El nitrógeno es uno de los macronutrientes primarios que las plantas necesitan para su ciclo de vida y supervivencia, aparte de otros como el fósforo y el potasio. Es muy importante en las etapas de crecimiento y desarrollo, especialmente en los procesos metabólicos como la producción de ácidos nucleicos, proteínas y otras moléculas. Es también un componente básico la clorofila, un pigmento de color verde que es vital para el proceso de fotosíntesis – proceso en el cual las plantas producen su propio alimento y además liberan oxígeno al ambiente .
A pesar de que el nitrógeno conforma un 78% de la atmósfera, no está fácilmente disponible para las plantas. Puede ser utilizado por algunas plantas (como las leguminosas y algunos arbustos leñosos) cuando es convertido en amoníaco tras su fijación por bacterias simbióticas del suelo – que sintetizan moléculas que contienen nitrógeno. El resto de plantas deben obtener el nitrógeno disponible en el suelo. Sin embargo, el uso frecuente de los suelos agrícolas agota el nitrógeno disponible, por lo cual deben aplicarse fertilizantes.
Hasta inicios del siglo XX se usó a nivel global el salitre chileno para fertilizar los cultivos, y desde el descubrimiento de los fertilizantes de nitrógeno sintético en 1910, su uso aumentó de forma exponencial, generando un fuerte impulso en los rendimientos agrícolas. Sin embargo, sólo un 30 a 50% del nitrógeno aplicado es absorbido por las plantas y el desperdicio restante produce considerables impactos negativos en el medio ambiente. Por ejemplo, estos excesos pueden infiltrarse en aguas subterráneas o ser arrastrados a cursos de agua, donde contribuyen a la floración de algas con una consecuente hipoxia (reducción del oxígeno en el agua), lo cual conduce a una pérdida significativa de la vida acuática y biodiversidad; además, contribuye al agotamiento de la capa de ozono y el calentamiento global .
Es por esto que los científicos buscan nuevas estrategias favorables para elevar los rendimientos de una forma ambientalmente sustentable, ya sea reduciendo la necesidad del uso de fertilizante y/o maximizando laeficiencia de uso de nitrógeno (EUN) de los cultivos . Este último enfoque se ha llevado a cabo con herramientas tradicionales, basadas en la utilización de la variación alélica existente para los rasgos de EUN en diversas plantas, y también por ingeniería genética.
Mejoramiento de EUN con ingeniería genética
Mejorar la eficiencia de uso del nitrógeno en cultivos agrícolas mediante ingeniería genética requiere manipular varios genes implicados en la absorción de nitrógeno, translocación, y la removilización; metabolismo del carbono; objetivos de señalización; y elementos reguladores. Se han descubierto varios genes (provenientes de diferentes organismos) que controlan estos procesos y se ha investigado si su manipulación puede conducir a un uso más eficiente del nitrógeno en plantas .
A continuación les presentamos una tabla que resume los principales cultivos desarrollados con ingeniería genética para mejor eficiencia de uso de nitrógeno (EUN):
País/Región | Desarrollador | Cultivo | Proyecto |
Estados Unidos | Arcadia Biosciences y Dupont | Maíz | En 2008 ambas empresas anunciaron que habían completado 5 años de múltiples ensayos de campo con maíz diseñado para mejor EUN, no solo con mayor rendimiento, sino también con efectos positivos para el medio ambiente . |
Australia, Francia y Estados Unidos | "Centro Australiano de Genómica Funcional de Plantas" (ACPFG), "Organización de Investigación Científica e Industrial" (CSIRO), Vilmorin, Arcadia Biosciences | Trigo/Cebada | Los dos centros de investigación pública de Australia y la semillera francesa Vilmorin anunciaron en 2012 un esfuerzo conjunto para desarrollar y comercializar trigo diseñado para una mejor EUN con el objetivo de reducir el uso de fertilizantes de nitrógeno en Australia . |
Estados Unidos | Arcadia Biosciences | Canola | Desde 2007 se han completado cinco temporadas de ensayos de campo. Los resultados mostraron que las plantas de canola tuvieron el mismo rendimiento que las variedades convencionales pero usando sólo la mitad de insumos con nitrógeno . |
Estados Unidos y Bélgica | SES VanderHave y Arcadia Biosciences | Remolacha Azucarera | Se han llevado a cabo 3 años de ensayos de campo para evaluar el rendimiento de remolacha azucarera con mejor EUN. Los resultados muestran que las variedades modificadas tienen rendimientos más altos que las no modificadas bajo diversas aplicaciones de fertilizantes a largo plazo . |
Estados Unidos y Sudáfrica | "Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar de Sudáfrica" (SASRI) y Arcadia BioSciences | Caña de Azúcar | Ambas instituciones anunciaron en 2011 una alianza para producir variedades de alto rendimiento de caña de azúcar que requieren la mitad del fertilizante de nitrógeno que necesitan las variedades convencionales de caña . |
