LA AGRICULTURA DEL CONOCIMIENTO

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Diógenes Infante Herrera

21/9/2017

Ilustración de Ada Peña

Ilustración de Ada Peña

La Biotecnología Aplicada a la Producción Agrícola

A la memoria de Elizabeth Gámez Bolívar

 

Y conoció Adán a su esposa Eva, la cual concibió y dio a luz a Caín, y dijo: He adquirido varón por voluntad de Jehová. Y después dio a luz a su hermano Abel. Y fue Abel pastor de ovejas. Y Caín fue labrador de la tierra.

Génesis, Capítulo 4

 

Los Orígenes

Los inventos más importantes en toda la historia de la humanidad fueron la utilización del fuego y la agricultura.

La utilización del fuego permitió a nuestros antepasados cocer los alimentos, con lo que la capacidad de asimilar la comida aumentó enormemente.  De esta forma nuestros ancestros fueron más eficientes en el aprovechamiento de lo que consumían y pudieron dedicar parte del tiempo a otras acciones, como desarrollar otras herramientas, vestimentas y actividades culturales. Hay que destacar que el cambio en el patrón de alimentación fue fundamental para que unos monos que vivían en árboles y se alimentaban de frutas fueran desarrollando un cerebro mucho más grande y poderoso, que los fue dotando de muchas habilidades. Nuestro cerebro consume 25% de la energía utilizada por nuestro cuerpo.

La invención de la agricultura permitió obtener nuestra alimentación de una manera segura y abundante, así nuestros antepasados ya no tenían que dedicarse a la caza y a la recolección de manera sistemática.  Este cambio permitió el establecimiento de asentamientos permanentes y la división del trabajo, con lo cual empezamos a tener civilización tal como la conocemos.

El fuego nos hizo humanos y la agricultura nos civilizó.

Una reacción química que está al comienzo de todo

El agua y el dióxido de carbono  ( CO2 )  no reaccionan de manera natural, esa reacción química tiene una barrera energética que impide su realización.  La prueba es una botella de agua gasificada; la podemos dejar todo el tiempo que queramos y el agua y el CO2 nunca van a reaccionar.  Sin embargo, unos bichitos aprendieron hace muchísimos años a utilizar la energía del sol para realizar esa reacción química, otrora imposible:

La fotosíntesis utiliza la energía solar para producir azúcar y oxígeno a partir de agua y dióxido de carbono.

La fotosíntesis utiliza la energía solar para producir azúcar y oxígeno a partir de agua y dióxido de carbono.

Es decir, la fotosíntesis utiliza la energía solar para producir azúcar a partir del agua y del dióxido de carbono, además genera el oxígeno que respiramos.  Todo lo demás viene después.  Por ejemplo, el petróleo es la fotosíntesis de hace millones de años, convertida en hidrocarburos, compuestos de carbono de largas cadenas, donde queda almacenada esa energía.

No todas las plantas tienen el mismo tipo de fotosíntesis, existen básicamente tres tipos según el intermediario en el que se fija el CO2: la C3, la C4 y la CAM.  En la fotosíntesis C3 se fija mediante un intermediario de 3 carbonos, en la C4 son 4 carbonos y en las CAM la absorción del CO2 se realiza de noche y la fotosíntesis de día. Hay más diferencias entre estos tipos de fotosíntesis, pero no vienen al caso. La fotosíntesis C4 es un 33% más eficiente que la C3 y es mucho más eficiente que la CAM. La CAM es fundamentalmente una adaptación de las plantas que viven en ambientes extremos, como los desiertos, ya que permite ahorrar agua. Son plantas CAM los cactus, los agaves y Furcraea.  Una planta C4 es el maíz, que tiene una altísima productividad por hectárea comparada con plantas C3 como el arroz y el trigo. Investigaciones actuales están buscando introducir la fotosíntesis C4 en el arroz, que daría como resultado una mayor productividad de este cereal, ya que aprovecharía mejor la luz solar.  Los retos son grandes para esto.

