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Utilizan tecnología médica y forjan alianzas globales para impulsar aumentos de la productividad agrícola

January 9, 2017
Ulrich Schurr (left), of Germany’s Forschungszentrum Jülich research center and chair of the International Plant Phenotyping Network (IPPN), and Matthew Reynolds, wheat physiologist of the International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT), are promoting global partnerships in phenotyping to improve critical food crops, through events like the recent International Crop Phenotyping Symposium. Photo: M.Listman/CIMMYT

Ulrich Schurr (izquierda), del Centro de Investigación Alemán de Jülich y presidente de la Red Internacional de Fenotipeado de Plantas (IPPN), y Matthew Reynolds, fisiólogo de trigo del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT), promueven alianzas internacionales de fenotipeado a fin de mejorar cultivos alimentarios básicos, mediante eventos como el reciente Simposio Internacional de Fenotipeado de Plantas. Foto: M.Listman/CIMMYT

EL BATÁN, México (CIMMYT)―Las redes internacionales de investigación tienen que superar las tendencias nacionalistas y proteccionistas para poder proporcionar los avances tecnológicos que el mundo necesita con urgencia, expresó un reconocido científico alemán durante la reciente reunión que celebraron en México 200 expertos en agricultura procedentes de más de 20 países.

“Los graves problemas que la agricultura enfrenta para lograr la seguridad alimentaria y una mejor nutrición ante el cambio climático solo se podrán solucionar mediante comunidades mundiales que intercambian conocimientos y productos; una perspectiva nacionalista no producirá resultados”, expresó Ulrich Schurr, director del Instituto de Bio- y Geociencias del Centro de Investigación Jülich, en su intervención durante el 4o Simposio Internacional de Fenotipeado de Plantas.

Una de esas comunidades es la Red Internacional de Fenotipeado de Plantas (IPPN), presidida por Schurr, la cual, junto con el Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT) con sede en México, co-organizó el simposio realizado en diciembre.

Sensores médicos modificados ayudan a los fitomejoradores a observar las plantas como nunca antes
“El fenotipeado consiste en aplicar tecnología nueva de alto rendimiento —que incluye imágenes satelitales, cámaras aéreas y sensores multiespectrales montados en vehículos robotizados— al antiguo arte de medir las características y el comportamiento de las líneas de mejoramiento de maíz, trigo y otros cultivos, explica Schurr.

“Durante milenios, los agricultores domesticaron los cultivos alimentarios básicos seleccionando y utilizando semilla de plantas individuales que poseían características deseables, como grano más grande y de mejor calidad”, continúa. “La ciencia ha ayudado a los fitomejoradores modernos a agilizar el proceso, pero aún tienen que pasar interminables horas en el campo observando las plantas experimentales. Las tecnologías de fenotipeado los ayudan a expandir su capacidad de observación y el número de líneas que procesan cada año”.

“Se adaptaron aparatos y protocolos de escaneo, utilizados originalmente en la medicina humana o la ingeniería, para realizar el fenotipeado y, al principio, éste solo se hacía en laboratorios y otras condiciones controladas”, según Schurr.

“Comenzó a utilizarse en el campo hace cerca de cinco años, con la llegada de dispositivos no invasivos de alto rendimiento y debido a la demanda de datos de campo para dilucidar la genética de características complejas como el rendimiento o la tolerancia al calor y la sequía”, agrega.

Hace menos de 10 años, Schurr podía contar con los dedos de una mano el número de instituciones que realizaban fenotipeado. “Hoy en día, la IPPN tiene 25 miembros oficiales y trabaja con 50 instituciones e iniciativas a nivel internacional.”

Cameras and other sensors mounted on flying devices like this blimp [remote-control quadcopter] provide crop researchers with important visual and numerical information about crop growth, plant architecture and photosynthetic traits, among other characteristics. Photo: Emma Quilligan/CIMMYT

Las cámaras y otros sensores colocados en artefactos voladores como este dirigible proporcionan a los fitomejoradores información visual y numérica importante acerca del crecimiento y la arquitectura de las plantas y sus características fotosintéticas, entre otras características. Foto: E. Quilligan/CIMMYT

Muchas maneras de observar las plantas y su crecimiento

El así llamado fenotipeado “profundo” utiliza tecnologías como imágenes de resonancia magnética, emisión de positrones y tomografía computarizada para identificar, medir y entender las partes, los sistemas y los procesos “invisibles” de las plantas, incluidas las raíces y la captura y distribución del agua.

En ambientes controlados como los laboratorios e invernaderos, los investigadores utilizan sistemas automatizados y de simulación medioambiental para seleccionar fuentes de características valiosas y para entender mejor la fisiología subyacente de las plantas que normalmente está oculta debido a la variación que existe en los campos, según Schurr.

“Varios especialistas que asistieron a nuestro simposio describieron sistemas de laboratorios automatizados que se usan para observar y analizar raíces, así como sistemas de invernadero que se utilizan para evaluar la geometría de los vástagos de las plantas, la acumulación de biomasa y la fotosíntesis”, explica. “Posteriormente, éstos se vinculan con modelos de simulación de cultivos y marcadores de ADN de genes de características importantes”.

Schurr explica que el mejoramiento y la agricultura de precisión son apoyados por el uso de cámaras y otros sensores que toman lecturas por encima de las plantas y los surcos en el campo.

