Expresión de OsNifH Ht derivada del arroz y OsNifM Av . Niveles relativos de expresión de ARNm de OsnifH Ht y OsnifM Av en tres líneas de plantas de arroz diferentes (replicas biológicas independientes) (a) y las correspondientes líneas de callos (b). Los datos (normalizados a ARNm de OsActin) son medias ± SD (n = 3 repeticiones técnicas). Análisis de inmunotransferencia de extractos de proteínas solubles de hojas de arroz (c) y callos (d) probados con anticuerpos contra NifH, NifM y Strep-tag. Se usaron anticuerpos contra RuBisCO como control de carga para líneas de plantas. La tinción de Ponceau se utilizó como control de carga para los extractos de callos debido a la baja expresión de RuBisCO. El carril Ctrl muestra callos y líneas de plantas no transformados. e Expresión estable de OsNifH Ht en la generación segregante T1 de la línea vegetal de arroz HtH200. Extracto de proteína de callo que expresa OsNifH Ht (línea HtH206) se utilizó como control positivo (Pos ctrl). Las inmunotransferencias sin recortar se muestran en las Figs. complementarias. 6–10. f Fenotipo de OsNifH Ht expresando progenie T1 que muestra crecimiento y desarrollo normales. Crédito:Biología de las comunicaciones (2022). DOI:10.1038/s42003-022-03921-9
Investigadores del Centro de Biotecnología y Genómica Vegetal (CBGP, UPM-INIA), en colaboración con la Universidad de Lleida-Agrotecnio y la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA), han conseguido producir los primeros cereales transgénicos que expresan dos componentes clave de la nitrogenasa, la enzima que fija el nitrógeno atmosférico convirtiéndolo en amoníaco.
Cada componente se produjo en una línea de plantas transgénicas separada y se demostró que es biológicamente activo in vitro o en plantas vivas. Estas plantas transgénicas aún no pueden fijar su propio nitrógeno porque se necesitan componentes adicionales para reconstruir la enzima nitrogenasa completa, pero el trabajo es innovador porque demuestra por primera vez que es posible expresar estas proteínas altamente sensibles al oxígeno de manera estable en las plantas, y que las proteínas conserven sus actividades.
Los cultivos requieren nitrógeno para el crecimiento y la productividad porque es un componente importante del ADN, las proteínas, la clorofila y las moléculas de almacenamiento de energía, como el trifosfato de adenosina (ATP). La mayoría de los cultivos dependen del suministro de nitrato y amonio de los fertilizantes sintéticos industriales, pero más de la mitad de estos insumos no se asimilan y se derraman o se filtran en ríos y lagos como una fuente importante de contaminación.
Los cultivos de leguminosas como los guisantes y los frijoles albergan bacterias que convierten el gas nitrógeno directamente en amoníaco utilizando una enzima llamada nitrogenasa. Este proceso se conoce como fijación biológica de nitrógeno. La introducción de genes de nitrogenasa en las plantas de cultivo proporcionaría la maquinaria necesaria para fijar el nitrógeno de forma independiente. Sin embargo, el proceso es extremadamente complejo porque se requieren muchas proteínas individuales diferentes no solo como componentes estructurales directos de la nitrogenasa, sino también proteínas accesorias necesarias para su ensamblaje y la provisión de energía. Los principales componentes proteicos también son extremadamente sensibles al oxígeno.
Los investigadores superaron este cuello de botella crítico al producir dinitrogenasa reductasa funcional (proteína Fe, NifH) y el cofactor de nitrogenasa maturasa (NifB) en líneas de arroz transgénico separadas. La investigación sobre la expresión de nitrogenasa generalmente se lleva a cabo en plantas modelo de laboratorio. Sin embargo, al centrarse en el arroz, un importante cultivo básico que proporciona la principal o única fuente de calorías para más de 2500 millones de personas en los países en desarrollo, la importancia y el impacto de los resultados de los estudios aumentan sustancialmente.
El investigador principal del proyecto, el Dr. Luis Rubio, dice:"Este es un gran avance de la bioingeniería, ya que derriba dos obstáculos técnicos y muestra el camino para hacer cereales fijadores de nitrógeno". El logro elimina una de las principales limitaciones que obstaculizan la fijación biológica de nitrógeno en los cultivos y prepara el escenario para el ensamblaje de un complejo de nitrogenasa completo y funcional en las plantas.
El trabajo adicional para establecer plantas que contengan la nitrogenasa completa tendría un impacto duradero en la seguridad alimentaria mundial. El Dr. Paul Christou, profesor de investigación ICREA y líder del proyecto en la Universidad de Lleida-Centro Agrotecnio, dice:"Uno de los principales impactos del trabajo a largo plazo será en los países de ingresos bajos y medios, que no pueden permitirse costos fertilizantes nitrogenados".
La investigación relacionada ha sido publicada en Communications Biology y Biología Sintética ACS . Investigadores toman las primeras imágenes crio-EM de la nitrogenasa en acción
