• Los investigadores han identificado el factor StCDF1 como un regulador clave del uso del nitrógeno en la patata, que influye tanto en la absorción de nitratos como en el desarrollo del tubérculo.
• La inactivación del gen StCDF1 en cultivares modernos de patata permite aumentar la conversión de nitrato en nitrito, un paso esencial para la asimilación del nitrógeno.
• Este descubrimiento allana el camino para el desarrollo de variedades de patata de alto rendimiento y más eficientes en el uso del nitrógeno.

En un mundo en el que la seguridad alimentaria se ve cada vez más amenazada por el cambio climático y el crecimiento demográfico, los investigadores recurren a soluciones genéticas para mejorar la resistencia de los cultivos. Un reciente estudio dirigido por Salomé Prat, investigadora del CSIC en el CRAG, ha desvelado hallazgos pioneros sobre el papel del gen StCDF1 en la eficiencia del uso del nitrógeno en la patata (Solanum tuberosum), alimento básico de millones de personas.

El estudio, publicado en New Phytologist en colaboración con el grupo de Christian Bachem, de la Universidad de Wageningen (WUR), amplía el papel de StCDF1 más allá de su función, hasta ahora conocida como regulador central de la tuberización diurna. La formación de tubérculos es una estrategia adaptativa de las plantas de patata para sobrevivir al invierno y se desencadena cuando la duración del día es más corta y las temperaturas más frías son percibidas por la planta como la llegada del invierno.

Maroof Ahmed Shaikh, primer autor del estudio, señala: “La integración de estas señales ambientales favorece la formación de tubérculos.  Estos órganos permanecen latentes en el suelo durante el invierno y despiertan en primavera para formar una nueva planta. A menudo notamos este despertar en casa cuando las patatas más viejas empiezan a brotar”.

En las patatas silvestres, la formación de tubérculos depende estrictamente de los días cortos. Sin embargo, los cultivares modernos llevan mutaciones en un locus llamado earliness que les permite escapar a este estricto control. Esta adaptación se produjo tras la introducción de la patata en Europa, dando lugar a variedades de maduración temprana que portan una o más copias de estos alelos. Estas mutaciones de origen natural aumentan la estabilidad del factor StCDF1, un actor clave en la vía de la duración del día que modula la expresión de SP6A, miembro de la familia FLOWERING LOCUS T y principal señal de tuberización.

Mejora de la utilización del nitrógeno mediante innovaciones genéticas

Los resultados revelan que StCDF1 no sólo actúa como regulador de la vía de tuberización, sino que también controla directamente la expresión de varios genes implicados en la asimilación y el transporte de nitrógeno. Mediante una combinación de estudios de unión al ADN y de expresión génica, los investigadores observaron que StCDF1 se une a la región promotora de la Nitrato reductasa (StNR), una enzima que cataliza el paso que limita la velocidad de reducción del nitrato dentro de la célula. Sorprendentemente, las patatas poseen una sola copia del gen StNR, a diferencia de la mayoría de las plantas, que tienen varias copias, lo que les permite una mayor eficiencia en la utilización del nitrato.

La investigación empleó técnicas avanzadas, como la DAP-seq (purificación y secuenciación por afinidad del ADN), para identificar las dianas directas de StCDF1. Este método reveló picos de reconocimiento de ADN en varios genes sensibles al nitrógeno.

Las líneas knock-down de StCDF1, que redujeron los niveles de transcripción, mostraron un mejor rendimiento en condiciones de limitación de nitrógeno debido a la falta de represión de StNR. Con StCDF1 silenciado, las plantas de patata podían expresar más StNR, lo que conducía a una mejor utilización del nitrógeno. Además, el descubrimiento de polimorfismos en la región reguladora del StNR indica que estas variaciones genéticas pueden haber evolucionado en los primeros cultivares de patata como mecanismo compensatorio, ayudando a estas plantas a adaptarse a los efectos adversos de la estabilización del StCDF1, mejorando así su capacidad de asimilación del nitrógeno.

Salomé Prat destacó la importancia de estos hallazgos: "La novedad de nuestra investigación radica en que hemos descubierto el doble papel de StCDF1 en la regulación tanto de la tuberización como de las vías de asimilación del nitrógeno. Este conocimiento revela nuevas dianas genéticas y moleculares para mejorar la utilización del nitrógeno en la patata”.

Implicaciones para la agricultura sostenible

Las implicaciones de esta investigación son profundas y contribuyen al objetivo más amplio de la agricultura sostenible. El estudio proporciona dianas moleculares que pueden utilizarse para la obtención de variedades de patata climáticamente inteligentes que requieran menos aportes de nitrato para una producción elevada de tubérculos. Los fitomejoradores podrían aprovechar estos conocimientos para desarrollar variedades de patata menos dependientes de los fertilizantes químicos.

En conclusión, este estudio no sólo enriquece nuestra comprensión de la biología de la patata, sino que también sirve como rayo de esperanza para la agricultura sostenible, demostrando el poder de la ciencia de las plantas para hacer frente a los desafíos globales. Aprovechando los avances genéticos, el sector agrícola puede avanzar hacia prácticas más resistentes y respetuosas con el medio ambiente, garantizando la seguridad alimentaria de las generaciones futuras.

Artículo de referencia

Maroof Ahmed Shaikh, Lorena Ramírez-Gonzales, José M. Franco-Zorrilla, Evyatar Steiner, Marian Oortwijn, Christian W.B. Bachem, Salomé Prat. StCDF1: A “jack of all trades” clock output with a central role in regulating potato nitrate reduction activity. New Phytologist, https://doi.org/10.1111/nph.20186

Sobre los autores y la financiación del estudio

Este trabajo ha contado con el apoyo del proyecto ERA CAPS HotSol financiado por el Consejo de Investigación Holandés (proyecto 849.13.001 del NWO), el proyecto FlowerPot y la ayuda financiera de la División de Ciencias de la Tierra y de la Vida ALW del NWO. Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención nº 862858. Maroof Ahmed Shaikh ha recibido un contrato predoctoral del proyecto ADAPT en virtud del acuerdo de subvención n.º 862858. Lorena Ramírez-Gonzales recibió una beca del FONDECYT-CONCYTEC, Lima, Perú (beca no. 090-2016-FONDECYT). El trabajo en el grupo de José M. Franco-Zorrilla fue financiado por la beca PID2020-119451GB-I00 del Ministerio de Ciencia e Innovación de España.

Sobre New Phytologist

New Phytologist es una revista internacional líder centrada en la investigación original de alta calidad en el amplio espectro de las ciencias de las plantas, desde los procesos intracelulares hasta el cambio medioambiental global. La revista es propiedad de la New Phytologist Foundation, una organización sin ánimo de lucro dedicada a la promoción de las ciencias de las plantas.