El interruptor molecular verde

El nitrógeno es un elemento indispensable en la agricultura moderna. Sin él, los cultivos no pueden sintetizar proteínas ni crecer. Sin embargo, detrás de las cosechas récord existe una paradoja ecológica: las plantas absorben apenas la mitad del fertilizante aplicado. El 50% restante se escurre por el suelo, llega a las napas subterráneas y desemboca en ríos y lagunas, provocando que las algas proliferen y agoten el oxígeno del agua; esto, a su vez, desemboca en una muerte masiva de peces y reduce la potabilidad del agua.

Además, la saturación continua de fertilizantes químicos modifica la ecología del suelo y de su microbioma (esto es, de la comunidad de microorganismos y material genético que habitan en los espacios naturales), lo que puede favorecer la proliferación de microorganismos patógenos.

Frente a este dilema, un estudio internacional publicado en la revista The Plant Cell, liderado por la bióloga Mariana Obertello que trabaja en el INGEBI (CONICET) y también es docente del Departamento de Fisiología y Biología Molecular de Exactas UBA, logró descifrar el funcionamiento de una suerte de termostato molecular interno que controla la nutrición vegetal.

La planta no absorbe todo el fertilizante aplicado. Eso contamina las napas y las aguas, generando una sobreproducción de algas que consume el oxígeno y provoca mortandad de peces.

“Es un trabajo muy importante porque abre una puerta: la de entender finalmente, o por lo menos ayudar a comprender, cómo es que las plantas toman el nitrógeno del suelo”, explica Obertello. Dado que el nitrógeno es un elemento limitante, “si descriframos los mecanismos por los cuales incorporan ese nitrógeno, es posible tratar de generar plantas que sean más eficientes, ya sea para que crezcan en suelos empobrecidos o para poder fertilizar mucho menos”, destaca.

Hasta ahora se conocían sensores en las raíces que detectan el nitrógeno inorgánico (nitrato y amonio) del fertilizante. Sin embargo, no se sabía cómo es que la planta evalúa si ya tiene suficiente alimento en forma orgánica (aminoácidos) para frenar la absorción y ahorrar energía.

El equipo liderado por Obertello descubrió que la clave está en la proteína HHO5 (HRS1 HOMOLOG 5), un factor de transcripción u “ordenador genético”. A diferencia de otros reguladores que actúan en toda la raíz, HHO5 se ubica estratégicamente en el floema, que es el sistema de vasos conductores por donde circula la savia elaborada, hacia toda la planta.

“Se identificó una proteína específica que estaría regulando ese apagado y prendido de la planta de ‘tomo nitrógeno del suelo’ o ‘no tomo nitrógeno del suelo’”, detalla Obertello. La proteína funciona como un termostato de doble acción.

Por un lado, aprieta el freno al nitrógeno inorgánico (esto es, ejerce una represión directa), cuando la planta se satura de nitrógeno orgánico (pueden ser aminoácidos como el glutamato). En ese caso la expresión de HHO5 se incrementa, uniéndose de manera directa al promotor de NRT1.1 («transceptor» que funciona como puerta de entrada de nitrato) y lo reprime, bloqueando el ingreso de más fertilizante.

Pero HHO5 también puede encender las defensas e inmunidad de la planta (en lo que técnicamente se conoce como inducción indirecta). En este caso, la proteína activa genes vinculados al metabolismo de aminoácidos y a la defensa contra patógenos.

Se identificó una proteína específica que estaría regulando ese apagado y prendido de la planta de ‘tomo nitrógeno del suelo’ o ‘no tomo nitrógeno del suelo”.

“Nuestros resultados respaldan un modelo en el que HHO5 orquesta una regulación de retroalimentación dependiente de la dosis entre la señalización de nitrógeno orgánico e inorgánico en Arabidopsis”, explican los investigadores en el artículo publicado en The Plant Cell. En palabras sencillas, si el almacenamiento orgánico de la planta está lleno, HHO5 apaga las bombas de la raíz para ahorrar energía y desvía los recursos para fortalecer las defensas.

Mapear el circuito

Para reconstruir este sistema de mandos, los investigadores trabajaron más de seis años combinando biología molecular, ensayos fisiológicos y bioinformática. Como modelo experimental utilizaron Arabidopsis thaliana, una pequeña planta emparentada con la mostaza que funciona en botánica como el ratón en la medicina humana.