 

De Caín y Abel al Siglo XXI

Durante buena parte de nuestra historia hubo una mayor proporción de seres humanos que vivía en el campo que la gente que vivía en las ciudades; los del campo son en general dedicados a la agricultura y a la ganadería.  Sin embargo, hace unos pocos años esta relación cambió y hoy en día hay más gente que vive en las ciudades que gente que vive en el campo a nivel mundial. Esto quiere decir que la proporción de seres humanos que produce la comida es menor que la proporción de seres humanos que consume alimentos. Esto tiene varias consecuencias, una de las cuales es que necesitamos ser mucho más eficientes en la producción de alimentos para poder compensar con este desbalance. También está el hecho de que la superficie destinada a la agricultura es finita, mientras que la población crece exponencialmente.

Por otra parte, desde el comienzo de la agricultura esta ha tenido un enorme impacto en el ambiente, ya que ha implicado la deforestación de las selvas y bosques, la erosión de los suelos, la substitución de la diversidad biológica por monocultivos, lo cual tiene grandes impactos en todos los ecosistemas del planeta.

Durante el siglo pasado la agricultura estuvo basada en el uso intensivo de productos agroquímicos que aumentaron el rendimiento de esta actividad de una manera exponencial, pero con consecuencias nocivas al ambiente y la salud humana.

Por lo tanto, es necesario aminorar impacto negativo de la agricultura, lo que hace necesario cambios importantes y profundos en la manera como se elabora nuestra comida. Esto implica la utilización de nuevas tecnologías para producir más y de modo más eficiente. Es decir, se requiere implementar nuevas formas de cultivar las plantas para la agricultura.

El nuevo concepto es el de considerar la agricultura como un ecosistema que es manejado por el hombre, tomando en cuenta todos sus componentes, comenzando por el suelo, los otros componentes son plantas que tienen un mejor desempeño y microorganismos que al interactuar con los cultivos les aportan beneficios y actúan como mecanismos de defensa contra el ataque de patógenos.  

Para las plantas existen tres factores que son preponderantes: la genética, el clima y las condiciones de siembra. Controlar estas tres características en un ambiente que puede ser cerrado, donde las condiciones de cultivo, iluminación, alimentación y ambiente son monitoreadas constantemente, hace surgir un nuevo concepto, la biofábrica.  Una biofábrica puede servir para producir las plantas que luego son utilizadas para las plantaciones agrícolas o para elaborar directamente los productos que van al consumidor.  La biofábrica puede estar ubicada incluso dentro de la ciudad y ser manejada por robots.

Lo que no es igual no es trampa

Muchas de las plantas que utilizamos para nuestra alimentación, o para productos industriales, se propagan de manera asexual, agámica, utilizando estacas, estolones o hijuelos (rizomas).  Este sistema reproductivo fue considerado durante muchos años que producía clones, es decir plantas que eran genéticamente idénticas a la planta madre.  Esta característica se asumió justificando que la reproducción sexual genera diversidad y la asexual no. Sin embargo, esto nunca fue demostrado, se estableció, y todavía se tiene, como una verdad absoluta. Hasta que llegó la biología molecular a estudiar el asunto.

Existen una multitud de huellas genéticas en el ADN que funcionan como huellas dactilares, pero a nivel molecular. Estas huellas o marcadores moleculares generan mucha información. Uno de estos marcadores son los AFLP, por Amplification Fragment Length Polimorphism, o polimorfismo del largo de los fragmentos amplificados. Estos marcadores, muy populares hace algunos años, generan una gran cantidad de bandas de ADN que forman un patrón, bandas que eventualmente se pueden correlacionar con alguna característica. Sin embargo, en una utilización básica, nos permiten realizar estudios de diversidad genética, es decir comparando los patrones de bandas podemos saber cuán parecidos, o emparentados, son dos organismos. Mientras más relacionados, más bandas comunes deben tener. Por lo tanto, si la reproducción asexual genera clones, estos tienen que tener los patrones de bandas de AFLP idénticos.

El Henequén

El henequén (Agave fourcroydes) es un agave que se siembra por su fibra en México y Cuba, es una planta pentaploide, es decir con 5 juegos de cromosomas, que produce flores y semillas que no son viables, producto de ese número impar de cromosomas.  Es por eso que el henequén en las plantaciones se propaga fundamentalmente mediante rizomas o hijuelos, tallos subterráneos de los cuales emerge una nueva planta, asociada a la planta madre.

