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Kathryn Gamble

Cambio Climático

Si el mundo quiere seguir comiendo, necesita edición genética e IA

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El cambio climático amenaza con reducir drásticamente el rendimiento de los cultivos que actualmente sustentan a una gran parte de la población. Dado que las técnicas agrícolas no pueden mejorar mucho más, se vuelve urgente encontrar variedades y características más resistentes

  • por Adam Piore | traducido por Ana Milutinovic
  • 22 Julio, 2019

En una muy fría mañana de marzo en Ames (Iowa, EE. UU.), los extensos campos de maíz de las afueras de la ciudad estaban enterrados bajo una capa de par de centímetros de hielo y nieve. Pero dentro de las cámaras de cultivo a medida en el campus de la Universidad Estatal de Iowa hacía calor y humedad.

Las luces deslumbrantemente brillantes estaban enfocadas hacia tres cajas, cada una con cerca de 3.200 kilogramos de tierra, hundidas a 1,5 metros bajo el suelo. El constante movimiento de los ventiladores para garantizar la circulación del aire y las temperaturas uniformes en toda la habitación hacía eco. Un conjunto de termómetros infrarrojos y sensores de humedad controlaban el microclima que rodeaba las hojas de las plantas.

Dentro de estas cámaras de crecimiento, está el futuro. Pero al amable agrónomo que dirige el Laboratorio Nacional de Agricultura y Medio Ambiente del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), Jerry Hatfield, no le gusta lo que ve.

"O cambiamos los cultivos que producimos o tendremos que pensar en cómo manipularlos genéticamente para darles una mayor resistencia a las temperaturas más altas".

Hace tres años, Hatfield usó las cámaras de crecimiento para averiguar cómo se desarrollarían los cultivos locales a las temperaturas previstas para la región en 2100, ya que se espera que aumenten aproximadamente 4 °C de media. Simuló una temporada de crecimiento, del 1 de abril al 30 de octubre, para tres variedades diferentes de maíz populares entre los agricultores en el área. En una cámara, Hatfield comenzó con una temperatura de aproximadamente 10 °C para simular las condiciones a principios de abril, luego la elevó a más de 38 °C para simular los calurosos días de verano bajo las condiciones esperadas para 2100, y luego la volvió a bajar para el otoño. En una segunda cámara, simuló las condiciones climáticas actuales de la región, que son más frías.

Las diferencias entre las plantas en las dos cámaras eran evidentes. Aunque las hojas parecían iguales, el impacto de esos 4 °C adicionales fue mucho peor que el prevén los estudios científicos más pesimistas. El número de mazorcas por planta se desplomó, en algunos casos hasta un 84 %. Algunas plantas no produjeron ni una sola mazorca.

Dentro de cámaras de crecimiento como esta, las plantas se cultivarán en condiciones simuladas.

Foto: Dentro de cámaras de crecimiento como esta, las plantas se cultivarán en condiciones simuladas. Créditos: Kathryn Gamble

Aquel fue solo el primero de una serie de resultados alarmantes. En los meses siguientes, Hatfield y sus colegas simularon el aumento de las temperaturas y la alteración de los patrones de lluvia que se espera que afecten los campos de trigo de Salina (Kansas, EE. UU.) en 2050. Los rendimientos cayeron hasta un 30 % con precipitaciones escasas y hasta un 70 % bajo la combinación de altas temperaturas y escasas precipitaciones que se espera en las próximas décadas.

Hasta la fecha, a los agricultores estadounidenses no les ha costado demasiado resistir al cambio climático. Al fin y al cabo, con los modelos más optimistas, hasta el 2050 se los rendimientos proyectados en EE. UU.  para el maíz y de la soja aumentarán. Estas especies ocupan el 75 % de las tierras cultivables del medio oeste del país. Este aumento se producirá gracias al clima más cálido que beneficiará al norte que, normalmente, es relativamente frío. Pero al final, si Hatfield tiene razón, los rendimientos caerán bruscamente, arruinando a los agricultores y dejando a gran parte del mundo con más hambre.

