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Los científicos se apresuran a desarrollar cultivos que puedan soportar noches más cálidas | Medio ambiente


AA medida que el sol se pone afuera con temperaturas en los 80, donde permanecerán la mayor parte de la noche, varias variedades de plantas de arroz en macetas crecen en dos secciones de un invernadero en el techo del Instituto en Biociencias de la Universidad Estatal de Arkansas.

En una sección, la temperatura del invernadero es casi la misma que la temperatura exterior; en el otro, fue elevado por 4C. Aquí, una flor seca y quebradiza cae de una de las plantas, su desarrollo se ve retrasado por el calor.

Esta es la parte más importante del día para Argelia Lorence, profesora de ingeniería metabólica, y el proyecto de investigación de su equipo. Porque si la crisis climática está empujando las temperaturas diurnas a máximos históricos, las nocturnas están aumentando mucho más rápido. Este es un gran problema para los humanos y los animales, a los que les resulta difícil refrescarse por la noche. Pero también es una crisis para las plantas, que tienen menos mecanismos de defensa disponibles durante la noche, lo que representa una gran amenaza para el sistema alimentario mundial.

Dra. Argelia Lorence, profesora de ingeniería metabólica en la Universidad Estatal de Arkansas.
Dra. Argelia Lorence, profesora de ingeniería metabólica en la Universidad Estatal de Arkansas.

“Debido a cómo funciona la fotosíntesis, las plantas necesitan temperaturas más frescas durante la noche. Y hay procesos que ahora están interrumpidos”, dice Lorence.

Cada aumento de 1 °C en las temperaturas nocturnas podría reducir los rendimientos de trigo en un 6 % y los rendimientos de arroz hasta en un 10 %. Las noches más cálidas también pueden afectar la calidad, haciendo que el arroz se vuelva calcáreo y menos apetecible e incluso puede cambiar su composición nutricional.

Lorence y su equipo del Instituto de Biociencias de la Universidad Estatal de Arkansas son parte de una carrera para descubrir cómo crear variedades de arroz, la principal fuente de alimento para miles de millones de personas y un cultivo vital para los agricultores de todo el mundo, que puedan resistir los impactos de un clima que cambia rápidamente.

En 2019, lanzaron un experimento de dos años que aplica estrés por calor a diferentes variedades de cultivos de arroz. Para hacer esto, el equipo construyó seis invernaderos personalizables que les permiten cultivar arroz en condiciones de campo durante el día y generar temperaturas más altas durante la noche. Los invernaderos se construyeron a partir de un kit, ensamblado a partir de piezas «como piezas de lego», incluidas paredes que se deslizan hacia adelante y hacia atrás y un techo que se pliega para exponer las plantas al aire.

Los investigadores plantaron 1.920 paquetes de semillas a mano (320 variedades de arroz en cada invernadero) y esperaron a que las plantas florecieran, lo que Lorence llamó “la etapa de desarrollo más sensible de una planta de arroz”.

Por la noche, durante la fase de floración de dos semanas, un sistema automático elevó la temperatura en tres de los invernaderos en 4 °C en comparación con la temperatura en los otros tres invernaderos de control, que correspondían al exterior. Este calentamiento fue lo suficientemente fuerte como para tener un efecto claro en las plantas, pero no lo suficientemente abrumador como para matarlas a todas instantáneamente.

Izquierda: cultivos de arroz que se calentarán a temperaturas extremas después del anochecer en la Universidad Estatal de Arkansas.  Derecha: La etapa de floración de los cultivos de arroz durante temperaturas extremas al anochecer.
Izquierda: cultivos de arroz que se calentarán a temperaturas extremas después del anochecer en la Universidad Estatal de Arkansas. Derecha: La etapa de floración de los cultivos de arroz durante temperaturas extremas al anochecer.
Lorence y su equipo construyeron seis invernaderos personalizables que les permiten cultivar arroz en condiciones de campo durante el día y generar temperaturas más altas durante la noche.
Lorence y su equipo construyeron seis invernaderos personalizables que les permiten cultivar arroz en condiciones de campo durante el día y generar temperaturas más altas durante la noche. Fotografía: Cortesía de Wency Larazo

Los investigadores se movían hacia y desde el sitio diariamente durante el experimento, abriendo manualmente los techos de plástico por la mañana y cerrándolos por la noche. Al final del verano, en agosto y septiembre, el equipo cosechó 30 000 plantas, que luego se llevaron al campus para que los investigadores analizaran qué variedades funcionaron mejor y por qué.

