Investigadores crean trigo CRISPR que produce su propio fertilizante

Un grupo de investigadores de la Universidad de California - Davis logró desarrollar un trigo modificado genéticamente que tiene la capacidad de promover la formación de su propio fertilizante. Este avance podría contribuir a disminuir la contaminación del aire y del agua, además de reducir los costos de producción agrícola.

El trabajo fue liderado por el profesor Eduardo Blumwald, quien dirige el Departamento de Ciencias Vegetales. Utilizando la herramienta de edición genética CRISPR, el equipo aumentó la producción de un compuesto natural en la planta. Cuando las raíces del trigo liberan este compuesto adicional en el suelo, ayudan a ciertas bacterias a convertir el nitrógeno del aire en una forma que las plantas pueden absorber, un proceso conocido como fijación de nitrógeno.

Este hallazgo fue publicado en el Plant Biotechnology Journal.

Beneficios potenciales para la seguridad alimentaria

Para muchas regiones en desarrollo, esta innovación podría ofrecer un nuevo apoyo para la producción confiable de cultivos. "En África, las personas no utilizan fertilizantes porque no tienen dinero, y las granjas son pequeñas, no más grandes de seis a ocho acres", comentó Blumwald. "Imaginen, están plantando cultivos que estimulan a las bacterias en el suelo para crear el fertilizante que los cultivos necesitan, de forma natural. ¡Eso es una gran diferencia!".

Esta innovación en el trigo se basa en el éxito previo del grupo con el arroz, y se están realizando trabajos similares para expandir la técnica a otros cultivos de cereales importantes.

El problema global del fertilizante

El trigo es el segundo cereal más productivo del mundo y representa la mayor parte del uso de fertilizantes nitrogenados, alrededor del 18% del total global. En 2020, se produjeron más de 800 millones de toneladas de fertilizantes en todo el mundo, según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura.

Las plantas suelen absorber solo entre el 30 y el 50% del nitrógeno aplicado en fertilizantes. El resto a menudo se escapa hacia ríos y áreas costeras, contribuyendo a la formación de "zonas muertas" con bajo oxígeno que perjudican los ecosistemas acuáticos. El nitrógeno en exceso en el suelo también puede producir óxido nitroso, un potente gas de efecto invernadero.

Por qué el trigo necesita una estrategia diferente

Las bacterias fijadoras de nitrógeno generan una enzima llamada nitrogenasa, a veces referida como el "fijador" porque lleva a cabo la fijación de nitrógeno. Esta enzima solo funciona dentro de estas bacterias y en ambientes de bajo oxígeno.

Las leguminosas como los frijoles y los guisantes forman naturalmente nódulos en las raíces, estructuras especializadas que crean las condiciones de bajo oxígeno que estas bacterias requieren.

El trigo y la mayoría de los otros cultivos carecen de estos nódulos, razón por la cual se utiliza ampliamente el fertilizante nitrogenado sintético.

"Durante décadas, los científicos han intentado desarrollar cultivos de cereales que produzcan nódulos radiculares activos, o intentar colonizar cereales con bacterias fijadoras de nitrógeno, sin mucho éxito. Nosotros utilizamos un enfoque diferente", explicó Blumwald. "Dijimos que la ubicación de las bacterias fijadoras de nitrógeno no es importante, siempre y cuando el nitrógeno fijado pueda llegar a la planta y la planta pueda usarlo".

Cómo el equipo de UC Davis encontró una solución viable

Los investigadores examinaron 2,800 compuestos que las plantas producen de forma natural e identificaron 20 que podrían alentar a las bacterias fijadoras de nitrógeno a formar biofilms. Estos biofilms son recubrimientos pegajosos que envuelven a las bacterias, produciendo un microambiente de bajo oxígeno adecuado para la actividad de la nitrogenasa. Luego, el equipo mapeó cómo las plantas sintetizan estos compuestos e identificó los genes involucrados.

Con esta información, utilizaron CRISPR para ajustar las plantas de trigo para que generaran mayores cantidades de un compuesto en particular, un flavonoide llamado apigenina. Dado que las plantas producen más apigenina de la que necesitan, el excedente se libera en el suelo. En experimentos, esta apigenina estimuló a las bacterias del suelo a formar biofilms protectores, permitiendo que la nitrogenasa fijara nitrógeno en una forma utilizable que el trigo pudiera absorber.

Bajo condiciones de muy bajo nitrógeno en fertilizantes, el trigo modificado también produjo mayores rendimientos en comparación con las plantas de control.

Grandes ganancias económicas para los agricultores

Los agricultores en los Estados Unidos gastaron casi 36 mil millones de dólares en fertilizantes en 2023, según estimaciones del Departamento de Agricultura de EE. UU.. Blumwald señala que alrededor de 500 millones de acres en el país están sembrados con cereales.

"Imaginen, si pudieran ahorrar el 10% de la cantidad de fertilizante que se utiliza en esas tierras", reflexionó. "Estoy calculando de manera conservadora: eso debería significar un ahorro de más de mil millones de dólares cada año".

Otros autores del estudio incluyen a Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellanos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank y Eiji Nambara.

La Universidad de California ha presentado una solicitud de patente, que actualmente está pendiente. Bayer Crop Science y el Fondo Will Lester de UC Davis proporcionaron financiamiento para el trabajo.

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