La sequía es el estrés ambiental más devastador que enfrentan los agricultores en todo el mundo. Con las presiones adicionales del cambio climático, los años de sequía se han vuelto menos predecibles, más frecuentes y más severos.

Así que el agua no sólo es fundamental para producir suficientes alimentos para alimentar a la población mundial (que se prevé alcanzará los 9.700 millones de personas en 2050), sino que también debemos aumentar el rendimiento de los cultivos utilizando menos agua.

La clave para una agricultura sostenible podría residir en el legado de parientes silvestres de cultivos esenciales como el trigo y la cebada. Estos tesoros genéticos subexplotados albergan mecanismos de tolerancia al estrés moldeados por generaciones de selección natural en entornos hostiles.

Los investigadores han reconocido desde hace mucho tiempo que los parientes silvestres son una fuente de tolerancia al estrés en estudios genéticos, pero la mayoría de estos descubrimientos ocurren por casualidad o han sido poco comunes.

Hay tantas diferencias entre la estructura y fisiología de las variedades de cultivos comerciales y sus parientes silvestres que los métodos de selección tradicionales son inadecuados para identificar, analizar e integrar cultivos silvestres en los programas de mejoramiento.

Nuestra investigación, publicada en New Phytologist , establece un enfoque sistemático que utiliza técnicas de imágenes no invasivas y de alto rendimiento para decidir qué líneas silvestres tienen características beneficiosas para la mejora de los cultivos y deben considerarse para el mejoramiento, alejándose de los descubrimientos coincidentes.

Mirando más allá del ojo desnudo

Hasta hace poco, la mejor manera de determinar el rendimiento de los cultivos en grandes experimentos de campo era plantar diferentes líneas de cultivos y evaluarlas en función de su apariencia y la cantidad de grano que producían.

Pero los parientes silvestres tienden a dejar caer sus semillas cuando están completamente maduros, lo que dificulta juzgarlas por su rendimiento de grano, por lo que los criadores a menudo lo piensan dos veces antes de trabajar con ellas.

Las tecnologías innovadoras de detección remota están cambiando la forma en que describimos el rendimiento de los cultivos. Es como ver más allá de lo que el ojo desnudo puede captar para detectar señales de las muchas ondas de luz que las plantas reflejan de la luz solar o emiten en forma de fluorescencia o calor.

Como forma de radiación, el calor se emite en longitudes de onda más allá de lo que los humanos pueden ver, pero que se pueden medir mediante detectores térmicos.

La luz solar reflejada proporciona una gran cantidad de información sobre la eficiencia con la que las plantas realizan la fotosíntesis; utilizando luz solar, dióxido de carbono y agua para producir oxígeno y energía en forma de azúcar. Esto se puede medir con precisión utilizando sensores de imágenes hiperespectrales que recopilan y procesan información de todo el espectro electromagnético en cientos o miles de bandas espectrales estrechas.

Aunque el uso de la teledetección para estudiar los rasgos de las plantas ya es popular, lo impulsamos profundizando en la eficiencia con la que el cultivo utiliza el agua y combinando esta información con tecnologías de imágenes hiperespectrales y térmicas.

Comprender los mecanismos que utilizan los cultivos antiguos para responder a las fluctuaciones de temperatura nos ayudará a descubrir oportunidades inexploradas para el fitomejoramiento y hacer que nuestra investigación sea más específica.

En última instancia, el objetivo es desarrollar nuevas variedades comerciales a partir de líneas silvestres adaptadas al medio ambiente, abriendo un camino para la agricultura sostenible al superar la barrera actual de determinar qué líneas silvestres tienen características de adaptación a la sequía sin explotar.

Esto suele ser complicado de determinar porque los rasgos deseables pueden ser diferentes según el objetivo de reproducción y el lugar de cultivo.

Respirar y beber con la misma pajita

Las plantas pierden agua a través de un proceso conocido como transpiración, que ocurre a través de los estomas, los mismos conductos que permiten que el dióxido de carbono ingrese a la superficie de la hoja.