El laboratorio de Lorence en el estado de Arkansas, que colinda con el río Mississippi, el corazón de la industria arrocera de $6 mil millones del estado, es parte de un proyecto más grande para comprender los impactos de las temperaturas nocturnas en los cultivos llamado Centro de Trigo y Arroz para la Resistencia al Calor (WRCHR, por sus siglas en inglés). , una colaboración que también incluye la Universidad de Nebraska-Lincoln y la Universidad Estatal de Kansas.

Krishna Jagadish, investigador fundador del proyecto WRCHR cuando estaba en el estado de Kansas y ahora profesor en Texas Tech, dijo que una de las razones por las que el aumento de las temperaturas nocturnas puede tener un impacto peor en los cultivos es que las plantas no tienen tantas defensas. mecanismos por la noche. .

Durante el día, pueden usar sus estomas (pequeños poros en la superficie de la hoja) para protegerse del calor, pero la mayoría de ellos están cerrados por la noche, dijo Jagadish. Las plantas tampoco tienen dónde esconderse del calor de la noche, a diferencia del día, cuando la sombra de las copas de los cultivos permite que partes de una planta escapen del calor.

La colaboración en investigación ayuda a desarrollar nuevas variedades de trigo y arroz. “Podemos ponerlos a disposición de los criadores. Y luego los mejoradores pueden poner eso a disposición de los agricultores para que comiencen a incorporarse al suelo”, dijo el agrónomo Harakamal Walia, quien dirige el proyecto en la Universidad de Nebraska-Lincoln.

Su laboratorio tomó imágenes de 400 variedades de arroz, cultivadas individualmente en un invernadero de alta tecnología, en cada etapa de desarrollo y analizó las imágenes para identificar los cambios causados ​​por el estrés por calor. Ya han identificado un gen que regula el ancho del grano en el arroz: archivo1. Las variedades con este gen fueron menos sensibles a las altas temperaturas nocturnas. «Pudieron soportar el peso del grano incluso cuando las noches eran más cálidas», dijo Walia.

El proceso es un poco más complicado en el caso del trigo, que es más difícil de analizar y secuenciar porque tiene seis conjuntos distintos de cromosomas en comparación con los dos del arroz. Ha habido menos investigación para determinar el impacto de las altas temperaturas nocturnas en el trigo y qué rasgos podrían conducir a una mayor resiliencia, dijo Jagadish. Su antiguo laboratorio en Kansas State intentó llenar ese vacío.

Izquierda: un estudiante mide los cultivos de arroz que se calentarán a temperaturas extremas después del anochecer en la Universidad Estatal de Arkansas.  Derecha: Una muestra de arroz sin pulir en la Universidad Estatal de Arkansas.
Izquierda: un estudiante mide los cultivos de arroz que se calentarán a temperaturas extremas después del anochecer en la Universidad Estatal de Arkansas. Derecha: Una muestra de arroz sin pulir en la Universidad Estatal de Arkansas.
Plantas de arroz al anochecer en un invernadero en la azotea del Instituto de Biociencia de la Universidad Estatal de Arkansas.
Plantas de arroz al anochecer en un invernadero en la azotea del Instituto de Biociencia de la Universidad Estatal de Arkansas.

