Madrid, Spain
March 16, 2012
Dr. Luis Rubio of the Center for Plant Biotechnology and Genomics (CBGP) at the Technical University of Madrid has been awarded a grant from the Bill & Melinda Gates Foundation to develop nitrogen-fixing cereals. The research program under the NFIX acronym has a $3 million funding for a period of 52 months. Guided by the belief that every life has equal value, the foundation focuses on improving people’s health and giving them the chance to lift themselves out of hunger and extreme poverty. NFIX charitable purpose is to introduce biological nitrogen fixation in cereals to increase productivity of Sub-Saharan Africa and South Asia small farmers while preserving the environment.
Crop productivity heavily depends on nitrogen availability to the plant. In some crops, such as legumes, symbiotic biological nitrogen fixation acts as natural fertilizer by providing nitrogen needed for plant growth. On the other hand, because major cereal crops are unable to form symbioses with nitrogen-fixing bacteria, their field yields are generally increased by addition of chemically synthesized nitrogen fertilizers. The extensive use of commercial nitrogen fertilizers in developed countries poses enormous environmental threats that must be addressed. In contrast, the cost of chemical fertilizers is prohibitive for poor farmers, and they are scarcely used in most of Africa resulting in poverty and hunger derived from very low crop yields.
Dr. Rubio, who has also been awarded the prestigious European Research Council Starting Grant for his studies on nitrogen fixation biochemistry, has now the opportunity of applying the basic science developed in his laboratory. The long-term goal of his research is to increase cereal crop productivity by engineering plants to fix their own nitrogen. “The knowledge gained in our nitrogenase biosynthesis studies immediately brings back the traditional challenge of transferring active nitrogenase enzyme to higher organisms and, specifically, to crop plants. At this point, our understanding of nitrogenase biosynthesis and our analytical capability are deep enough as to carefully control this transfer and interpret and respond to the challenges that will be found during the process of the engineering cereals to fix nitrogen”, Rubio said.
Gates Foundation endorsement of research carried out at the laboratory of Prof. Rubio is supportive of CBGP strategies. CBGP is a research center with a label of excellence devoted to the study of plants and associated microorganisms; its mission is to carry out the most advanced research aimed at understanding plant function and contributing to fulfill the needs of the economic agents within the agriculture, forestry, and environment productive sectors. CBGP seeks to attract and nurture frontier research programs.
CBGP hosts other scientists long involved in nitrogen fixation research, such as Professors Juan Imperial and Tomás Ruiz Argüeso. “One frequently hears that everything is known about nitrogen fixation from the application point of view. It is said that since it was discovered in 1888, this subject has been sufficiently studied to take advantage of its potential in agriculture. It could be the truth in the case of legumes and the use of selected inocula, but there are many other aspects to be considered in view of new knowledge. We can then ask ¿is there a future for nitrogen fixation research? We can reply yes, and we must continue with its study based on the necessity of a) increasing food security due to the evolution of the population and the change of food habits; b) diminishing the use of nitrogen fertilizers due to their economic and environment cost; and c) maintaining natural ecosystems”, Ruiz Argüeso said.
It is important to note that the annual cost of nitrogen fertilizers in the farming system worldwide reaches $80 billion plus the costs associated to negative environmental impacts. “In comparison to current agricultural practices that make heavy use of nitrogen fertilization, obtaining nitrogen-fixing cereals would lower the environmental impact of intensive agricultural practices moving them towards more sustainable practices”, said Prof. Juan Imperial, CBGP’s Deputy Director and expert in nitrogen fixation.
Luis M. Rubio is an Assistant Professor at the Center for Plant Biotechnology and Genomics of the Technical University of Madrid. He obtained his BS and PhD in Biology from the University of Seville. He gained international recognition as world leader in the field of nitrogenase biochemistry during his nine-year stay at the University of Wisconsin-Madison and the University of California-Berkeley. In 2008, he was awarded a Starting Grant from the European Research Council and returned to Europe bringing along some members of his UC-Berkeley group and establishing a new laboratory at the CBGP. Currently, he leads an international group of scientists with research interests in nitrogenase biochemistry and the improvement of biological hydrogen production by altered forms of nitrogenase.
El Profesor Luis Rubio, del CBGP, recibe una subvención para desarrollar fijación de nitrógeno en cereales
El Dr. Luis Rubio, del Centro de Biotecnología y Genómica de plantas (CBGP) de la Universidad Politécnica de Madrid, ha recibido una subvención de la Fundación Bill & Melinda Gates para desarrollar fijación de nitrógeno en cereales. El programa de investigación, bajo las siglas NFIX, tiene una financiación de 3 millones de dólares para un período de 52 meses. Guiada por la creencia que cada vida tiene el mismo valor, la Fundación se centra en mejorar la salud de las personas y darles la oportunidad de salir por si mismas del hambre y la pobreza extrema. El fin caritativo de NFIX es introducir la fijación biológica de nitrógeno en los cereales para aumentar la productividad de los pequeños agricultores del África Subsahariana y Asia Meridional y preservar, al mismo tiempo, el medio ambiente.
