Aconsegueixen produir els primers cereals amb fixació biològica del nitrogen

Investigadors del Centre de Biotecnologia i Genòmica de Plantes (CBGP) de la Universitat Politècnica de Madrid (UPM) i l’Institut Nacional de Recerca i Tecnologia Agrària i Alimentària (INIA/CSIC), han col·laborat amb la Universitat de Lleida-Agrotecnio i la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) per produir els primers cereals transgènics que expressen dos components clau de la nitrogenasa: l’enzim que fixa el nitrogen atmosfèric convertint-lo en amoníac. En concret, la recerca s’ha centrat en l’arròs. Segons els investigadors, aquesta fita suposa un pas important per desenvolupar cultius de cereals que fixin el seu propi nitrogen, cosa que podria reduir dràsticament la necessitat d’usar fertilitzants. 

Cadascun dels dos components s’ha produït en una línia de planta transgènica diferent i els investigadors han demostrat que és biològicament actiu ‘in vitro’ o en plantes vives. Tot i això, remarquen que aquestes plantes transgèniques encara no poden fixar el seu propi nitrogen perquè es necessiten components addicionals per reconstruir l’enzim nitrogenasa complet, però el treball és pioner en demostrar per primera vegada que és possible expressar aquestes proteïnes altament sensibles a l’oxigen de manera estable en les plantes, i que les mateixes proteïnes conserven les seves activitats.

Els cultius necessiten nitrogen per créixer i ser productius ja que aquest és un dels principals components de l’ADN, les proteïnes, la clorofil·la i les molècules d’emmagatzematge d’energia, com ara l’adenosina trifosfat (ATP). La majoria dels cultius depenen dels subministraments de nitrat i amoni procedents dels fertilitzants sintètics industrials, però més de la meitat d’ells no s’assimilen, percolant rius i llacs com una important font de contaminació.

Els cultius de lleguminoses, com ara els pèsols i les mongetes, alberguen bacteris que converteixen el gas nitrogen directament en amoníac mitjançant un enzim anomenat nitrogenasa. Aquest procés es coneix com a fixació biològica del nitrogen. “La introducció de gens de nitrogenasa en les plantes de cultius proporcionaria la maquinària necessària per fixar el nitrogen de manera independent”, assenyalen els investigadors.

No obstant això, “el procés és extremadament complex perquè es requereixen moltes proteïnes individuals diferents, no només com a components estructurals directes de la nitrogenasa, sinó també proteïnes accessòries necessàries per al seu assemblatge i el subministrament d’energia”. A més, “els principals components proteics són extremadament sensibles a l’oxigen”, exposen.

Els investigadors van superar aquest “coll d’ampolla crític” produint dinitrogenasa reductasa funcional (proteïna Fe, NifH), iutna maturasa del cofactor de la nitrogenasa (NifB), separadament en línies d’arròs transgèniques. La recerca sobre l’expressió de la nitrogenasa sol realitzar-se en plantes model de laboratori. En canvi, en centrar-se en l’arròs, un important cultiu bàsic que proporciona la principal o única font de calories a més de 2.500 milions de persones en països en vies de desenvolupament, “la importància i l’impacte dels resultats dels estudis augmenten substancialment”.

L’investigador principal del projecte, el Dr. Luis Rubio, destaca que “es tracta d’un gran avanç de la bioenginyeria, ja que derroca dos obstacles tècnics i mostra el camí per generar cereals fixadors de nitrogen”. L’assoliment resol un dels principals impediments per a la fixació biològica del nitrogen en els cultius i estableix les bases per a l’assemblatge d’un complex de nitrogenasa complet i funcional en les plantes, assenyala.

Els treballs posteriors per aconseguir establir plantes que continguin la nitrogenasa completa podrien tenir un impacte durador en la seguretat alimentària mundial, tal com remarca el Dr. Paul Christou, professor de recerca ICREA i líder del projecte en la UdL-Agrotecnio. “Una de les principals repercussions del treball a llarg termini es donaria als països d’ingressos baixos i mitjans, que no poden permetre’s els cars fertilitzants nitrogenats”, afirma.

El treball, que s’ha publicat en dues revistes científiques d’alt impacte ‘Communications Biology’ i ‘American Chemical Society Synthetc Biology’, forma part d’un programa de recerca finançat per una subvenció de la Bill & Melinda Gates Foundation al Dr. Luis Rubio.