Para el 2050, se espera que la población mundial llegue a los 9.700 millones. A medida que los niveles de vida y la alimentación mejoren en todo el mundo, la producción de alimentos tendrá que aumentar en un 50 % en un momento en el que el cambio climático hará que tanto África subsahariana como el este de Asia sean incapaces de satisfacer sus propias necesidades sin importaciones. El maíz y la soja de EE. UU. ya representan el 17 % de la producción de calorías del mundo. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO, por sus siglas en inglés) prevé que las exportaciones estadounidenses de maíz se deben casi triplicar para 2050 para cubrir el déficit, mientras que las exportaciones estadounidenses de soja deberían aumentar en más del 50 %. Toda esta comida extra debe ser cultivada sin aumentar demasiado el uso de la tierra. Eso significa que el aumento deberá centrarse en el rendimiento: la productividad del cultivo.

Y eso es lo que tiene tan preocupado a Hatfield. Un creciente cuerpo de estudios científicos sugiere que es probable que el cambio climático diezme los rendimientos. La única opción para evitarlo consiste en encontrar nuevas formas de ayudar a las plantas a enfrentarse las sequías, las grandes oscilaciones de la temperatura y otros fenómenos meteorológicos extremos que probablemente se conviertan en algo común en las próximas décadas.

El científico alerta: "Si no hacemos algo, veremos importantes caídas en la producción en las grandes áreas del Cinturón de maíz y las grandes llanuras de EE. UU.. O cambiamos los cultivos que producimos o tendremos que pensar en cómo manipularlos genéticamente para obtener una mayor resistencia a las temperaturas más altas.

El fin de los Goldilocks

Lo que está claro es que las terribles predicciones se repiten. A principios de la década de 1970, los líderes mundiales estaban tan preocupados por que el aumento de la población, la creciente contaminación y el incremento de los precios de los alimentos crearan una grave crisis alimentaria a comienzos del siglo XXI que la ONU convocó una conferencia en Roma (Italia). "Queda poco tiempo. Es crucial actuar de forma urgente y sostenida", declararon los estados miembros después de la conferencia, en 1975.

Así que, en los años que siguieron, los cultivos de alto rendimiento, un mayor uso del riego, la mecanización de granjas y la introducción de fertilizantes sintéticos y pesticidas dieron lugar a la "Revolución Verde", que incrementó drásticamente la producción agrícola en muchos lugares del mundo.

Pero ahora el aumento del crecimiento ha comenzado a disminuir. El agua es escasa en muchas áreas, lo que limita una mayor expansión del riego. Y es difícil imaginar usar más fertilizantes y pesticidas. El economista de la Universidad de Stanford (EE. UU.) especializado en cambio climático Marshall Burke afirma: "Ya no sabemos si podremos seguir inventando nuevas tecnologías y prácticas de gestión que permitan que la productividad satisfaga la demanda, Pero las condiciones climáticas seguramente lo harán mucho más difícil".

Además, el calentamiento global ya empieza a notarse. En 2011, el economista de la Universidad de Columbia (EE. UU.) Wolfram Schlenke  y el ecólogo de Stanford David Lobell analizaron qué pasó con los rendimientos de los cultivos a medida que las temperaturas aumentaron entre 1980 y 2008. Encontraron que la producción mundial de maíz (excluyendo Estados Unidos) cayó 3,8 % y la producción de trigo cayó 5,5 % en relación con lo que hubiera sido de otro modo. El aumento de días y noches cálidos explica aproximadamente la mitad de la variación en el rendimiento del maíz. Las temperaturas más altas influyen hasta cierto punto, entre aproximadamente 10 °C y 29 °C, pero si suben más de eso los rendimientos se desploman.

Para tener una idea del impacto que esto podría causar sobre el precio global de los alimentos, Schlenker sugiere ver lo que sucedió en 2012, la última vez que el medio oeste de Estados Unidos experimentó un verano con temperaturas comparables a las que los climatólogos estiman que se convertirán en la norma a finales de siglo. La producción de maíz de esta región cayó un 25 % y la de soja un 10 %. Eso representa una caída de entre el 4 % y el 5 % en la producción global del total de calorías, unas condiciones en las que podemos esperar que los precios de los alimentos aumenten hasta un 30 %, afirma él.

Las plantas en la cámara serán monitoreadas de cerca por un conjunto de sensores. Los científicos del USDA miden cómo cada planta lo hace bajo las diversas condiciones.