Cuando hicimos un estudio de diversidad genética en el henequén, utilizando los marcadores AFLP, nos encontramos con la gran sorpresa de que al comparar los patrones de plantas madres y plantas hijas derivadas de rizomas, los patrones eran distintos, cuando debían ser iguales. Mi primera impresión fue que algo había debido andar mal, ya que la teoría decía que los patrones tenían que ser iguales.  Sin embargo, repetí el experimento teniendo cuidado en todos los pasos y utilicé como control desarrollar varias veces los marcadores con la misma muestra, con lo cual descartaba que fuera un artefacto producto del mal uso de la técnica. Pudimos entonces comprobar que los patrones de AFLP eran diferentes entre plantas madres y plantas hijas, sin embargo, eran idénticos en el caso de la misma muestra.  Esto nos permitió demostrar que se introduce diversidad genética durante la reproducción asexual.

Este descubrimiento nos permitió realizar un proceso de selección entre plantas de una población propagada clonalmente, donde demostramos que las plantas hijas conservaban las características superiores de las plantas madres, además de patrones de AFLP similares y finalmente pudimos desarrollar un proceso de mejoramiento genético para plantas propagadas asexualmente.

A.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de 5 muestras de ADN de la misma planta. Cada grupo de bandas corresponde a una combinación específica de AFLP. Son 4 combinaciones en total.

A.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de 5 muestras de ADN de la misma planta. Cada grupo de bandas corresponde a una combinación específica de AFLP. Son 4 combinaciones en total.

B.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de ADN de la planta madre (M) y 5 hijuelos de rizomas (R1, R2, R3, R4, R5). Los patrones de AFLP se conservan en las muestras de la misma planta y son diferentes comparando la planta madre y las plantas hijas, demostrando la introducción de variabilidad genética durante la reproducción asexual.

B.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de ADN de la planta madre (M) y 5 hijuelos de rizomas (R1, R2, R3, R4, R5). Los patrones de AFLP se conservan en las muestras de la misma planta y son diferentes comparando la planta madre y las plantas hijas, demostrando la introducción de variabilidad genética durante la reproducción asexual.

Propagación in vitro

Las plantas que presentan reproducción sexual normalmente se propagan por semillas, sin embargo, las de reproducción asexual se propagan por otros medios, estacas, estolones, rizomas. Para estas últimas existen distintas metodologías para la propagación masiva in vitro, es decir en el laboratorio. Hay dos técnicas fundamentales: 1.- la organogénesis, en la cual un meristemo sirve para generar nuevas plantas mediante un proceso esencialmente artesanal, utilizando un medio definido y 2.- la embriogénesis somática, un proceso en el cual un tejido vegetal es primero convertido en un callo, que son un grupo de células indiferenciadas, que luego son llevados a desarrollar embriones, que debido a su origen a partir de una célula somática, se denominan embriones somáticos, los cuales se desarrollan originando plantas. Este ambos procesos son automatizable.

Las plantas propagadas mediante embriogénesis somática presentan muchas ventajas:

  1. Mayor Productividad: Las plantas propagadas in vitro tienen un mejor desempeño en el campo, ya que crecen más rápido y de tamaño más homogéneo, lo cual les da ventajas a la hora de cosechar. Además, requieren un menor uso de fertilizantes.

  2. Condiciones sanitarias mejoradas: Las vitroplantas están libres de virus, hongos y bacterias, lo que implica un menor uso de pesticidas en las plantaciones. Menos pesticidas y menos fertilizantes bajan los costos y mejoran las condiciones ecológicas.

  3. Suministro constante de plantas: El uso de vitroplantas hace posible obtener de manera rápida y en toda época del año grandes cantidades de plántulas. Esta disponibilidad facilita el manejo de la plantación.

  4. Pero lo más importante es que tienen una mayor productividad.

 

La Yuca (Manihot esculenta, Crantz)

Según la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación), la yuca es un cultivo de primera importancia para la alimentación mundial dada su alta productividad, con la ventaja de crecer y producir en suelos pobres. La yuca es un arbusto originario de la selva tropical suramericana, que desarrolló la capacidad de acumular almidón en sus raíces, almacenando energía en un entorno altamente competitivo. Los suelos de las selvas tropicales son extremadamente pobres muy a pesar de lo exuberante de la vegetación, ya que la selva es un sistema que se mantiene a sí mismo, basado en unas condiciones ambientales constantes de temperatura y humedad, con alta radiación solar y sistemas altamente eficiente de reciclado de nutrientes.