“Se utilizan dispositivos portátiles o que se adaptan a vehículos robotizados autónomos”, dice, y agrega que es posible observar las plantas con luz normal y luz infrarroja u otros tipos de radiación que son reflejados por las plantas o el suelo.

“Los sensores también pueden ser montados en dispositivos aéreos como drones, dirigibles, helicópteros o aviones. Esto permite abarcar áreas más grandes y un número mucho mayor de plantas en menos tiempo del que los mejoradores necesitan para observar visualmente las plantas en el campo”.

En el futuro cercano, se utilizarán minisatélites equipados con sensores de luz visible de alta resolución para captar y compartir imágenes aéreas de parcelas de mejoramiento, y recolectar datos en el campo, indicaron los participantes del simposio.

Traer tecnologías de altos vuelos a la tierra
Como normalmente ocurre con las tecnologías y los enfoques nuevos de investigación, el fenotipeado aplicado a la investigación y el fitomejoramiento promete generar grandes beneficios, pero antes habrá que solucionar varios problemas, como convertir imágenes a información numérica, manejar datos masivos y diversos, crear una interface eficaz con el análisis genómico y lograr convencer a los mejoradores escépticos.

“Las demandas de la fitotecnia son diversas —identificar características nuevas, realizar estudios de recursos genéticos e integrar diversidad útil en líneas utilizables, elegir los mejores progenitores para las cruzas y seleccionar las mejores variedades en el campo, por mencionar algunas”, explica Schurr. “Desde el punto de vista de los mejoradores, existe la oportunidad de ayudar a crear métodos nuevos y las estadísticas que se necesitan para realizar el potencial de la tecnología de fenotipeado.”

Se está buscando colaboración para realizar análisis genómicos. “En los estudios, las regiones genómicas relacionadas con características importantes como la fotosíntesis suelen ser definidas como ‘absolutas’, sin tener en cuenta que los diferentes genes podrían tener alguna función, dependiendo de, por ejemplo, la hora del día en que se toma la lectura”, señaló Schurr. “Mediante el fenotipeado podemos obtener información sobre dichos fenómenos, ya que describe la misma cosa desde distintos ángulos”.

En su intervención durante el simposio, Greg Rebetzke, científico geneticista desde 1995 de la Organización para la Investigación Industrial y Científica de la Mancomunidad de Australia (CSIRO), dijo que la aplicación eficaz en el mejoramiento comercial de la “fenómica” —término utilizado por algunas personas para describir la aplicación del fenotipeado de alto rendimiento en el campo— es, más bien, una cuestión de qué y dónde, y no de cómo.

“Esto es de particular interés en el mejoramiento de caracteres genéticamente complejos como la tolerancia a la sequía”, explica Rebetzke. “La fenómica permite a los mejoradores seleccionar muchas más plantas en generaciones tempranas de selección y los ayuda a obtener más diversidad genética potencialmente útil. Este enriquecimiento genético con alelos clave en las primeras etapas aumenta de manera significativa la posibilidad de identificar líneas superiores en las etapas de selección subsecuentes y más costosas, lo cual se hace normalmente en muchos diferentes ambientes.”

Además, en tanto que el mejoramiento convencional generalmente utiliza observaciones “instantáneas” de las plantas en diferentes etapas de crecimiento, la tecnología del fenotipeado puede proporcionar datos en series temporales detalladas y de cómo éstas responden a su entorno —por ejemplo, condiciones con buen riego versus condiciones de sequía— y en una mayor superficie y diversidad de parcelas y campos.

El fenotipeado ya está siendo llevado de la investigación académica al desarrollo y uso en el sector comercial, según Christoph Bauer, líder de tecnologías de fenotipeado de KWS, una empresa alemana mejoradora y comercializadora de semilla de diversos cultivos alimentarios.

“Necesitamos de seis a ocho años de premejoramiento y mejoramiento para poner nuestros productos en el mercado”, dijo Bauer en su presentación durante el simposio. “En ese proceso, el fenotipeado puede ser esencial para distinguir las ‘estrellas’ de las ‘superestrellas’”.

Según Schurr, también están surgiendo proveedores comerciales de la tecnología del fenotipeado, y esto ayudará a garantizar su robustez, el uso de las mejores prácticas y la alineación con las necesidades de los clientes del sector académico y la industria agrícola.

“La colaboración de académicos, proveedores comerciales y compañías semilleras ofrece una excelente vía para cosas como realizar análisis conjuntos de la variación genotípica en el dominio precompetitivo o ensayar tecnologías de vanguardia”, agrega.

Durante la última mañana del simposio, los participantes se dividieron en grupos para tratar temas especiales, incluidos la rentabilidad del fenotipeado de alto rendimiento y su uso para analizar los recursos fitogenéticos, la medición de raíces, el diagnóstico del crecimiento reproductivo, la necesidad de la tecnología de los sensores, la integración de datos fenotípicos en el modelado de cultivos y la colaboración público-privada.

Schurr dijo que organizaciones como el CIMMYT desempeñan un papel fundamental. “El CIMMYT realiza mejoramiento relevante para millones de productores de maíz y de trigo —muchos de ellos de pequeña escala— que viven en zonas de poco interés para las grandes compañías, y además apoya a los programas nacionales de investigación y a los productores locales y regionales de semilla que abastecen a esos productores”, agrega Schurr. “El Centro opera también plataformas de fenotipeado en todo el mundo para encontrar características como la tolerancia al calor y resistencia a enfermedades y, además, disemina conocimientos y tecnología sin costo”.

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