Foto: Las plantas de la cámara son controladas de cerca por un conjunto de sensores. Los científicos del USDA analizan cómo evoluciona cada planta en las diversas condiciones. Créditos: Kathryn Gamble

Sin embargo, a pesar de unos años malos, los agricultores del medio oeste de EE. UU. llevan décadas disfrutando de un aumento de la productividad sin preocuparse por el futuro. El país dispone de una zona "Goldilocks" (término utilizado para las regiones potencialmente habitables de los exoplanetas) con buena temperatura, humedad y precipitaciones. Debido al cambio climático, la mitad de Estados Unidos se ha ido acercando a ella, destaca el exdirector del programa de ciencia del clima del estado de Iowa, Gene Takle.

El mayor cambio en Iowa hasta la fecha ha sido el aumento de las precipitaciones en abril, mayo y junio: de casi un 25 % en las últimas tres décadas. Esta lluvia adicional, causada por la interacción de los patrones de viento con el calentamiento de las aguas en el Golfo de México, ha obligado a los agricultores a gastar más dinero en tubos de drenaje y similares para adaptarse, y ha movido el período de la temporada de siembra. Pero el resultado de los avances tecnológicos y el tiempo más favorable es que los rendimientos han aumentado un 28 % en todo el medio oeste. Takle detalla: "Hay bastante consenso sobre a que el cambio climático ha sido favorable para la agricultura hasta este punto".

Pero estas tendencias se revertirán; aunque los expertos no coinciden en exactamente cuándo. Takle cita un modelo que muestra que la tendencia positiva en la productividad se invertirá en 2035, lo que hará desaparecer todos los beneficios experimentados desde 1981. Y desde ese momento, los rendimientos no harán más que seguir cayendo. El experto afirma: "Ahora mismo, estamos en la cúspide".

Recientemente, presentó un estudio lleno de gráficos coloridos y puntos destacados, que detallaban el impacto del cambio climático en la agricultura local hasta la fecha, con los aspectos positivos en verde y los negativos en rojo. Entre los puntos rojos: más plagas sobrevivieron al invierno y el suelo inundado redujo la cantidad de días que los agricultores podían trabajar en los campos. (En 2013, el noroeste de Iowa tenía  283.000 hectáreas que no se podían trabajar por esa razón). Pero también había muchos puntos de color verde.

Luego había otros gráficos que mostraban cómo sería la situación en 2050. En esa página del estudio no había ningún punto verde, solo una larga lista de color rojo. Las intensas lluvias de primavera harán que el trabajo de campo al principio de la temporada sea más difícil, opina Takle. Habrá más inundaciones; el día más caluroso será unos 4 °C más cálido. Al menos cada dos años veremos un período de cinco días en el que el calor extremo impedirá la polinización del maíz y la soja y que el crecimiento vegetativo se detenga. "Se acercan muchos problemas", subraya el investigador.

Nueva genética

El trabajo de Hatfield se centra en controlar el impacto de las condiciones ambientales en los agricultores del país e identificar posibles soluciones. Hace poco destacó una larga lista de preocupaciones. El insecto Halyomorpha halys (o chinche apestoso marrón) apareció en EE. UU. a finales de la década de 1990 y, a medida que aumenten las temperaturas en los próximos 30 años, se expandirá hasta Canadá, dañando una amplia variedad de cultivos. El Amaranthus palmeri (amaranto de Palmer), una maleza resistente a herbicidas que vive en microclimas concretos y que hasta ahora ha amenazado principalmente los cultivos de soja y algodón en el sur, también se propagará hacia el norte y se volverá universal.

Luego está la creciente salinidad del suelo en Dakota del Norte y del Sur (EE. UU.), que podría inutilizar partes importantes de terrenos en menos de una década si las tendencias actuales continúan. El problema es que el tiempo tan cambiante y los incentivos financieros variables provoca que los agricultores de ambos estados que tradicionalmente han cultivado trigo, remolacha azucarera, heno y colza, se están pasando al maíz y la soja cada vez más. Pero estos nuevos cultivos son poco adecuados para sus lluviosas primaveras, que provocan que el nivel freático se eleve y se evapore, dejando atrás la sal que daña el suelo.

Hatfield está convencido de que ninguna solución política o cambio en las prácticas por sí solo será suficiente para superar los límites naturales de las plantas y los extremos climáticos que se avecinan. Por eso ha decidido recurrir a la genética avanzada.