La productividad de los cultivos depende enormemente de la disponibilidad de nitrógeno para la planta. En algunos cultivos, como los de leguminosas, la fijación biológica simbiótica de nitrógeno actúa como fertilizante natural aportando el nitrógeno necesario para el crecimiento vegetal. Por otro lado, dado que los principales cultivos de cereales son incapaces de formar simbiosis con las bacterias que fijan nitrógeno, sus rendimientos son generalmente incrementados mediante la adición de fertilizantes nitrogenados de síntesis química. El uso extensivo de fertilizantes comerciales nitrogenados en los países desarrollados plantea enormes amenazas ambientales que deben abordarse. En contraste, el costo de los fertilizantes químicos es prohibitivo para los campesinos pobres, y son poco utilizados en la mayor parte de África trayendo como consecuencia la pobreza y el hambre derivados del muy bajo rendimiento de las cosechas.
El Dr. Rubio, quien también ha sido galardonado con el prestigioso Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación por sus estudios sobre la bioquímica de la fijación de nitrógeno, tiene ahora la oportunidad de aplicar la ciencia básica desarrollada en su laboratorio. El objetivo de su investigación a largo plazo es aumentar la productividad de las cosechas de cereales mediante la ingeniería de plantas para lograr que fijen su propio nitrógeno. "Los conocimientos adquiridos en nuestro estudio sobre la biosíntesis de la nitrogenasa traen inmediatamente a colación el tradicional problema de la transferencia de enzima nitrogenasa activa a organismos superiores y, concretamente, a plantas de cultivo. En este momento, nuestro conocimiento de la biosíntesis de la nitrogenasa y nuestra capacidad de análisis son lo suficientemente profundos como para llevar un control minucioso de esta transferencia e interpretar y responder a los desafíos que se encontrarán durante el proceso de manipulación para que los cereales fijen nitrógeno", dijo Rubio.
El respaldo de la Fundación Gates a las investigaciones llevadas a cabo en el laboratorio del Profesor Rubio apoya las estrategias del CBGP, un centro de investigación con etiqueta de Excelencia que está dedicado al estudio de las plantas y microorganismos asociados. La misión del CBGP es llevar a cabo la investigación más avanzada orientada a entender el funcionamiento de la planta y contribuir a satisfacer las necesidades de los agentes económicos en agricultura, ingeniería de montes y los sectores productivos relacionados con el medio ambiente. El CBGP busca atraer y fomentar programas de investigación en la frontera del conocimiento.
El CBGP acoge a otros científicos involucrados desde hace tiempo en la investigación sobre la fijación de nitrógeno, como los Profesores Juan Imperial y Tomás Ruíz Argüeso. "A menudo se escucha decir que se sabe todo acerca de la fijación del nitrógeno desde el punto de vista aplicado. Se dice que desde que fue descubierta en 1888, este tema ha sido lo suficientemente estudiado como para aprovechar su potencial en agricultura. Y podría ser verdad en el caso de las leguminosas y el uso de determinados inóculos, pero hay muchos otros aspectos que deben considerarse a la vista de los nuevos conocimientos. Entonces podemos preguntarnos ¿existe futuro para la investigación en fijación de nitrógeno? Podemos contestar que sí, y tenemos que continuar con su estudio basado en a) incrementar la seguridad alimentaria como consecuencia de la evolución de la población y el cambio de hábitos alimentarios; b) disminuir el uso de fertilizantes nitrogenados debido a su coste económico y medioambiental; y c) mantener los ecosistemas naturales", dijo Ruíz Argüeso.
Es importante señalar que el costo anual de fertilizantes nitrogenados en el sistema agrícola mundial alcanza los 80.000 millones de dólares más los gastos asociados a las consecuencias ambientales negativas. "En comparación con prácticas agrícolas actuales que hacen uso intensivo de fertilización con nitrógeno, la obtención de cereales que fijan nitrógeno reduciría el impacto ambiental de las prácticas agrícolas intensivas, desviándolas hacia prácticas más sostenibles", dijo el Profesor Juan Imperial, Subdirector del CBGP y experto en fijación del nitrógeno.
Luis M. Rubio es Profesor Contratado Doctor en el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas de la Universidad Politécnica de Madrid. Obtuvo su licenciatura y doctorado en Biología por la Universidad de Sevilla. Ganó reconocimiento internacional como líder mundial en el campo de la bioquímica de la nitrogenasa durante sus nueve años de estancia en la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad de California-Berkeley. En 2008 se le concedió una subvención Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación y regresó a Europa trayendo consigo algunos miembros de su grupo de la Universidad de California en Berkeley y estableciendo un nuevo laboratorio en el CBGP. Actualmente dirige un grupo internacional de científicos con intereses en la investigación de la bioquímica de la nitrogenasa y el aumento de la producción biológica de hidrógeno mediante formas alteradas de la nitrogenasa.
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