La agricultura mundial está experimentando una transformación hacia métodos más sostenibles de cultivo de los cultivos alimentarios más importantes, entre los que se incluyen las patatas, el segundo pan. Los científicos están explorando diálogos moleculares para seleccionar patatas con una mejor capacidad para absorber nitrógeno de los fertilizantes, lo que reducirá el uso de fertilizantes minerales.
En un artículo de un equipo de científicos chinos de la Universidad Agrícola de Hebei, la Academia de Ciencias Agrícolas y Ganaderas de Mongolia Interior y el Laboratorio Clave para la Protección y Uso de Chernozem (Hohhot), del Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales de la República Popular China, habla sobre el mejoramiento de la papa para mejorar la eficiencia del nitrógeno.
El nitrógeno (N), la piedra angular del crecimiento y desarrollo de las plantas, está estrechamente relacionado con la biosíntesis de moléculas vitales, incluidos ácidos nucleicos, proteínas, clorofila, alcaloides, vitaminas y hormonas. La absorción de suficiente N, disponible en el suelo principalmente en formas inorgánicas (p. ej., nitrato y amonio) y orgánica (p. ej., urea, aminoácidos y péptidos), es fundamental para el crecimiento óptimo de las plantas.
A pesar de su abundancia, la disponibilidad limitada de estas formas de N a menudo limita el rendimiento de los cultivos, lo que hace indispensable el uso sensato de fertilizantes nitrogenados en la agricultura. Sin embargo, los agricultores suelen recurrir a una aplicación excesiva de fertilizantes químicos nitrogenados, lo que aumenta los costes de producción y crea graves problemas medioambientales. Sólo entre el 30% y el 50% del fertilizante nitrogenado aplicado es efectivamente absorbido por los cultivos, y el resto contribuye a la contaminación del aire a través de emisiones de óxido nitroso (un potente gas de efecto invernadero) o exacerba la eutrofización al filtrarse en los sistemas hídricos.
Con la creciente demanda mundial de alimentos impulsada por una población en constante crecimiento, el desarrollo de genotipos de cultivos con mayor eficiencia en el uso del nitrógeno (NUE) representa una estrategia prometedora.
Estos genotipos NUE tienen el potencial de optimizar la absorción y utilización de nitrógeno, mitigando así los impactos ambientales asociados con los fertilizantes nitrogenados y al mismo tiempo aumentando la productividad agrícola.
La NUE es un rasgo complejo influenciado por factores genéticos y ambientales, que abarca procesos como la absorción, asimilación y removilización de nitrógeno. Por ejemplo, en los cultivos de cereales, la NUE a menudo se define en términos de rendimiento de grano en relación con la cantidad de fertilizante nitrogenado aplicado, una medida que ha guiado los esfuerzos de investigación y mejoramiento durante décadas.
Un genotipo ideal eficiente en nitrógeno debe tener una alta eficiencia en el uso de nitrógeno y una fuerte eficiencia en la absorción.
Por lo tanto, es necesario realizar una evaluación integral basada en varios indicadores de eficiencia de nitrógeno, que ayudarán en la selección de genotipos que tengan en cuenta tanto la absorción como el uso de nitrógeno. Los avances recientes en la comprensión de los genes implicados en el transporte y el metabolismo del N han arrojado luz sobre los mecanismos que facilitan la utilización del N en diversas especies de plantas, incluida la planta modelo Arabidopsis , el arroz, el algodón y el maíz, allanando el camino para intervenciones genéticas específicas para mejorar NUÉ.
A pesar del progreso en la identificación de genes sensibles al N y redes reguladoras que modulan el crecimiento de las plantas en respuesta a la disponibilidad de N, la base molecular de la detección y señalización del N permanece en gran medida inexplorada, lo que representa una brecha crítica y la necesidad de una exploración continua de las bases moleculares de la NUE para descubrir nuevas formas de mejorar la eficiencia con la que los cultivos utilizan el nitrógeno.
Clasificada como el tercer cultivo alimentario más importante del mundo después del arroz y el trigo, la papa desempeña un papel clave para garantizar la seguridad alimentaria, nutricional y económica en todo el mundo.
El nitrógeno tiene un fuerte efecto sobre el crecimiento de las plantas de papa, el rendimiento y la calidad de los tubérculos. Las patatas requieren grandes insumos y cantidades significativas de fertilizantes nitrogenados para obtener rendimientos satisfactorios, pero parte del nitrógeno se pierde, como se destacó anteriormente. Por lo tanto, desarrollar variedades de papa con NUE mejorada es fundamental para reducir la dependencia de los fertilizantes nitrogenados y promover prácticas agrícolas sostenibles.