En los próximos meses, planea repetir su experimento simulando futuras temporadas de crecimiento. Pero esta vez examinará con precisión cómo afectan las condiciones climáticas la activación y desactivación de ciertos genes del maíz y el trigo. Espera poder identificar formas de controlar estos interruptores a nivel molecular para ayudar a las plantas a adaptarse a las condiciones del futuro.

Son los primeros días del trabajo en maíz, trigo y soja. Pero en otros cultivos, los agricultores han identificado adaptaciones y las han aprovechado para resolver los desafíos planteados por el cambio climático. Algunos de los más exitosos se han encontrado en las áreas de cultivo de arroz de todo el mundo.

El arroz puede tolerar un cierto grado de inundación e incluso puede beneficiarse de él, porque la inundación elimina las malezas. Siempre que los tallos de arroz estén parcialmente por encima del agua, las plantas pueden absorber el aire que necesitan. Pero si las partes superiores de las plantas están sumergidas, pueden morir.

"¿Quiere seguir comiendo en el futuro? Porque eso es lo que está en juego. Tendremos que resolverlo, porque no hay otra opción"

En 2006, los investigadores clonaron un gen llamado Sub1 en una variedad de arroz local del sur de Asia. El gen confiere al arroz "tolerancia de inmersión". Cuando la planta está bajo el agua, el gen se activa y la pone en suspenso. El gen se apaga en cuanto la parte superior del arroz vuelve a estar por encima del agua. A diferencia de algunas propiedades que aumentan la tolerancia al estrés, el gen Sub1 no parece reducir mucho los rendimientos cuando no hay inundaciones, y cuando las hay, la planta continúa creciendo con mayor vigor, explica la profesora de cultivo y genética de plantas de la Universidad de Cornell (EE. UU.) Susan McCouch.

En 2009, el Instituto Internacional de Investigación del Arroz insertó esta característica en ocho variedades de arroz y comenzó su distribución entre los agricultores. Actualmente la utilizan 10 millones de agricultores, en aproximadamente 10 millones de hectáreas de terreno.

¿Quiere seguir comiendo?

Aunque para el maíz no se ha encontrado nada comparable a la resistencia al agua del arroz, las compañías comerciales de semillas han estado cultivando cepas resistentes a la sequía durante más de una década. El jefe de I+D de la división de ciencia de cultivos de Bayer, Robert Reiter, explica cómo la compañía busca cepas resistentes. Primero, digitaliza la información de la secuencia de ADN y registra rasgos conocidos para varios millones de líneas de plantas. Con esos datos entrena a algoritmos de aprendizaje automático para detectar millones de otras cepas con propiedades útiles.

Por ejemplo, Bayer ha incorporado rasgos de cepas tolerantes al calor y resistentes a la sequía en México en otras cepas de alto rendimiento adaptadas al mercado estadounidense. Reiter afirma que durante una sequía de 2012 en el medio oeste de EE. UU., los rendimientos fueron más del doble que en 1988, la última vez que se produjo una sequía de gravedad comparable.

Pero el enfoque tiene sus límites. Reiter detalla: "Las plantas solo pueden tolerar un cierto nivel de estrés, y el tiempo es un factor importante. Si las temperaturas son extremadamente altas durante el proceso de floración, eso influirá en el rendimiento... Lo mejor que podemos hacer es tratar de minimizar ese impacto".

Hatfield espera superar algunas de estas limitaciones con sus simulaciones de las futuras condiciones de crecimiento. Espera que puedan ayudar a identificar vías genéticas desconocidas que podrían servir a las plantas para adaptarse a futuros cambios climáticos y a las condiciones de crecimiento.

Es un rompecabezas complejo en el que no hemos hecho más que empezar a trabajar. Y Hatfield señala que es difícil tener en cuenta la combinación de factores que probablemente enfrentarán los agricultores del medio oeste, incluidos los cambios en los patrones de precipitaciones, el calor extremo, los cambios bruscos del tiempo, toda una serie de nuevas plagas y desafíos que aún no hemos previsto. Pero tiene claro por qué lo hace. El investigador concluye: "¿Quiere seguir comiendo en el futuro? Porque eso es lo que está en juego. Tendremos que resolverlo, porque no hay otra opción".

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