Usar la misma entrada y salida significa que existe un equilibrio inevitable entre conservar agua y obtener suficiente carbono para producir granos saludables a través de la fotosíntesis.

Por lo tanto, nuestra técnica de selección adopta este compromiso para buscar plantas capaces de soportar períodos prolongados de escasez de agua, pero que puedan reanudar un crecimiento saludable una vez rehidratadas.

Al igual que en "Dune", donde la gente se ha adaptado a condiciones muy secas, las plantas de ambientes desérticos han desarrollado sus propias formas de lidiar con condiciones secas.

Si pensamos en la sudoración humana como la transpiración de las plantas, las plantas que están bien adaptadas a condiciones áridas han desarrollado múltiples mecanismos que les permiten "sudar" menos y ahorrar agua durante la sequía, pero permanecen menos estresadas y saludables.

Utilizamos los datos recopilados a partir de técnicas de teledetección térmica e hiperespectral para crear un índice de eficiencia de transpiración (iTE) basado en imágenes, un parámetro para el fitomejoramiento que es relativamente fácil de interpretar.

Usando iTE, podemos identificar las líneas bien adaptadas que demuestran un uso tan eficiente del agua en condiciones de sequía y aún pueden mantener su capacidad para reanudar el crecimiento.

Dos pájaros de un tiro

Aunque desarrollamos iTE pensando en las poblaciones silvestres, su aplicación también podría extenderse a cultivos comerciales.

Al pasar de los métodos de selección tradicionales que se centran exclusivamente en el rendimiento para la selección de cultivares, el índice iTE podría integrarse con mediciones de tolerancia clásicas para tomar decisiones más completas e informadas sobre las mejores líneas silvestres para el mejoramiento.

En colaboración con el Instituto de Agricultura Sostenible de España, IAS-CSIC, descubrimos una fuerte conexión entre un cambio positivo en iTE en condiciones de sequía en relación con un control bien irrigado y la estabilidad del rendimiento en variedades comerciales de trigo; cuanto mayor sea el aumento de iTE, menores serán las pérdidas de rendimiento.

La estabilidad del rendimiento indica qué tan bien un cultivo mantiene su rendimiento de grano en condiciones de sequía en comparación con condiciones normales y bien regadas. Pero hay varias razones por las que algunos cultivos resisten mejor la sequía.

Por ejemplo, algunas plantas podrían seguir realizando la fotosíntesis de manera efectiva, como sugiere nuestra investigación, mientras que otras podrían tener raíces más profundas que acceden al agua muy por debajo de la superficie.

Estos últimos pueden aparecer como copas más frías en las imágenes térmicas porque son capaces de extraer más agua, lo que permite que la planta siga transpirando y reduce su temperatura.

Es difícil confirmar a partir de un ensayo de campo si esta transpiración se debe a raíces profundas o si estas plantas simplemente mantienen sus poros (estomas) abiertos, independientemente de la escasez de agua. Nuestra investigación analiza esta complejidad para comprender con precisión cómo los cultivos logran estabilidad en el rendimiento.

Al comprender las formas específicas en que las plantas mantienen el rendimiento al final de la temporada, podemos aprovechar la genética subyacente de manera más eficiente.

Cultivos para el futuro

Una vez que hayamos identificado líneas silvestres prometedoras, el siguiente paso será modificarlas para adaptarlas a las prácticas agrícolas estándar mediante un proceso conocido como domesticación de novo.

Este método acelera el proceso que los humanos han utilizado durante miles de años para seleccionar y generar mejores cultivos. En lugar de esperar generaciones, utilizamos técnicas de reproducción avanzadas para agregar rápidamente los buenos rasgos comunes de los cultivos domesticados directamente a las plantas silvestres tolerantes al estrés.

Estas modificaciones genéticas no transgénicas producen cultivos que son más fáciles de cultivar utilizando prácticas de manejo estándar.

Al utilizar la teledetección hiperespectral para identificar buenas líneas silvestres candidatas y la domesticación de novo para hacerlas accesibles y deseables para los productores, podemos revolucionar el desarrollo de cultivos, adaptando las plantas al clima cambiante para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos.