Identifican el mecanismo de control de la asimilación del nitrógeno en las plantas

El descubrimiento abre perspectivas para el desarrollo de variedades menos dependientes de fertilizantes a base de este nutriente

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – Científicos del Instituto de Biología de la Universidad de Campinas (Unicamp), de Brasil, en colaboración con pares de la University of Edinburgh, en Escocia, identificaron un nuevo mecanismo mediante el cual las plantas controlan la absorción y la asimilación del nitrógeno.

Este descubrimiento, realizado en el marco de un trabajo doctoral que contó con Beca de la FAPESP, abre perspectivas para el desarrollo de variedades menos dependientes de fertilizantes a base de nitrógeno, ampliamente utilizados en la agricultura para impulsar el crecimiento y la producción vegetal.

Los principales resultados de este estudio se describieron en un artículo publicado en la revista Nature Communications. “Identificamos una nueva vía de regulación de la asimilación del nitrógeno en las plantas. Al alterar esa vía, fue posible hacer que las plantas asimilen más nitrógeno y, por consiguiente, crezcan más. De esta forma, esperamos contribuir para la disminución del uso excesivo de fertilizantes que a menudo impactan en el ambiente y que representan altos costos en la producción agrícola”, declaró Lucas Frungillo, primero autor del artículo, a Agência FAPESP.

De acuerdo con Frungillo, las plantas absorben nitrógeno del suelo bajo la forma de nitrato. Una vez absorbido por las raíces, el nitrato es transportado fundamentalmente hacia la parte aérea del vegetal para su posterior asimilación bajo la forma de aminoácidos y proteínas.

Durante el proceso de asimilación, el nitrato se convierte en nitrito en las hojas de las plantas, mediante una reacción catalizada por una enzima llamada nitrato reductasa.

El nitrito es trasportado mayoritariamente hacia el cloroplasto –un orgánulo presente en las células vegetales, también responsable de la fotosíntesis–, donde sigue en la vía de asimilación de nitrógeno hasta la formación de aminoácidos. También puede transformarse en óxido nítrico mediante otras reacciones enzimáticas y no enzimáticas en el interior de las células vegetales.

Según Frungillo, durante mucho tiempo, la reacción de formación de óxido nítrico a lo largo de la vía de asimilación del nitrato estuvo considerada como un subproducto del proceso de asimilación del nitrógeno por las plantas.

Al estudiar este proceso en diferentes variedades de Arabidopsis thaliana –una pequeña planta herbácea nativa de Europa, Asia y África, de la familia de las Brassicaceae, a la cual también pertenece la mostaza–, Frungillo y sus colegas descubrieron que, aparte de otras acciones en las plantas, el óxido nítrico también actúa como una molécula de señalización para indicar cuándo las plantas deben limitar la absorción y la asimilación de nitrato.

“El óxido nítrico desempeña un papel de señalizador, pues le indica a la planta si tiene o no nitrógeno suficiente como para desarrollarse. Lo hace mediante la regulación de la asimilación del nitrato que realiza el vegetal”, explicó.

Una estrategia de señalización

De acuerdo con Frungillo, la estrategia de la cual se vale utiliza el óxido nítrico para aumentar su concentración y ejercer el papel de señalizador en el proceso de asimilación del nitrógeno de las plantas consiste en regular la enzima capaz de degradar una de sus formas bioactivas: la S-nitrosoglutatión Reductasa 1 (GSNOR1).

A diferencia de lo que se observa en otros modelos biológicos, en los cuales el aumento de la disponibilidad de una molécula induce el incremento de la actividad de una enzima capaz de degradarla, en el caso del óxido nítrico el movimiento es inverso. El aumento de la disponibilidad de óxido nítrico en la planta deriva en una disminución de la actividad de la GSNOR1.

“El óxido nítrico es capaz de inhibir directamente la actividad de la enzima GSNOR1 mediante una modificación postraduccional [procesos que pueden alterar el tamaño, la composición, la función y la ubicación de las proteínas] llamada de S-nitrosilación. De esta forma, éste regula su propia disponibilidad en la planta y controla su acción de señalización, al indicar cuándo la planta debe mermar la asimilación de nitrato”, explicó.

Mediante ingeniería genética es posible aumentar la cantidad de copias de esa enzima que se contrapone a la señalización del óxido nítrico, disminuyendo así el impacto inhibitorio de este señalizador en su degradación. “Es posible mitigar genéticamente ese efecto de ‘autopromoción’ del óxido nítrico”, indicó Frungillo.

Con el fin poner a prueba esta hipótesis, los investigadores de la University of Edinburgh desarrollaron durante el estudio una variedad de Arabidopsis thaliana, llamada de 35S::GSNOR1, que sobreexpresa la GSNOR1.

Los resultados de los análisis genéticos y bioquímicos, realizadas en el laboratorio coordinado por el profesor Gary J. Loake y repetidos en Brasil, indicaron que la planta logró asimilar una mayor cantidad de nitrógeno y, por consiguiente, crecer más en comparación con otras variedades con expresión normal de la GSNOR1.

“La planta 35S::GSNOR1 tiene una mayor cantidad de copias de la enzima GSNOR1 y, por más que aún esté regulada por el óxido nítrico, su actividad es mayor en ese genotipo que en los otros que estudiamos. Por eso el proceso de señalización del óxido nítrico en la planta merma y así es como logra asimilar más nitrógeno y crecer un poco más”, explicó Frungillo, quien permaneció cinco meses en el laboratorio del profesor Loake para realizar experimentos complementarios y finalizar el estudio.

De acuerdo con el investigador, también mediante ingeniería genética sería posible desarrollar nuevas variedades de plantas con los procesos de señalización del óxido nítrico alterados e impulsar aún más el crecimiento de los vegetales.

“Al degradar una forma bioactiva del óxido nítrico, la planta disminuye la disponibilidad de ese señalizador, pasando entonces a asimilar más nitrógeno. Por consiguiente, se vuelve capaz de crecer y producir más”, apuntó.

“Esperamos que esa vía de regulación de la asimilación de nitrógeno observada en Arabidopsis thaliana también exista en la mayoría de las plantas”, dijo Frungillo.

Pueden leer el artículo intitulado S-nitrosothiols regulate nitric oxide production and storage in plants through the nitrogen asimilation pathway (doi: 10.1038/ncomms640), de Frungillo y otros, los suscriptores de la revista Nature Communications, en el siguiente enlace: www.nature.com/ncomms/2014/141111/ncomms6401/full/ncomms6401.html.