¿Cómo se adaptan las plantas a la deficiencia de nitrógeno? Investigadores de la Universidad de Bonn (Alemania) descubren variantes genéticas en trigo y cebada que mejoran la utilización de nitrógeno mediante un mayor crecimiento del sistema de raíces.
University of Bonn / 30 de marzo, 2022.- El nitrógeno como fertilizante puede aumentar los rendimientos. Sin embargo, demasiado nitrógeno también puede tener efectos negativos, como la contaminación de las aguas subterráneas, el alto consumo de energía en la producción de fertilizantes y la generación de gases relevantes para el clima. Por lo tanto, la ciencia está buscando formas de ayudar a los cultivos a prosperar con menos nitrógeno.
Investigadores de la Universidad de Bonn (Alemania) han descubierto variantes genéticas del sensor de nitrato NPF2.12 que desencadenan una cadena en cascada de señales cuando los niveles de nitrógeno en el suelo son bajos. Esto induce un crecimiento más fuerte de las raíces, lo que resulta en una mejor utilización del nitrógeno. El estudio ha sido publicado en New Phytologist.
«Estudiamos una gran cantidad de genotipos de trigo y cebada bajo diferentes condiciones de suministro de nitrógeno y analizamos su arquitectura de raíces y la acumulación de nitrógeno en las plantas», dice el autor principal, Md. Nurealam Sidiqqui, del grupo de Fitomejoramiento del Instituto de Ciencias de Cultivos y Conservación de Recursos (INRES) de la Universidad de Bonn . Los investigadores estudiaron un total de más de 220 variedades diferentes de trigo y cebada del último medio siglo de fitomejoramiento. «Las variedades de trigo estudiadas fueron seleccionadas para cubrir la historia de mejoramiento durante los últimos 60 años», explica el Prof. Dr. Jens Léon de INRES Plant Breeding.
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En el campus de investigación agrícola Klein-Altendorf de la Universidad de Bonn, los investigadores estudiaron estas diferentes variedades en parcelas de prueba con altos niveles de nitrógeno y, a modo de comparación, en parcelas con baja aplicación de nitrógeno. Luego, el equipo analizó, entre otros aspectos, las características de los rasgos de la raíz y el contenido de nitrógeno de las hojas y los granos de cada variedad, y realizó análisis genéticos de todo el genoma para encontrar correlaciones entre las secuencias de ADN y los rasgos correspondientes, explica el profesor Léon.
Más raíces absorben más nitrógeno del suelo
Durante la evaluación, los investigadores encontraron NPF2.12. Ciertas variantes de este gen hicieron que las plantas desarrollaran sistemas de raíces más grandes cuando el suministro de nitrógeno del suelo era escaso. «Es probable que el gen, o más bien la proteína que codifica, actúe como un sensor que debe apagarse cuando los niveles de nitrógeno en el suelo son bajos para aumentar indirectamente el mensajero óxido nítrico como parte de una cascada de señalización, que a su vez, induce el crecimiento de las raíces, mejorando así la utilización de nitrógeno», dice el Dr. Agim Ballvora del INRES Plant Breeding, quien es el autor correspondiente del estudio.
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«Bajo condiciones bajas de nitrógeno y en presencia de ciertas variantes del gen NPF2.12, se detecta un mayor contenido de nitrógeno en las hojas y los granos en comparación con la alta disponibilidad de nitrógeno», dice Ballvora, quien también colabora con PhenoRob Cluster of Excellence en la Universidad. de Bonn. En consecuencia, en condiciones adversas estas variedades dan mayor rendimiento que las que contienen el alelo alternativo, enfatiza Siddiqui.
Las variantes del sensor de nitrato NPF2.12 ayudan con la utilización de nitrógeno
Los investigadores pudieron demostrar tanto en el laboratorio como en el invernadero que NPF2.12 es de hecho responsable de este rendimiento mejorado. Se analizaron plantas de trigo con un defecto en el gen NPF2.12. Cuando el suministro de nitrógeno era escaso, las líneas correspondientes que tenían el alelo npf2.12 defectuoso se comportaron como cultivares que tienen inherentemente la variante del gen útil. «Estos resultados muestran que NPF2.12 es un regulador negativo, cuya expresión reducida en los cultivares correspondientes da como resultado un mayor crecimiento de las raíces y un mayor contenido de nitrógeno en el brote a través de un mecanismo sofisticado», explica el Prof. Dr. Gabriel Schaaf, miembro del Grupo PhenoRob. de Excelencia de INRES Plant Nutrition.
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El estudio se enmarca dentro del ámbito de la investigación básica, pero también abre importantes posibilidades para el fitomejoramiento. «Una mejor comprensión de la función genética y molecular de la detección de nitrógeno acelerará el mejoramiento de variedades con una mayor eficiencia en el uso de nitrógeno», dice Ballvora, mirando hacia el futuro. Sin embargo, esto requeriría una mejor comprensión de los pasos individuales en la cascada de señales del sensor NPF2.12 que dan como resultado un crecimiento de raíces más fuerte en condiciones de deficiencia de nitrógeno.
El estudio fue financiado por el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF), la Deutsche Forschungsgemeinschaft bajo la Estrategia de Excelencia de Alemania (Cluster of Excellence PhenoRob) y el Servicio Alemán de Intercambio Académico (DAAD).