Investigadores de Estados Unidos están desarrollando métodos innovadores para mejorar la capacidad de fijación de nitrógeno en la soja. Usando edición genética con CRISPR, buscan retrasar la maduración de los nódulos radiculares para que la fijación biológica de nitrógeno continúe satisfaciendo las necesidades de la planta en etapas avanzadas, reduciendo así la dependencia de fertilizantes sintéticos. Este proyecto de dos años, financiado por el Departamento de Agricultura de EE.UU. con $300,000 dólares, podría aumentar los rendimientos y mejorar la sostenibilidad agrícola.
South Dakota State University / 5 de agosto, 2024.- La soja es el cuarto cultivo más cultivado del mundo y se utiliza para alimentos como el tofu y productos a base de soja, pero se cultiva principalmente para la alimentación animal. En Dakota del Sur, Esyados Unidos, los 223,080,000 bushels cultivados en 2023 fueron valorados en más de US $2.76 mil millones, según el Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA).
Las proyecciones del USDA muestran que el comercio global de soja probablemente aumentará hasta un 22% en los próximos años. Este aumento en la demanda se debe principalmente al crecimiento de la población en el Sur Global y al uso generalizado del biodiésel, que se fabrica con aceite de soja.
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En resumen, la soja es un gran negocio, especialmente en Dakota del Sur, y se proyecta que su valor aumente.
A medida que aumenta la necesidad de soja, los investigadores de la Universidad Estatal de Dakota del Sur (SDSU) buscan formas de mejorar el valor y la productividad del cultivo para los agricultores de la región.
La Soja y el Nitrógeno
Una de las razones por las que la soja se ha convertido en una industria multimillonaria y un pilar en las rotaciones de cultivos en todo EE.UU. es la capacidad de la planta para tomar nitrógeno de la atmósfera, fijarlo en las estructuras de las raíces — conocidas como «nódulos» — con la ayuda de bacterias y luego usarlo como nutriente. Esto reduce los costos de insumos y también disminuye las necesidades de manejo del cultivo.
Sin embargo, para algunas variedades de alto rendimiento, cuando la planta de soja alcanza las etapas de crecimiento avanzadas, no pueden suministrar la cantidad necesaria de nitrógeno — un nutriente esencial — debido a la acumulación de proteínas de almacenamiento en las semillas. Para compensar esto, los agricultores aplican fertilizantes sintéticos, que son perjudiciales para el medio ambiente y de gran consumo energético, para garantizar que el cultivo satisfaga sus necesidades de nitrógeno. La soja también agota el suelo de su precioso nitrógeno a medida que continúa creciendo, causando problemas de suelo para los agricultores en años posteriores.
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Los investigadores de la Facultad de Ciencias Naturales de SDSU, Senthil Subramanian y Bhanu Petla, creen que pueden tener una solución. Hipotetizan que al retrasar la maduración de los nódulos radiculares en las plantas de soja, el proceso natural de fijación biológica de nitrógeno podría continuar satisfaciendo las necesidades nutricionales de la planta más adelante en el ciclo de crecimiento. Esto garantizaría que los rendimientos se mantengan altos sin la aplicación de fertilizantes sintéticos.
«En las variedades de soja de alto rendimiento, el nitrógeno suministrado por la fijación de nitrógeno no es suficiente para satisfacer las necesidades de la planta durante las etapas reproductivas,» explicó Petla. «Las plantas necesitan tomar nitrógeno del suelo o suministrado a través de fertilizantes, lo que resulta en una mala salud del suelo y altos costos de insumos. Nos gustaría abordar esto retrasando la maduración de los nódulos para suministrar nitrógeno durante las etapas reproductivas.»
«Esperamos encontrar, o generar mediante edición del genoma, sojas con mayor capacidad de fijación de nitrógeno,» dijo Subramanian. «La capacidad de los asociados postdoctorales de SDSU para servir como coinvestigadores principales en propuestas de subvenciones ayudó en gran medida al desarrollo profesional del Dr. Petla. Los datos preliminares para este proyecto provienen de un proyecto de investigación NSF-EPSCoR y de una Experiencia de Investigación para Universitarios (REU) de la estudiante universitaria Marissa Dreissen de SDSU.»
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Según investigaciones anteriores, la fijación biológica de nitrógeno proporciona, como máximo, el 60% de las necesidades de nitrógeno de la planta. La clave para la fijación biológica de nitrógeno está en las raíces de la soja. A medida que la planta crece, también lo hacen sus nódulos — pequeñas estructuras en forma de bola que se encuentran en las raíces y forman una simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno, lo que ayuda a proporcionar a la planta sus necesidades de nitrógeno. La cantidad de nódulos por planta de soja, según investigaciones, es un componente crítico para el rendimiento del cultivo. Cuantos más nódulos, más nitrógeno puede ser suministrado, lo que lleva a mayores rendimientos y, a su vez, a más valor para los agricultores.
«Hipotetizamos que los genotipos de soja con un mayor número de nódulos con maduración retrasada pueden fijar nitrógeno en las etapas reproductivas y ayudar a satisfacer las necesidades de nitrógeno de manera sostenible,» dijo Petla.
El laboratorio de Subramanian ha demostrado en investigaciones anteriores que diferentes niveles de dos tipos diferentes de hormonas de crecimiento, auxina y citoquinina, promueven la formación de nódulos y retrasan la maduración. Los investigadores creen que las variaciones genéticas en los cultivares de soja que conducen a niveles reducidos de auxina pero niveles más altos de citoquinina pueden resultar en un mayor número de nódulos con maduración retrasada. Esto permitiría que la fijación biológica de nitrógeno satisfaga las necesidades de nitrógeno de la planta más adelante en el ciclo de crecimiento, reduciendo así — o incluso eliminando — la necesidad de fertilizantes sintéticos costosos.
Para encontrar los rasgos deseados, los investigadores editarán genéticamente las secuencias del genoma de la planta de soja con CRISPR — una tecnología avanzada de edición genética. Específicamente, buscarán exactamente qué genes hormonales son responsables del número de nódulos, la maduración retardada de los nódulos y el envejecimiento en la soja. Esto requerirá probar más de 1,000 genomas diferentes. Una vez que los investigadores hayan identificado las variantes genéticas deseadas, trabajarán con fitomejoradores de soja para incorporar estos rasgos en cultivares de soja de alto rendimiento.
«Este proyecto de subvención inicial evaluará la variación genética natural disponible en el germoplasma de soja en los genes de la vía de biosíntesis de auxina y citoquinina y evaluará sus capacidades de nodulación y fijación de nitrógeno,» dijo Petla.
El proyecto trabajará en tres fases y contribuirá en gran medida a la comprensión del papel que tienen las respuestas hormonales en el desarrollo de los nódulos radiculares y el crecimiento de la soja.
«Este proyecto nos ayudará a identificar la variación natural en la maduración retardada de los nódulos durante las etapas reproductivas,» dijo Petla. «En el futuro, transferir este rasgo a variedades de élite mejorará el rendimiento y reducirá la demanda de nitrógeno de las plantas del suelo.»
Este proyecto de dos años y US $300,000, titulado «Evaluación de variaciones genéticas naturales y editadas por genoma en los genes de la vía de auxina y citoquinina para una fijación óptima de nitrógeno en soja,» está siendo financiado a través de una subvención del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del USDA.