Exploración del impacto de las características de las plantas en la eficiencia del uso del nitrógeno en el maíz

Un nuevo estudio revela cómo un modelo computacional puede replicar con precisión los efectos de la fertilización con nitrógeno en el maíz, proporcionando información que puede servir de base para futuras estrategias de mejoramiento que mejoren la eficiencia en el uso del nitrógeno.

El nitrógeno es esencial para crecimiento y desarrollo de las plantas y es un componente clave de las enzimas involucradas en fotosíntesisEstá directamente relacionado con el rendimiento de los cultivos y el contenido de proteínas en los granos.

En general, una mayor fertilización con nitrógeno produce un aumento en el rendimiento de los cultivos. Sin embargo, la aplicación excesiva de nitrógeno puede provocar su lixiviación hacia los sistemas hídricos, lo que causa eutrofización y floraciones de algas nocivas, además de aumentar las emisiones de gases de efecto invernadero. El uso elevado de fertilizantes también genera mayores costos para los productores.

Por lo tanto, la eficiencia con la que las plantas utilizan el nitrógeno es especialmente importante.

La eficiencia del uso del nitrógeno está determinada por dos factores principales: la cantidad de nitrógeno que una planta puede absorber del suelo (absorción) y la eficacia con la que la planta utiliza ese nitrógeno para el crecimiento y la productividad (eficiencia de uso fisiológico). La arquitectura, la anatomía, la fisiología, la genética y las condiciones ambientales de las plantas desempeñan un papel importante en eficiencia en el uso de nitrógeno lo que sugiere que los cambios en estas áreas podrían mejorarla. Sin embargo, actualmente nuestra comprensión de las contribuciones relativas de estos rasgos a la eficiencia es limitada. Obtener una mejor comprensión es esencial para identificar en qué rasgos centrarse en los programas de mejoramiento destinados a mejorar la eficiencia del uso del nitrógeno.

Jie Lu, investigador postdoctoral de la Universidad de Wageningen y de Investigación, y sus colegas publicaron recientemente un artículo en in silico Plants detallando su enfoque para cuantificar las contribuciones de los rasgos arquitectónicos y fisiológicos a la eficiencia del uso del nitrógenoEn su estudio, utilizaron un modelo vegetal funcional-estructural para simular los efectos de la fertilización con nitrógeno en maíz con características variadas.

Los modelos funcionales y estructurales de plantas son herramientas computacionales avanzadas que se utilizan para simular la arquitectura y la fisiología de una planta, lo que permite a los investigadores visualizar y predecir cómo se desarrollan las plantas en diversas condiciones. Al ajustar diferentes factores en el modelo, los científicos pueden explorar escenarios que pueden ser difíciles o imposibles de probar en la vida real, como condiciones climáticas extremas o cambios en rasgos específicos. Esto los ayuda a comprender cómo responden las plantas a los cambios, lo que conduce a estrategias más efectivas para mejorar el crecimiento y la eficiencia.

Los autores ampliaron una modelo funcional-estructural de planta existente mediante la inclusión de procesos de plantas y suelos relacionados con la absorción de nitrógeno y la eficiencia fisiológica.

Después de confirmar que el nuevo modelo predijo con precisión los cambios en las variables de interés (absorción de nitrógeno, rendimiento y eficiencia fisiológica) en diferentes cultivares y condiciones ambientales comparando sus predicciones con los valores medidos, los investigadores lo utilizaron para identificar los rasgos fisiológicos y arquitectónicos que afectan esas variables.

Lo lograron ajustando los valores de catorce características de a una por vez y realizando simulaciones para ver qué características tenían el mayor impacto en las variables de interés en condiciones de fertilización con nitrógeno alto y bajo. Las características que examinaron incluyeron el transporte de nitrógeno de las raíces, el diámetro de las raíces, la cantidad de raíces, la densidad de tejido, la cantidad de hojas y la fotosíntesis.

Las simulaciones indicaron que los efectos que tenían los diferentes rasgos sobre las variables de interés eran variables y complejos. Por ejemplo, los rasgos arquitectónicos de las raíces, como el diámetro y el número de raíces, tenían una mayor influencia en la absorción de nitrógeno que los rasgos fisiológicos como la capacidad de la raíz para absorber nitrógeno, particularmente en condiciones de bajo nitrógeno. Los cambios en el número de hojas no tuvieron impacto en la absorción de nitrógeno, el rendimiento o la eficiencia fisiológica. El filocrono, que es el tiempo entre la aparición de las hojas, mejoró la absorción de nitrógeno y la eficiencia fisiológica. No tuvo efecto en el rendimiento en condiciones de bajo nitrógeno ni en ninguna de las variables en condiciones de alto nitrógeno. Del mismo modo, la fotosíntesis no afectó la absorción de nitrógeno, el rendimiento o la eficiencia fisiológica.

Este modelo es el primer paso para identificar los rasgos que serían más eficaces para mejorar la eficiencia del uso del nitrógeno mediante el mejoramiento. Sin embargo, se necesita más trabajo para comprender mejor cómo interactúan los rasgos, lo que puede ser bastante complejo. Por ejemplo, aumentar la absorción de nitrógeno impulsa la fotosíntesis, lo que a su vez mejora la acumulación de biomasa. Este aumento de la biomasa crea un sumidero de nitrógeno más grande, ya que se almacena más nitrógeno en los tejidos de las plantas, lo que en última instancia conduce a mayores aumentos en la absorción de nitrógeno. Puede obtener más información leyendo Mecanismos de origen y sumidero del transporte y uso del nitrógeno de Tegeder y Masclaux-Daubresse.

Afortunadamente, estas preguntas se podrán abordar en futuras versiones del modelo y con datos experimentales adicionales, avanzando aún más en los esfuerzos para desarrollar maíz con una mayor eficiencia en el uso del nitrógeno.

LEE EL ARTÍCULO:

Jie Lu, Tjeerd Jan Stomph, Guohua Mi, Lixing Yuan, Jochem Evers, Identificación y cuantificación de la contribución de las características de la planta de maíz a la absorción y utilización de nitrógeno mediante el modelado de plantas, in silico Plants, Volumen 6, Número 2, 2024, diae018, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae018

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Este modelo está disponible gratuitamente en https://git.wur.nl/lu068/cn-maize.