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Los cultivos podrían enfrentar un doble problema debido a los insectos y un clima más cálido


Durante milenios, los insectos y las plantas de las que se alimentan se han visto envueltos en una batalla coevolutiva: comer o no ser comido.

POR GREGG HOWE Y NATHAN HAVKO


 Hasta hace poco, los dos bandos antagónicos han mantenido una especie de estancamiento. Sin embargo, con el cambio climático, las temperaturas más cálidas podrían inclinar la balanza a favor de los insectos y representar un peligro para los cultivos y los agricultores que los cuidan.

Nuestro equipo de investigación del Instituto de Resiliencia Vegetal de la Universidad Estatal de Michigan observó lo que sucedió en un clima más cálido cuando las orugas del gusano cuerno atacaron una planta de tomate . El tomate se perdió. Vimos una compensación sorprendente por parte de la planta durante la ola de calor: se defendió de las orugas, pero este esfuerzo le impidió lidiar con los efectos dañinos del calor. Esto hizo que la planta se sobrecaliente, lo que fortaleció la mano de las orugas.

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Un estudio realizado por investigadores en 2018 predijo que cada grado de calentamiento global aumentará la pérdida de cultivos por insectos entre un 10% y un 25% porque las poblaciones de insectos y su apetito aumentan con las temperaturas cálidas. Es probable que otras variables relacionadas con el clima, incluidas las sequías o inundaciones prolongadas, agraven esas pérdidas.

Pero aunque los científicos han identificado estos variados desafíos para la producción de alimentos, todavía no saben mucho sobre cómo la combinación de calor e insectos afectará los sistemas de defensa integrados de las plantas.

Cómo las plantas luchan contra las plagas de insectos

A diferencia de los animales, las plantas no pueden correr ni esconderse de los depredadores. En cambio, las plantas producen un arsenal de productos químicos tóxicos que repelen el ataque de insectos y otros consumidores de plantas.

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La producción de estos compuestos es costosa y, a menudo, detiene su crecimiento, por lo que las plantas utilizan este arsenal de defensa química solo cuando son dañadas por un insecto masticador. Este proceso es desencadenado por la hormona de la herida de la planta, el jasmonato, que controla estrictamente la biosíntesis, la distribución y el almacenamiento de compuestos de defensa química que repelen a los insectos.

Durante más de 20 años, hemos estudiado cómo el jasmonato protege a las plantas de los insectos herbívoros. Solo recientemente hemos comenzado a pensar en cómo el aumento de las temperaturas globales influye en este mecanismo de defensa común de las plantas.

El calor y la oruga hambrienta

En nuestro estudio, desafiamos a las plantas de tomate con orugas del gusano cuerno en condiciones de temperatura normales: 82 grados F días (aproximadamente 28 grados C) y 64 grados F noches (aproximadamente 18 grados C). También simulamos olas de calor, con temperaturas que suben a 100 F (38 C) durante el día y caen a 82 F (28 C) durante la noche durante varios días.

Las plantas respondieron a las temperaturas más altas intensificando la producción de jasmonato y, como consecuencia, aumentando la producción de varios compuestos de defensa. Aun así, los insectos se comieron las plantas sin descanso con el calor.

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Mientras tanto, un estudio paralelo de nuestro equipo descubrió que los aumentos moderados de temperatura aceleraban el metabolismo de los insectos para que comieran más rápido e hicieran más daño a las plantas. Aunque las plantas de tomate lucharon duro con su respuesta química, no pudieron neutralizar el poderoso estímulo alimenticio provocado por el calor de los insectos.

Insectos + calor = doble problema

Las plantas usan dos estrategias para enfriarse cuando las temperaturas suben demasiado. Abrirán los pequeños poros de sus hojas, que se llaman estomas, liberando agua que los enfría tanto como el sudor enfría a los humanos. Las plantas también combaten el estrés por calor al levantar las hojas del suelo caliente, quizás en busca de una brisa fresca.

Descubrimos inesperadamente en nuestro trabajo que las plantas de tomate desafiadas por orugas a la temperatura más cálida no hacían estas cosas y, por lo tanto, no enfriaban sus hojas.

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En nuestros experimentos de seguimiento, descubrimos que cuando las orugas se comían sus hojas y la planta activaba la hormona jasmonato, esto bloqueaba la apertura de los diminutos estomas y también impedía que las hojas se elevaran para enfriarse. La planta no pudo desplegar su respuesta de enfriamiento y, al mismo tiempo, se redujo la fotosíntesis (que produce alimento a partir de la luz solar y el dióxido de carbono).

Estas circunstancias ralentizan efectivamente el crecimiento de la planta. Por lo tanto, aunque las plantas de tomate pueden hacer frente a los ataques de insectos o la temperatura elevada, si esos dos factores de estrés se producen al mismo tiempo, eso significa un doble problema. El resultado es una rápida defoliación por las orugas hambrientas más el sobrecalentamiento de las hojas.

Estudiar plantas en entornos reales

Por qué el ataque de insectos evita que las plantas se enfríen sigue siendo un misterio. Sin embargo, cuando las plantas cierran sus estomas durante un ataque de insectos, conservan el agua evitando que se evapore de las hojas heridas. Creemos que esta respuesta puede beneficiar a la planta cuando hay escasez de agua, que suele ser el caso durante las olas de calor.

Planeamos abordar esta pregunta mediante el estudio de las plantas que crecen en entornos naturales accidentados, en lugar de hacerlo en condiciones de laboratorio altamente controladas. Creemos que estos estudios son necesarios para desarrollar cultivos que puedan soportar tanto el calor como el estrés de las heridas.

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Hacer plantas más resistentes

Muchos expertos estiman que la productividad agrícola debe duplicarse en los próximos 30 años para satisfacer las demandas de una población en rápido crecimiento . Las trayectorias actuales de rendimiento de los principales cultivos, combinadas con los impactos inciertos de un entorno global cambiante, sugieren que el mundo estará muy por debajo de esta demanda utilizando prácticas agrícolas convencionales.

La Royal Society del Reino Unido y otras organizaciones científicas han pedido una Segunda Revolución Verde que permitirá la intensificación sostenible de la agricultura mediante el desarrollo de cultivos que sean más resistentes frente a condiciones ambientales cada vez más duras.

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Los avances tecnológicos recientes, desde la genómica y la edición de genes hasta los enfoques computacionales y de ciencia de datos, brindan a los investigadores oportunidades sin precedentes para trabajar hacia este objetivo. Para lograr una mejor comprensión de las complejas interacciones del calor y los ataques de insectos, esperamos que nuestra investigación pueda informar nuevas estrategias para aumentar la resiliencia de las plantas en un mundo en calentamiento.

Gr egg Howe es profesor de bioquímica y biología molecular en la Universidad Estatal de Michigan y  Nathan Havko es becario posdoctoral en investigación de plantas en la Universidad Estatal de Michigan.

Este artículo apareció originalmente en The Conversation .

Imagen: Pulgón en una hoja que ha comido. Shutterstock / Vera Larina .



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