Madrid, Spain
October 4, 2017
Credit: PIxabay
Some bacteria carry an enzyme called nitrogenase that enables them to grow incorporating nitrogen from air into biomass. Transferring nitrogenase to cereals would keep crop production high while reducing nitrogen fertilization.
Although nitrogen gas is the major component of the atmosphere, it is biologically inactive for plants, fungi and animals. Only some bacteria, called diazotrophs or nitrogen eaters, are able to convert (fix) nitrogen gas into ammonia, which is then used by themselves and other living organisms to grow biomass. Diazotrophs are therefore the primary producers of nitrogen in all ecosystems.
Agricultural systems in developed countries are largely based on cereal crops, which provide about 60% of the energy in our diet. Nitrogen and water availability are the most important factors limiting cereal crop productivity. Unlike legumes, cereals are unable to form symbioses with diazotrophs and their production is tied to the application of nitrogen fertilizers. During the last one hundred years, cereal crop yields have increased by addition of chemically synthesized nitrogen fertilizers at a cost exceeding 100,000 million US$ per year. Pervasive use of nitrogen fertilizers in developed countries have degraded the environment to a situation at times incompatible with animal life in marine ecosystems. In contrast, high cost and limited availability of chemical fertilizers prevent its use by poor farmers, causing poverty and hunger derived from low crop yields.
Diazotrophs use a two-component enzyme called nitrogenase to fix nitrogen. Because plants lack nitrogenase, they cannot “eat” nitrogen gas. The laboratory of Professor Luis Rubio is trying to solve the so-called “nitrogen problem” by transferring nitrogenase genes (nif) to plants. This would generate diazotrophic plants and thus crops much less dependent of chemical nitrogen fertilizers. This is considered as one of the most difficult challenges in plant biotechnology. Because nitrogenase is destroyed by oxygen gas, it has long been assumed that it would not work in cells from plants, animals or fungi, all of which require oxygen to obtain energy. Such incompatibility would be exacerbated in plant cells producing oxygen as result of photosynthesis.
However, a recent study from the Rubio laboratory demonstrated that the most oxygen sensitive component of nitrogenase functions in yeast (a fungi used as model to expedite outputs) as long as it is kept inside mitochondria, an intracellular organelle responsible for oxygenic respiration (López-Torrejón et al. 2016). The Rubio laboratory, together with the laboratory of Professor Christopher Voigt, a world-leading synthetic biologist at the Massachusetts Institute of Technology, has now taken a second step in assembling nitrogenase by transferring 9 nif genes to the genome of yeast and expressing them at controlled levels (Burén et al., 2017). This study proved correct formation of the other nitrogenase component in mitochondria, an essential step of nitrogenase assembly. The study also showed that nitrogenase was not fully functional, and that further bioengineering is needed to obtain active mitochondrial nitrogenase.
The research performed in the Rubio laboratory at the Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas of Universidad Politécnica de Madrid is funded by the Bill & Melinda Gates Foundation and aims to help smallholder farmers in sub-Saharan Africa. Although much bioengineering remains to be done, research carried out at the Rubio laboratory will hopefully contribute to reduce nitrogen fertilization in developed countries and to increase cereal production for farmers in developing countries of Africa and Asia.
Buren, S.; Young, E.M.; Sweeny, E.A.; Lopez-Torrejon, G.; Veldhuizen, M.; Voigt, C.A.; Rubio, L.M.. Formation of Nitrogenase NifDK Tetramers in the Mitochondria of Saccharomyces cerevisiae ACS SYNTHETIC BIOLOGY, 6 (6):1043-1055; 10.1021/acssynbio.6b00371 JUN 2017
López-Torrejón, G; Jiménez-Vicente, E; Buesa, JM; Hernandez, JA; Verma, HK; Rubio, LM. Expression of a functional oxygen-labile nitrogenase component in the mitochondrial matrix of aerobically grown yeast. NATURE COMMUNICATIONS. DOI: 10.1038/ncomms11426.
Hacia la elaboración de cereales capaces de consumir el nitrógeno del aire
Investigadores de la UPM han conseguido avanzar un paso más hacia la transferencia de genes de nitrogenasa a plantas. Esto haría posible, por ejemplo, cereales capaces de crecer gracias a la incorporación del nitrógeno del aire, lo que reduciría la necesidad de fertilización nitrogenada.
En colaboración con un equipo del Massachussetts Institute of TechnologyMassachussetts Institute of Technology (MIT), investigadores del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, CBGP (UPM-INIA), han conseguido transferir y controlar la expresión de 9 genes de nitrogenasa al genoma de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Esto supone un gran logro en el camino hacia la obtención de plantas capaces de captar el nitrógeno del aire para producir biomasa. Aplicado al campo de los cereales, esto contribuirá a reducir la fertilización nitrogenada en los países desarrollados y a aumentar la producción de los agricultores de los países en desarrollo de África y Asia. Esta investigación forma parte de un proyecto financiado por la Fundación Bill & Melinda Gates.