La yuca se propaga asexualmente mediante estacas, que normalmente se producen utilizando el tallo al cosechar las raíces. Esto implica que se recicla el material vegetal, con lo cual se reciclan también virus y bacterias que pudieran estar presentes, además del hecho de que dicho material está envejecido, ya que puede ser sembrado y resembrado por muchísimas generaciones.

La consecuencia es que no se llega a los muy altos niveles de producción de que es capaz, a pesar de que actualmente la yuca es el cultivo que puede producir más almidón por hectárea. Según la FAO, los rendimientos mundiales de la yuca están en el orden de 8-13 Tm/Ha, tal como podemos observar en la Figura 2. En el caso de Venezuela los rendimientos están en 12.200 Kg/ha y en Ecuador entre 4 y 5.000 Kg/Ha.

Con el fin de masificar la producción de yuca, trabajamos en el desarrollo de un proceso de embriogénesis somática para la propagación in vitro de la yuca.

En la siguiente figura se describe gráficamente el proceso de embriogénesis somática en yuca, tomado del trabajo que realicé con Elizabeth Gámez y Mayra Osorio.

 

Diferentes etapas en el desarrollo de plantas de yuca mediante embriogénesis somática.  (A) Callo embriogénico friable (B) Embriones somáticos. (C) Embriones germinados. (D) Aclimatación en turba. (E) Plantas de siete meses en potes. (F) Plantas de 11 meses en el campo.

Diferentes etapas en el desarrollo de plantas de yuca mediante embriogénesis somática.  (A) Callo embriogénico friable (B) Embriones somáticos. (C) Embriones germinados. (D) Aclimatación en turba. (E) Plantas de siete meses en potes. (F) Plantas de 11 meses en el campo.

Una vez cosechadas las plantas micropropagadas los rendimientos obtenidos se presentan en la siguiente gráfica

 

Rendimiento por hectárea de la yuca micropropagada en la primera prueba de campo. El rendimiento promedio de la yuca en Venezuela es de 12.200 Kg/Ha

Rendimiento por hectárea de la yuca micropropagada en la primera prueba de campo. El rendimiento promedio de la yuca en Venezuela es de 12.200 Kg/Ha

 

Podemos observar que en el caso de clon 56F obtuvimos un rendimiento de 57.600 Kg/Ha que al compararlo con el rendimiento promedio en Venezuela de 12.2000 Kg/Ha nos da un incremento del 473,8%, casi 5 veces de aumento en la productividad.  Si comparamos con Ecuador, el resultado nos da 14 veces de incremento. Los cálculos económicos del cultivo de este clon nos indicaron que una hectárea generaba un ingreso mensual de 3 salarios mínimos, una herramienta para combatir la miseria.

Aplicaciones de la yuca

La yuca es una fuente abundante y barata de almidón y el almidón tiene muchas aplicaciones, como lubricante en la industria petrolera y del hierro, como fuente de biocombustibles y mezclando las raíces con la parte aérea, rica en proteína, se puede utilizar en la alimentación animal y humana.

Por ejemplo, los pastos actuales de los llanos venezolanos no permiten una ganadería intensiva, el problema comienza con los suelos que son muy pobres y no permiten que crezca mucha vegetación, esto trae como consecuencia que se puede criar una res por hectárea.  Sin embargo, utilizando yuca como forraje, que crece muy bien en esos suelos, se podría llegar hasta 65 reses por hectárea.

La Granja Urbana: Producir comida en la ciudad

El nuevo concepto de la agricultura del Siglo XXI es la granja urbana, utilizar espacios en las ciudades para la producción de alimentos, utilizando electricidad, agua potable y condiciones ambientales controladas.

Bajo esas condiciones es posible desarrollar anaqueles donde se produce comida, con varios niveles uno sobre otro e iluminación artificial.  El espacio agrícola se multiplica por 10 o 20, utilizando el mismo terreno.

Surge la pregunta, ¿Por qué utilizar electricidad y agua entubada, si el sol y el agua de lluvia son gratis?

Respuesta: por la eficiencia.

El cultivo de la lechuga, un vegetal que permite su “urbanización”, toma unos tres meses en el campo o en invernadero, con lo cual puedo tener un máximo de 4 cosechas anuales, eso en lugares donde no existe un fuerte invierno, que hace que tenga menos.  Sin embargo, en una granja urbana el proceso toma unos 32 días, con lo cual se pueden obtener unos 11,4 ciclos anuales, es decir cosechas. Incluso la producción puede ser continua.

