I ricercatori della New York University hanno identificato una proteina che agisce come un segnale di arresto molecolare per l’assorbimento di azoto nelle piante, una scoperta che potrebbe eventualmente fornire ai coltivatori un obiettivo genetico per lo sviluppo di colture che utilizzano i fertilizzanti in modo molto più efficiente. Lo studio, pubblicato su The Plant Cell, è incentrato su un fattore di trascrizione chiamato HHO5.
Come funziona HHO5 come freno all'azoto
Il team della New York University ha scoperto che l'HHO5 comunica alla pianta quando ha assorbito abbastanza azoto e può smettere di prenderne di più dal terreno. Quando i livelli di azoto nella pianta raggiungono una soglia, l'espressione di HHO5 aumenta e innesca una cascata di cambiamenti genetici a valle che di fatto spengono il meccanismo di assorbimento. La proteina risponde specificamente all'azoto organico, la forma utilizzata dalle piante per il trasporto, lo stoccaggio e la sintesi a lunga distanza- degli aminoacidi essenziali per la nutrizione umana.
"Identificando regolatori genetici sensibili a diversi livelli e tipi di azoto, abbiamo scoperto un fattore regolatore che controlla l'uso dell'azoto e una chiave per migliorare l'assorbimento e l'assimilazione dell'azoto nell'azoto organico nelle piante", ha affermato Gloria Coruzzi, professoressa di Carroll e Milton Petrie presso il Dipartimento di Biologia e Centro di Genomica e Biologia dei Sistemi della New York University e co-autrice senior dello studio.
Perché l’efficienza dell’azoto nelle piante è importante per i fertilizzanti
Le colture a livello globale utilizzano solo circa il 30-50% del fertilizzante azotato applicato ai campi. Il resto fuoriesce nei corsi d’acqua sotto forma di deflusso di nitrati o entra nell’atmosfera come protossido di azoto, un gas serra circa 300 volte più potente dell’anidride carbonica per unità. Migliorare l’efficienza nell’uso dell’azoto a livello di impianto è uno dei percorsi più diretti per ridurre sia i costi dei fertilizzanti che i danni ambientali.
Gli approcci attuali per migliorare l'efficienza nell'uso dell'azoto si concentrano principalmente sul lato del suolo: rivestimenti-a rilascio lento, inibitori della nitrificazione e tempi di applicazione precisi. La scoperta dell'HHO5 apre un percorso complementare prendendo di mira il cablaggio normativo dell'impianto. Se gli allevatori riuscissero a modificare l’aggressività con cui l’HHO5 interrompe l’assorbimento di azoto, le colture potrebbero potenzialmente estrarre più azoto dal terreno prima che il freno si attivi, riducendo la quantità di fertilizzante inutilizzato lasciato indietro.
Dalla scoperta in laboratorio all'applicazione sul campo
Il gruppo di ricerca ha scoperto che diverse forme di azoto avevano effetti distinti sui livelli di espressione di HHO5. L’azoto inorganico, la forma assorbita direttamente dal fertilizzante, ha innescato un modello di risposta diverso rispetto all’azoto organico. Questa distinzione è importante perché suggerisce che il percorso di segnalazione è sufficientemente sfumato da consentire agli allevatori di perfezionarlo-senza interrompere altri processi metabolici.
La New York University ha depositato una domanda di brevetto che copre la ricerca e il suo potenziale utilizzo nel migliorare l’efficienza dell’uso dell’azoto nelle piante. L'università non ha rivelato discussioni sulla licenza, ma il brevetto segnala un intento commerciale.
La scoperta arriva in un momento in cui i costi dei fertilizzanti azotati sono elevati a livello globale. Secondo i dati USDA, i prezzi al dettaglio dell'urea negli Stati Uniti erano in media di 594 dollari per tonnellata all'inizio di agosto e sono diminuiti solo modestamente rispetto ai picchi di metà anno dovuti all'interruzione dello Stretto di Hormuz. Qualsiasi miglioramento genetico che consenta alle colture di estrarre più valore da ogni tonnellata di azoto applicato influenzerebbe direttamente l’economia agricola.
Un campo in crescita nella ricerca sull’efficienza dell’azoto
Il lavoro della New York University si inserisce in un’ondata più ampia di ricerca sull’efficienza dell’azoto. Uno studio della Purdue pubblicato a luglio ha identificato un interruttore genetico che controlla la fissazione dell'azoto nei semi di soia, mentre i ricercatori della Washington State University hanno riferito a maggio che i geni che fissano l'azoto- potrebbero essere trasferiti tra ceppi batterici. Aziende tra cui Pivot Bio, Intrinsyx Bio e Kula Bio stanno commercializzando approcci microbici alla fissazione biologica dell'azoto.
Ciò che distingue la scoperta dell’HHO5 è la sua attenzione alla segnalazione propria della pianta piuttosto che al microbioma del suolo. Si rivolge a un punto di controllo normativo che esiste in tutte le piante, non solo nei legumi, il che significa che qualsiasi miglioramento potrebbe teoricamente applicarsi alle principali colture di cereali, tra cui mais, grano e riso.
Tuttavia, tradurre la scoperta di un fattore di trascrizione in una varietà di coltura commerciale richiede in genere un decennio o più. Il valore immediato sta nel fornire agli scienziati delle piante un target genetico specifico e ben-caratterizzato su cui lavorare mentre ricercano varietà che forniscono più cereali per unità di azoto applicato.