Aunque el nitrógeno es el principal componente de la atmósfera, es biológicamente inactivo para plantas, hongos y animales. Solo algunas bacterias llamadas diazótrofos -o comedores de nitrógeno- son capaces de convertir gas nitrógeno en amoniaco, que luego es utilizado por ellas mismas y otros organismos vivos para crear biomasa. Por lo tanto, en todos los ecosistemas los diazótrofos son los principales productores de nitrógeno biológicamente activo.
En los países desarrollados, los sistemas agrícolas se basan principalmente en cultivos de cereales, que proporcionan alrededor del 60% de la energía en nuestra dieta. La disponibilidad de nitrógeno y agua son los factores más importantes que limitan la productividad de estos cultivos. A diferencia de las leguminosas, los cereales son incapaces de formar simbiosis con diazótrofos y su producción está ligada a la aplicación de fertilizantes nitrogenados. Durante los últimos cien años, los rendimientos de los cultivos de cereales se han incrementado mediante la adición de este tipo de fertilizantes sintetizados químicamente, lo que supone un coste superior a los 100.000 millones de dólares anuales. Además, el uso omnipresente de fertilizantes nitrogenados en los países desarrollados ha degradado el medio ambiente a una situación a veces incompatible con la vida animal en los ecosistemas marinos. Y, por otro lado, el alto coste y la limitada disponibilidad de fertilizantes químicos impiden que sean utilizados por pequeños agricultores de países pobres, lo que provoca hambre y pobreza derivados de los bajos rendimientos de los cultivos.
Los diazótrofos consiguen fijar el nitrógeno del aire gracias a que usan una enzima de dos componentes llamada nitrogenasa. Sin embargo, las plantas carecen de nitrogenasa, de modo que no pueden “comer” nitrógeno. Dotar a las plantas de esta capacidad es el objetivo que persigue el profesor Luis Rubio desde su laboratorio del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, un centro mixto de la Universidad Politécnica de Madrid y el Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria, CBGP (UPM-INIA).
Para resolver el denominado "problema del nitrógeno", el equipo del profesor Rubio trabaja en la transferencia de genes de nitrogenasa (nif) a las plantas. De este modo se pretende generar plantas diazotróficas y, por lo tanto, cultivos mucho menos dependientes de los fertilizantes sintéticos de nitrógeno. Este es, hoy en día, uno de los desafíos más difíciles de la biotecnología vegetal. Debido a que la nitrogenasa es destruida por el oxígeno, se ha asumido desde hace mucho tiempo que no funcionaría en las células de plantas, animales u hongos, puesto que todas ellas usan oxígeno para obtener energía. Tal incompatibilidad sería aún mayor en las células vegetales que producen oxígeno como resultado de la fotosíntesis.
Sin embargo, un resultado reciente del laboratorio del profesor Rubio demostró que el componente más sensible al oxígeno de la nitrogenasa sí que funciona en la levadura - hongo utilizado como modelo para acelerar los resultados.siempre y cuando se mantenga dentro de las mitocondrias, el organelo intracelular responsable de la respiración dependiente de oxígeno. En el nuevo trabajo, desarrollado en colaboración con el profesor del MIT Christopher Voigt, han logrado dar un paso más, ya que han conseguido transferir y controlar la expresión de nueve genes (nif) al genoma de la levadura. Y, además, han demostrado la correcta formación del otro componente de la nitrogenasa en las mitocondrias, lo que supone un avance esencial hacia el ensamblaje total de esta enzima. Finalmente, el estudio también concluyó que la nitrogenasa no era totalmente funcional, y que para obtener la nitrogenasa mitocondrial activa es necesario bioingeniería adicional.
En opinión del profesor Luis Rubio, “aunque aún queda mucho por hacer, esta investigación contribuirá a reducir la fertilización nitrogenada en los países desarrollados y a aumentar la producción de cereales para los agricultores de los países en desarrollo de África y Asia.”
La investigación realizada en el laboratorio del profesor Luis Rubio en el CBGP (UPM-INIA) está financiada por la Fundación Bill & Melinda Gates y tiene como objetivo ayudar a los pequeños agricultores del África subsahariana.
Buren, S.; Young, E.M.; Sweeny, E.A.; Lopez-Torrejon, G.; Veldhuizen, M.; Voigt, C.A.; Rubio, L.M.. Formation of Nitrogenase NifDK Tetramers in the Mitochondria of Saccharomyces cerevisiae ACS SYNTHETIC BIOLOGY, 6 (6):1043-1055; 10.1021/acssynbio.6b00371 JUN 2017
López-Torrejón, G; Jiménez-Vicente, E; Buesa, JM; Hernandez, JA; Verma, HK; Rubio, LM. Expression of a functional oxygen-labile nitrogenase component in the mitochondrial matrix of aerobically grown yeast. NATURE COMMUNICATIONS. DOI: 10.1038/ncomms11426.
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