Esto además viene acompañado de una mayor sanidad en los cultivos, no entran pestes o plagas, además de la economía en el transporte y el hecho de que puedo consumir en el almuerzo lo cosechado en la mañana.

Existe además la posibilidad de mejorar la calidad nutritiva de los cultivos utilizando la luz, fotobiología.

Las plantas no absorben todo el espectro luminoso, notablemente rebotan el verde, esa es la razón por la que casi siempre los vegetales son de este color, y utilizan predominantemente el azul (430 nm), el rojo (660 nm) y el rojo lejano (730 nm).

Con la aparición de la luces LED, se pueden tener lámparas de una longitud de onda particular, con lo cual se utiliza la electricidad solamente para general el color utilizado por la planta. También es posible automatizar el proceso, robotizándolo y tener un monitoreo constante del ambiente y el estado fisiológico de las plantas, utilizando fotografía infrarroja.  Esto permite tener un proceso completamente controlado y optimizado al máximo, aunque la optimización debe ser un proceso continuo.

 

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Para finalizar

Después de la invención de la agricultura hemos tenido dos paradigmas que han cambiado fundamentalmente la manera de producir alimentos: 1. la utilización de productos químicos, que se estableció el siglo pasado, motivado entre otras cosas por la capacidad de producir fertilizantes a partir del aire, el Proceso Haber-Bosch, y 2. la tecnología biológica que se está implementando en el presente. Ambas nos han permitido ser más eficientes en la producción de alimentos y así poder atender las necesidades de suministros de una población cada vez más creciente y más urbana. La tecnología química ha tenido consecuencias nocivas al ambiente y la salud; la tecnología biológica es más amigable, más natural, con menor impacto ambiental y en la salud. Además, tiene una mayor productividad.

En 1798 Thomas Malthus predijo que la humanidad iba a colapsar y se iba a extinguir, producto de que la población aumentaba de manera exponencial y la producción de alimentos de manera aritmética. Con estas nuevas tecnologías seguimos ganando la carrera para escapar de la predicción de  Malthus.

Para saber un poco más

  1. González, G., Alemán, S., & Infante, D. (2003). Asexual Genetic Variability in Agave fourcroydes II: Selection among individuals in a clonally propagated population. Plant Science, 165(3), 595-601.
  2. Infante, D., González, G., Peraza-Echeverría, L., & Keb-Llanes, M. (2003). Asexual genetic variability in Agave fourcroydes. Plant Science, 164, 223-230.
  3. Infante, D., Molina, S., Osorio, M., & González, G. (2007). Genetic improvement of asexually propagated plants. In R. E. Litz & R. Scorza (Eds.), Proc. Intl. Sym. on temperate fruits crops and tropical species (pp. 721-728). Daytona Beach, USA: ISHS.
  4. Osorio, M., Gámez, Elizabeth., & Infante, Diógenes. (2012). Evaluation of cassava plants generated by somatic embryogenesis in different stages of development using molecular markers. Electronic Journal of Biotechnology; Vol 15, No 4.
  5. R. Rojas, W. G., D. Esparza, B. Medina, Y. Villalobos y L. Morales. (2007). Efecto de la densidad de plantación sobre el desarrollo y rendimiento del cultivo de la yuca Manihot esculenta Crantz, bajo las condiciones agroecológicas de la Altiplanicie de Maracaibo Revista de la Facultad de Agronomía, 24(1).

 

 

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Diógenes Infante Herrera es Licenciado en Biología, (1980), Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela. Diplôme d’Études Approfondies en Microbiologie, (1983), Université Paris-Sud, Orsay, France y Doctorat en Microbiologie, (1987), Université Paris-Sud, Orsay, France. Postdoctorados: (1987-89), Roche Institute of Molecular Biology, Nutley, NJ, EE. UU. y (1989-1990) Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York, NY, EE. UU. Ha sido investigador en: Núcleo Experimental de Biotecnología Agrícola, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas-Caracas, Venezuela. Centro de Investigación Científica de Yucatán, Mérida, México. Centro Nacional de Biotecnología Agrícola, IDEA, Caracas, Venezuela. Investigador visitante, Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Colonia, Alemania (2001). Actualmente es investigador de Alto Nivel 1, Programa Prometeo, Senescyt, Ecuador. Perfil en ResearchGate.

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