Además, el germoplasma de papa silvestre superó a las variedades convencionales en términos de EUN, en particular S. chacoense , S. commersonii , S. kurtzianum , S. microdontum y S. phureja , y se ha sugerido que un transportador de nitrato de alta afinidad en las raíces de la papa es un gen candidato prometedor para controlar la absorción y el transporte de nitrógeno.
Mediante el uso de CRISPR/Cas9 y otras técnicas de edición fundamentales, cada vez es posible aumentar la eficiencia del uso del nitrógeno en las plantas. Estos estudios contribuyen a la comprensión de la base genética de la NUE de la papa y brindan información genética para desarrollar variedades de papa con mayor eficiencia en el uso del nitrógeno. La integración de análisis transcriptómicos y metabolómicos ofrece un camino prometedor para el análisis de sistemas biológicos vegetales complejos.
“En el presente estudio, examinamos las vías metabólicas y las redes reguladoras que median la señalización de bajo contenido de N en la papa utilizando tanto la transcriptómica como la metabolómica. Centrándonos en las hojas y raíces 45 días después de la siembra, evaluamos las plantas en condiciones de fertilización con nitrógeno estándar y baja. El objetivo era delinear los mecanismos de respuesta adaptativa de la papa a diferentes niveles de N, con un enfoque particular en la dinámica de hojas y raíces en la utilización de nutrientes. Utilizando este enfoque analítico integral, nuestra investigación tiene como objetivo arrojar luz sobre los complejos diálogos moleculares que gobiernan el uso de N en las patatas, allanando potencialmente el camino para avances en el manejo de cultivos y estrategias de mejora genética”, escriben los autores.
Este estudio se realizó en la base experimental de la Academia de Ciencias Agrícolas y Ganaderas de Mongolia Interior en Hohhot, Mongolia Interior, China, durante la temporada de cultivo de papa 2019-2021.
Para los experimentos de campo, se implementó un diseño de parcelas divididas, siendo los tratamientos con nitrógeno las parcelas principales. Se utilizó urea (46,0% N) para fertilizar las plantas a tasas generales de suministro de nitrógeno. Se definieron las siguientes parcelas: 0 kg N por hectómetro cuadrado (es decir, sin fertilizante nitrogenado, control), 150 kg N/hm2 (N bajo, LN) y 300 kg N/hm2 (N normal, NN).
Las variedades de papa utilizadas en el ensayo incluyeron el genotipo Xisen 6 (XS6) eficiente en N y el genotipo Neishu 7 (NS7) inefectivo en N, que difieren en rendimiento pero tienen un período de floración similar. Cada parcela medía 27 m2 y constaba de 5 hileras, cada una de 6 m de largo y espaciadas 0,9 m entre sí, lo que daba como resultado una densidad de 45.000 plantas por hectómetro cuadrado.
Aproximadamente dos tercios del fertilizante nitrogenado se aplicaron al suelo en forma sólida antes de arar y plantar, junto con 180 kg por hm2 de P 2 O 5 y 300 kg por hm2 de K 2 O. El tercio restante del fertilizante nitrogenado se aplicó mediante Fertirrigación en etapa de plántula.
“Nuestro estudio muestra que XS6 exhibe mayores contenidos de clorofila y N, mayor rendimiento de tubérculos y mayor capacidad de absorción de N bajo estrés de LN en comparación con NS7. Mediante el análisis del transcriptoma, identificamos genes críticos involucrados en el metabolismo que tenían una mayor expresión en XS6. Un descubrimiento importante fue el gen transportador de nitrato 2.7 de alta afinidad, que mostró una mayor expresión en XS6, lo que sugiere un papel clave en el aumento de NUE. El análisis metabolómico complementó aún más estos resultados al identificar cambios complejos en 1252 metabolitos bajo estrés de LN, destacando la interacción dinámica entre el metabolismo del carbono y el N para hacer frente a la deficiencia de nitrógeno. La integración de datos transcriptómicos y metabolómicos destacó el papel fundamental de la trehalosa en la mitigación de la deficiencia de N y la mejora de la NUE. «Este estudio proporciona nuevos conocimientos sobre los mecanismos moleculares que gobiernan la NUE en la papa, ofreciendo perspectivas valiosas para el mejoramiento molecular para mejorar la NUE en la papa y posiblemente en otros cultivos», escribieron los autores del estudio en las conclusiones.
Según el artículo, el grupo de autores (Rui Xie, Xiaolei Jin, Jing Fang, Shuli Wei, Jie Ma, Ying Liu, Yuichen Chen, Liyu Chen, Jiawei Liu, Yanyan Liu, Zhigang Han, Bingyu Go, Jingshan Go, Xiaoqing Zhao, Xiangqian Zhang, Zhanyuan Lu), publicado en la revista Agronomy 2024 en www.mdpi.com.