“Es la planta que hace las veces de caballito de batalla en los laboratorios -explica Obertello-. Es chiquita, su genoma está secuenciado y hay variedades mutantes disponibles. Nos permite hacer avances en corto tiempo para después transferirlos a cultivos más difíciles de transformar”.

Para ver cómo actúa HHO5, los investigadores diseñaron un ensayo celular denominado DoubleTARGET, que funciona como una «cámara fotográfica molecular». Con esta técnica descubrieron que, para encender los genes de defensa, HHO5 se asocia físicamente con otra proteína socia llamada WRKY21. «Cuando apaga los genes lo hace sola, pero cuando los enciende lo hace en colaboración con otra proteína, WRKY21», puntualiza la bióloga argentina.

Las pruebas en plantas sin el gen HHO5 confirmaron la importancia del descubrimiento: las mutantes perdieron plasticidad para adaptar su crecimiento al nitrógeno disponible.

Además, usando la metodología computacional Network Walking (algo así como “caminata por la red génica”), los expertos demostraron que HHO5 desencadena una cascada que activa a otros 22 factores de transcripción secundarios. En total, este circuito controla el 12% de todos los genes que responden a las dosis de nitrógeno en la planta (567, para ser precisos).

Las pruebas en plantas mutantes sin el gen HHO5 confirmaron la importancia del descubrimiento: las mutantes perdieron plasticidad para adaptar su crecimiento al nitrógeno disponible, redujeron su biomasa y sufrieron pérdidas reproductivas, con lo cual produjeron menos semillas por silicua y con menor contenido de nitrógeno.

Del laboratorio al campo

La trascendencia de este avance de ciencia básica apunta al corazón de la producción agrícola sustentable. En la actualidad, el exceso de fertilización contamina gravemente el ambiente. Como advierte Obertello, la planta no absorbe todo el fertilizante aplicado: “Llega un punto en que la planta dice ‘bueno, ya está, no quiero más’. Eso contamina las napas y las aguas, generando una sobreproducción de algas que consume el oxígeno y provoca mortandad de peces».

Frente a esto, la investigación argentina sienta las bases para diseñar cultivos de nueva generación (como maíz o arroz) que utilicen los nutrientes de una manera eficiente. Sin embargo, Obertello enfatiza que el paso al campo requiere hacer un estudio integral: “Además de querer una planta más eficiente en la asimilación de nitrógeno, uno desea, por ejemplo, que no sea susceptible a la sequía. Si tenemos una planta hermosamente verde pero que no da semillas, no sirve de nada”.

La investigación argentina sienta las bases para diseñar cultivos de nueva generación (como maíz o arroz) que utilicen los nutrientes de una manera eficiente.

Por eso, el equipo investiga ahora cómo responde el circuito descubierto ante distintos factores estresores abióticos, como la sequía o la salinidad. El objetivo es asegurar que una planta más eficiente en el uso de nitrógeno no pierda tolerancia ante la falta de agua, por caso.

Otra de las metas es estudiar las implicancias de la proteína HHO5 a nivel de toda la planta, analizando parámetros de productividad agronómica como la producción de frutos (silicuas), la cantidad de semillas y el llenado de granos.

Estudios previos de Obertello ya demostraron que el mecanismo de HHO5 está altamente conservado entre Arabidopsis y el arroz (Oryza sativa), y por eso el objetivo integral es verificar y aplicar los mecanismos descubiertos en cultivos de importancia productiva (como arroz o maíz) para desarrollar variedades comerciales más sustentables.

El hallazgo ha sido calificado como “fundamental” por otros expertos. Pero el equipo de trabajo de Mariana Obertello se enfrenta a lo que ya sucede con otros grupos argentinos, y es la falta de financiamiento. El becario con quien hizo parte de los estudios publicados ya se doctoró y las posibilidades de acceder a becas para nuevos estudiantes son muy reducidas. Las fuentes de financiamiento escasean.

Sin embargo, los estudios no se detienen y lo que queda del equipo de investigadores continúa adelante, integrando también a estudiantes de la licenciatura en Biología.

En este sentido, Obertello señala la necesidad de un cambio cultural y de apoyo a la ciencia en la Argentina: “No es tanto venderle algo a los productores, sino exigir herramientas y cultivos más eficientes. Tenemos que alimentarnos, pero busquemos una alternativa que no arruine nuestro hábitat”. Y concluye, en lo referente al valor de la investigación científica: “Todo esto es ciencia básica necesaria para trasladar conocimientos a la ciencia aplicada. Entender cómo funciona algo genera un conocimiento que después le sirve al que viene detrás”.