Estados Unidos, Colombia, África | Arcadia Biosciences, "Fundación Africana de Tecnología Agrícola" (AATF) y el "Centro Internacional de Agricultura Tropical" (CIAT) | Arroz | Tras más de 4 años de ensayos de campo con variedades de arroces africanos modificados, en condiciones de poca agua y solo un 50% de la aplicación normal de fertilizante nitrogenado, mostraron un aumento promedio de 30% en el rendimiento . |
China | "Instituto de Genética y Biología del Desarrollo" (IGDB) de la Academia China de Ciencias. | Arroz | En 2015 se reportó el desarrollo de variedad de arroz japonica (la más cultivada en el norte de China por su adaptación, pero con una gran necesidad de fertilizantes) con un gen de la variedad índica (adaptada al sur del país). Esto aumentó la velocidad a la que el arroz puede absorber nitruro del suelo por más de un tercio, mejorando notablemente el rendimiento del grano y la EUN . |
Brasil y Estados Unidos | FuturaGene y Arcadia Biosciences | Eucalipto y Álamo | En 2013 anunciaron una alianza para desarrollar ambas especies de árboles con una mejor EUN. Se plantearon como objetivo aumentar el rendimiento y productividad forestal, y al mismo tiempo reducir el uso de insumos y sus consecuencias ambientales asociadas . |
Francia y Estados Unidos | Vilmorin y Arcadia Biosciences | Trigo | Se firmó un acuerdo para desarrollar trigo modificado genéticamente con mejor EUN. Esperan poder disponer de esta variedad pronto a nivel comercial, reduciendo a la mitad el uso de fertilizantes de nitrógeno, logrando así un importante ahorro económico y un impacto ambiental positivo . |
Aparte de estas iniciativas públicas y privadas, la Fundación Bill & Melinda Gates está financiando proyectos de envergadura para conseguir mediante modificación genética plantas que fijen el nitrógeno con el fin de mejorar la producción agraria de África. Dos proyectos que están siendo financiados con tal objetivo son ENSA (Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa) . Los dos proyectos se enfocan en la transformación directa del genoma para transferir la capacidad de formar nódulos de las legumbres hacia los cereales. Ambas investigaciones, que se encuentran actualmente en proceso de desarrollo, y sus descubrimientos son libres de derechos de patente.
Otro proyecto financiado por la Fundación Gates para África es una investigación en maíz del Centro John Innes del Reino Unido, que trabaja en la posibilidad de que el cultivo se asocie con bacterias fijadoras de nitrógeno y ofrecer esta tecnología a través de la semilla .
Chile
En el caso de Chile, no hay proyectos públicos de cultivos transgénicos para mejor eficiencia del uso de nitrógeno, pero sí hay un proyecto con financiamiento del Ministerio de Agricultura para eficiencia en el uso del fósforo del suelo en trigo .
El proyecto inició el año 2001 en el Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA), y desarrolló líneas de trigo transgénico con genes provenientes de lupino para mejorar la absorción del fósforo del suelo – nutriente prácticamente inaccesible en los suelos ácidos del sur de Chile para el trigo y otros cultivos, excepto para el lupino, que se usó como fuente de los transgenes. En 2011 el proyecto se trasladó a la Universidad de Concepción donde sigue su desarrollo.
Este es uno de 32 proyectos de desarrollo de cultivos transgénicos realizado o llevado a cabo por entidades públicas chilenas (usando financiamiento público), sin embargo, sin un cambio en la legislación ni voluntad política, ninguno podrá ser aprovechado por los agricultores chilenos .
Perspectivas a futuro
A nivel comercial los dos rasgos dominantes en cultivos transgénicos son la resistencia a insectos y tolerancia a herbicidas. Sin embargo otros como la tolerancia a sequía y biofortificación de nutrientes ya están tomando mayor presencia comercial, y pronto podría unirse la eficiencia de uso de nitrógeno (EUN).
Tres revisiones científicas, en 2007, 2010 y 2012, determinaron de forma independiente que la mejora de la eficiencia y uso del nitrógeno en plantas a través de la biotecnología es una estrategia importante para hacer frente a los crecientes costos, impactos ambientales negativos, y los rendimientos decrecientes de la fertilización nitrogenada .
Con el desarrollo de cultivos con mejor EUN, las preocupaciones ambientales como las anteriormente mencionadas podrían disiparse o al menos reducirse en forma importante. Y esto sería al mismo tiempo que los agricultores aumentan sus rendimientos, disminuyen las pérdidas económicas y ahorran el dinero gastado en insumos y fertilizantes nitrogenados. La ingeniería genética ofrece una buena herramienta para cumplir tal objetivo, y dependerá en gran parte de los marcos regulatorios de cada país si estos avances podrán ser aprovechados por sus propios agricultores, o si su comercialización será retrasada.
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