El estado de Kansas, que desarrolló por primera vez los invernaderos utilizados por el equipo de Lorence, los utilizó para realizar experimentos similares con trigo en 2019. El equipo de investigación descubrió que para el trigo cultivado en el campo, el estrés por calor elevado durante la noche resultó en rendimientos más bajos, menor peso del grano y disminución del almidón. y proteína

En Arkansas, el equipo de Lorence ahora está inmerso en el arduo proceso de analizar dos años de datos de sus invernaderos. En cet après-midi de fin juillet, son laboratoire est bondé d’une douzaine de chercheurs, occupés à placer des granulés de riz dans des plateaux pour analyse, à écrire et exécuter des scripts d’analyse d’images ou à arroser des plantes sobre el techo.

Lorence, originaria de México, ha reunido un equipo internacional de científicos. La fisióloga de cultivos y estudiante de doctorado Cherryl Quiñones de Filipinas está estudiando cómo la vitamina C podría ayudar a las plantas a ser más resistentes. Kharla Méndez, una estudiante de doctorado que, al igual que Quiñones, llegó al estado de Arkansas desde su Filipinas natal, examina cómo el azúcar y el almidón también podrían ofrecer protección adicional a las plantas. Y Karina Medina, una posdoctorada en biotecnología de México y jefa del laboratorio, está utilizando imágenes robóticas de semillas de arroz para comprender cómo las temperaturas nocturnas más altas afectan su peso, tamaño y calidad.

Cherryl Quiñones, estudiante de doctorado en la Universidad Estatal de Arkansas, mide la vitamina C que capturó en 2020.
Cherryl Quiñones, estudiante de doctorado en la Universidad Estatal de Arkansas, mide la vitamina C que capturó en 2020.

Mientras sus investigadores recopilan sus datos, Lorence se los envía a Gota Morota, genetista de Virginia Tech, quien realiza análisis para aislar genes que parecen estar correlacionados con la resistencia del arroz a las altas temperaturas nocturnas.

WRCHR espera que las variedades, los genes y los fenotipos que aísla puedan ser utilizados por los mejoradores de arroz y trigo para crear nuevas variedades de cultivos, que luego pueden transmitirse a los agricultores para mantener sus campos produciendo a su máxima capacidad, incluso cuando aumentan las temperaturas.

Los investigadores esperan que los mejoradores puedan combinar genes resistentes a una serie de factores estresantes, no solo a las altas temperaturas nocturnas, sino también a la sequía, la salinidad y otros, para crear variedades de arroz y trigo que puedan sostener el suministro mundial de alimentos. constante a medida que los efectos de la crisis climática continúan empeorando.

Los efectos de las altas temperaturas nocturnas en el arroz ya están aquí. Una intensa ola de calor que asoló Bangladesh en abril de 2021 destruyó decenas de miles de hectáreas de arrozales, lo que afectó a 300 000 agricultores y provocó pérdidas por casi 40 millones de dólares.

El panel de diversidad consta de 320 variedades diferentes de arroz de todo el mundo.
El panel de diversidad consta de 320 variedades diferentes de arroz de todo el mundo.

“Cuando observamos partes de Bangladesh o el este de la India, estas combinaciones de factores estresantes y [high night-time temperatures] solo han estado sucediendo durante más de una década y media”, dijo Nese Sreenivasulu, investigador del Instituto Internacional de Investigación del Arroz, que también estudia los efectos de las altas temperaturas nocturnas en el arroz. La investigación de Sreenivasulu encontró que Bangladesh y el sur y el este de la India ya son vulnerables al aumento de las temperaturas diurnas y nocturnas.

«Estas tensiones que afectan el rendimiento y la calidad de los cultivos serán cada vez más frecuentes», dijo Medina, gerente del laboratorio estatal de Arkansas. «Debemos actuar ahora para desarrollar las variedades que necesitaremos en el futuro».

El trabajo para comprender y desarrollar estos cultivos tolerantes al calor apenas ha comenzado. «Estamos empezando a descubrir qué genes pueden ayudarnos a producir mejores cultivos en el futuro», dijo Lorence. «Todavía hay muchos genes por descubrir, muchos mecanismos por entender».

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