W., Ou, S., Tang, J., Li, H., and Che, R. (2015). Variation in NRT1.1B contributes to nitrate-use divergence between rice subspecies. Nature Genetics, 47, 834–838
22.- «Arcadia Biosciences and FuturaGene Enter Agreement to Develop Nitrogen Use Efficient and Water Use Efficient Eucalyptus and Poplar». 2013. Arcadia Biosciences. URL: http://www.arcadiabio.com/news/press-release/arcadia-biosciences-and-futuragene-enter-agreement-develop-nitrogen-use-efficient
23.- «Vilmorin Makes Equity Investment in Arcadia Biosciences; Announces Formation of North American Wheat Joint Venture». 2010. Arcadia Biosciences. URL: http://www.arcadiabio.com/news/press-release/vilmorin-makes-equity-investment-arcadia-biosciences-announces-formation-north-am
24.- «Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa» (ENSA). URL: https://www.ensa.ac.uk/
25.- «El profesor luis rubio, del CBGP, recibe una subvención para desarrollar fijación de nitrógeno en cereales». 2012. Centro de Biotecnología y Genómica de plantas (CBGP). URL: http://www.cbgp.upm.es/noticias/NFIX_LRubio_BMGF.html
26.- «Major investment to persuade bacteria to help cereals access nitrogen from the air». 2012. JIC. URL: https://www.jic.ac.uk/news/2012/07/cereals-self-fertilise/#
27.- «Improved Maize for African Soils Project» (IMAS). CIMMYT. URL: http://old.cimmyt.org/en/improved-maize-for-african-soils
28.- Sanchez, M. Leon, G. 2016. Status of market, regulation and research of genetically modified crops in Chile. New Biotechnology, 3(6): 815–823
29.- «Integración de Genes de Lupino en el Genoma del Trigo, con Potencial para Movilizar el Fósforo Inorgánico Retenido en los Suelos del Centro-Sur y Sur de Chile». Repositorio FIA. URL: http://aplicaciones.fia.cl/sigesfia/bdn/detalle.aspx?id_programa=BID-PI-C-2001-1-A-036&bdn=0
30.- Hirel B, Le Gouis J, Ney B, Gallais A. (2007). The challenge of improving nitrogen use efficiency in crop plants: towards a more central role for genetic variability and quantitative genetics within integrated approaches. Journal of Experimental Botany, 58: 2369–2387
31.- Masclaux-Daubresse C, Daniel-Vedele F, Dechorgnat J, Chardon F, Gaufichon L, Suzuki A. (2010). Nitrogen uptake, assimilation and remobilization in plants: challenges for sustainable and productive agriculture. Annals of Botany, 105: 1141–1157