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Retroceder en el tiempo restaura décadas de silencioso drama de maíz

Retroceder en el tiempo restaura décadas de silencioso drama de maíz
Las raíces aéreas del maíz ayudan a reclutar bacterias fijadoras de nitrógeno. Crédito: Alonso Favela

El maíz no comenzó como el cultivo poderoso que es hoy. No, durante la mayor parte de los miles de años que estuvo siendo domesticado y mejorado, el maíz creció humildemente dentro de los límites de lo que el medio ambiente y los pequeños agricultores podían proporcionar.


por Lauren Quinn, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


Para sus necesidades de fertilizantes, el maíz temprano se hizo amigo de los microbios del suelo que fijan nitrógeno al filtrar un tentador cóctel azucarado de sus raíces. La receta genética de este cóctel se transmitió de padres a hijos para garantizar que los microbios adecuados salieran a jugar.

Pero luego la Revolución Verde lo cambió todo. Las herramientas de reproducción mejoraron drásticamente, lo que condujo a híbridos de mayor rendimiento y crecimiento más rápido de lo que el mundo jamás había visto. Y la aplicación de fertilizantes sintéticos se volvió de rigor.

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Ese es el momento en que el maíz dejó atrás a sus viejos amigos microbios, según una nueva investigación de la Universidad de Illinois. Y no ha vuelto.

«Aumentar la selección de características aéreas, en un entorno de suelo donde eliminamos toda dependencia de las funciones microbianas, degradamos las características de sostenibilidad microbiana. En otras palabras, en el transcurso de medio siglo, el mejoramiento del maíz alteró su microbioma de formas insostenibles», dice Angela Kent. , profesor del Departamento de Recursos Naturales y Ciencias Ambientales de la Universidad de Illinois y coautor de un nuevo estudio en la Revista de la Sociedad Internacional de Ecología Microbiana .

Kent, junto con los coautores Alonso Favela y Martin Bohn, encontraron que las variedades modernas de maíz reclutan menos microbios «buenos», los que fijan nitrógeno en el suelo y lo hacen disponible para que los cultivos lo absorban, que las variedades anteriores. En cambio, a lo largo de las últimas décadas de mejoramiento de cultivos, el maíz ha estado reclutando cada vez más microbios «malos». Estos son los que ayudan a los fertilizantes nitrogenados sintéticos y otras fuentes de nitrógeno a escapar del suelo, ya sea como potentes gases de efecto invernadero o en formas solubles en agua que eventualmente terminan en el Golfo de México y contribuyen a las «zonas muertas» carentes de oxígeno.

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«Cuando estaba analizando nuestros resultados por primera vez, me desanimé un poco», dice Favela, estudiante de doctorado en el Programa de Ecología, Evolución y Biología de la Conservación de Illinois y primer autor del estudio. «Me entristeció un poco que tuviéramos un efecto tan grande en esta planta y en todo el ecosistema, y ​​no teníamos ni idea de que lo estábamos haciendo. Alteramos la raíz misma de la planta».

Para descubrir cómo ha cambiado el microbioma del maíz, Favela recreó la historia del mejoramiento del maíz desde 1949 hasta 1986 plantando una secuencia cronológica de 20 líneas de maíz sin patente en un invernadero.

«Tenemos acceso a líneas protegidas por patentes vencidas que se crearon durante diferentes períodos de tiempo y condiciones ambientales. Usamos ese conocimiento para viajar en el tiempo y observar cómo el microbioma asociado estaba cambiando cronológicamente», dice.

Como fuente de microbios, Favela inoculó las macetas con tierra de un campo agrícola local que no había sido sembrado con maíz o soja durante al menos dos años. Una vez que las plantas tenían 36 días, secuenció el ADN microbiano que recogió del suelo adherido a las raíces.

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«Caracterizamos el microbioma y los genes funcionales microbianos relacionados con las transformaciones que ocurren en el ciclo del nitrógeno: fijación de nitrógeno, nitrificación y desnitrificación», dice. «Descubrimos que las líneas de maíz desarrolladas más recientemente reclutaron menos grupos microbianos capaces de proporcionar nitrógeno de forma sostenible y más microbios que contribuyen a las pérdidas de nitrógeno».

Kent dice que la reproducción centrada en los rasgos de la superficie, especialmente en un contexto de suelo inundado de fertilizantes nitrogenados sintéticos, puede haber modificado las raíces de los cócteles azucarados que exudan para atraer a los microbios.

«Durante ese período de tiempo, los criadores no seleccionaron para el mantenimiento de funciones microbianas como la fijación de nitrógeno y la mineralización de nitrógeno porque habíamos reemplazado todas esas funciones con manejo agronómico. Cuando comenzamos a seleccionar características aéreas como rendimiento y otras características, seleccionamos inadvertidamente contra la sostenibilidad microbiana e incluso seleccionando activamente características del microbioma insostenibles como la nitrificación y desnitrificación «, dice.

Ahora que está claro que algo ha cambiado, ¿pueden los criadores traer buenos microbios a los híbridos de maíz del futuro?

Bohn, criador de maíz y profesor asociado en el Departamento de Ciencias de los Cultivos de Illinois, cree que es muy posible «regenerar» el microbioma del maíz. Para él, la respuesta está en el teosinte, una hierba silvestre a la que la mayoría de la gente tendría que entrecerrar los ojos para imaginarse como el padre del maíz moderno.

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Como las cosas salvajes en todas partes, el teosinte evolucionó en el rico contexto de un ecosistema completo, formando relaciones cercanas con otros organismos, incluidos los microbios del suelo que facilitaron el acceso a los nutrientes del suelo para la planta. Bohn cree que debería ser posible encontrar genes de teocintle responsables de crear el cóctel de raíces que atrae a los microbios fijadores de nitrógeno. Entonces, es solo una cuestión de introducir esos genes en nuevos híbridos de maíz.

«Nunca pensé que volveríamos al teosinte porque está muy lejos de lo que queremos en nuestro panorama agrícola actual. Pero puede ser la clave no solo para alentar estas asociaciones microbianas; también puede ayudar al maíz a resistir el cambio climático y otras tensiones». «, Dice Bohn. «De hecho, necesitamos volver al teosinte y comenzar a investigar lo que dejamos atrás para poder recuperar estas importantes funciones».

Recuperar la capacidad del maíz para reclutar su propio sistema de fijación de nitrógeno permitiría a los productores aplicar menos fertilizantes nitrogenados, lo que conduciría a una menor pérdida de nitrógeno del sistema en general.

«Los agricultores no siempre saben cuánto nitrógeno necesitarán, por lo que, históricamente, han vertido la mayor cantidad posible en los campos. Si recuperamos estas características en el maíz , podría ser más fácil para ellos comenzar a repensar la forma manejan el nitrógeno «, dice Bohn.

Kent agrega que un pequeño cambio podría ser de gran ayuda.

«Si pudiéramos reducir las pérdidas de nitrógeno incluso en un 10% en la región de cultivo del Medio Oeste, eso tendría enormes consecuencias para las condiciones ambientales en el Golfo de México», dice.




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