Un estudio de la Universidad de São Paulo proyecta que altas temperaturas, sequía y más CO₂ pueden elevar el rendimiento, pero disminuir proteína y almidón

Redactor: Javier Morales O.
Editor: Karem Díaz S.

El cambio climático podría modificar de manera profunda la producción de soja en Brasil y en otras regiones agrícolas del mundo. Una investigación liderada por científicos de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, proyecta que la combinación de altas temperaturas, sequía y aumento del dióxido de carbono (CO₂) puede elevar la producción de granos, pero al mismo tiempo deteriorar su calidad nutricional.

El estudio fue desarrollado por investigadores del Laboratorio de Fisiología Ecológica de Plantas (Lafieco), del Departamento de Botánica del Instituto de Biociencias de la USP. El trabajo utilizó modelado predictivo con inteligencia artificial, alimentado por datos experimentales previamente validados, para estimar cómo respondería la soja ante tres presiones climáticas simultáneas: más CO₂ en la atmósfera, temperaturas elevadas y restricción hídrica.

El resultado central es especialmente relevante para la agricultura y la alimentación animal: bajo ese escenario combinado, la semilla de soja podría producir hasta un 50 % más, pero con una reducción del 20 % en almidón y del 6 % en proteína. También se observó un aumento del 175 % en el contenido de aminoácidos, un resultado que los investigadores consideran inesperado y cuyo impacto en los animales aún necesita ser comprendido.

Más grano no significa necesariamente mejor alimento

La soja es uno de los cultivos más importantes del comercio agrícola global y una fuente clave de proteína para la alimentación animal. Por eso, el hallazgo no se limita al rendimiento por planta o por hectárea. La calidad del grano también importa, especialmente cuando se evalúa su aporte energético y proteico en cadenas ganaderas, avícolas y porcinas.

Marcos Buckeridge, coordinador de Lafieco, explicó que la reducción de proteína y almidón revela una alteración metabólica importante. En el caso del almidón, una menor presencia en la semilla significa menos energía disponible. En el caso de la proteína, la caída puede afectar el valor nutricional de la soja utilizada como insumo para raciones animales.

El trabajo se conecta con una preocupación más amplia sobre cómo el cambio climático afecta a las plantas. El aumento del CO₂ puede favorecer la fotosíntesis y estimular el crecimiento vegetal, pero ese beneficio no actúa de manera aislada. Temperatura, agua, nutrientes y estrés fisiológico modifican la respuesta final del cultivo.

El papel del CO₂ frente a la sequía y el calor

Uno de los elementos más importantes del estudio es la interacción entre los factores de estrés. El aumento de CO₂ puede tener un efecto de fertilización sobre las plantas, favoreciendo el crecimiento y la producción de semillas. Además, en ciertas condiciones, puede ayudar a reducir la pérdida de agua porque los estomas de las hojas se cierran parcialmente, permitiendo que la planta capture dióxido de carbono y transpire menos.

Ese efecto protector frente a la sequía ayuda a explicar por qué la soja puede producir más bajo ciertas combinaciones de estrés. Sin embargo, la respuesta no es lineal. La sequía por sí sola tiende a reducir la producción, mientras que el CO₂ elevado y la temperatura pueden impulsar el crecimiento. Cuando los tres factores se combinan, el metabolismo del grano se desvía de su funcionamiento habitual.

La investigación también dialoga con estudios sobre tolerancia de la soja a la sequía, donde la humedad del suelo, la intensidad del déficit hídrico y la capacidad de recuperación fisiológica resultan decisivas para el rendimiento. En el nuevo trabajo de la USP, la atención se centra en la semilla, porque es el producto principal del cultivo y el punto donde se observan los cambios nutricionales más relevantes.

Un modelo con inteligencia artificial para estimar el triple impacto

La combinación específica de CO₂ elevado, alta temperatura y sequía no fue validada experimentalmente de forma directa. Para llegar a esa proyección, los científicos utilizaron datos de experimentos previos con estrés doble: CO₂ elevado más temperatura y CO₂ elevado más sequía. A partir de esos resultados, aplicaron herramientas de modelado predictivo para estimar el efecto conjunto de los tres factores.

Los investigadores emplearon modelos lineales generalizados para calcular efectos aislados e interactivos. También utilizaron enfoques de aprendizaje automático, como XGBoost y CatBoost, con apoyo del Instituto de Ciencias Matemáticas y de Computación de la USP. La biomasa total medida 60 días después del experimento sirvió como base para predecir la producción de granos a los 125 días.

En los ensayos individuales, el aumento de la concentración de dióxido de carbono elevó la producción de granos hasta en un 142 %. En cambio, las altas temperaturas y la sequía redujeron el rendimiento en un 91 % y un 60 %, respectivamente. El escenario combinado fue estimado mediante IA, a partir de los datos experimentales disponibles.

Cámaras abiertas, más CO₂ y estrés hídrico controlado

Para generar los datos de base, el grupo trabajó con cámaras de techo abierto, estructuras tubulares de entre 1,60 y 1,70 metros de altura que permiten inyectar dióxido de carbono y controlar el ambiente de las plantas. En los experimentos, la concentración de CO₂ se elevó hasta 800 partes por millón, el doble del promedio ambiental aproximado de 400 partes por millón.

Las cámaras también permitieron aumentar la temperatura hasta 5 °C por encima de la temperatura ambiente. Para simular la sequía, los investigadores suspendieron el riego. El cultivar utilizado fue MG/BR–46 Conquista, de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa), elegido porque ya había sido ampliamente estudiado y permitía simular un déficit hídrico comparable con situaciones reales de campo.

Las plantas fueron sometidas a distintos tratamientos: CO₂ y temperatura ambiente, CO₂ elevado, temperatura elevada, CO₂ y temperatura elevados, sequía, y CO₂ elevado más sequía. Esa base permitió alimentar el modelo predictivo con datos experimentales consistentes antes de proyectar la respuesta al triple impacto.

Un metabolismo desviado por tres presiones simultáneas

El estudio plantea que el menor contenido de almidón en la semilla indica que el carbono captado por la planta no siguió el camino esperado hacia la acumulación energética del grano. En cambio, parte de ese carbono habría sido dirigido hacia la formación de pared celular, celulosa y hemicelulosa, lo que se traduce en más fibra.

Para Buckeridge, el alto CO₂ genera una desviación del metabolismo normal del grano; la sequía produce una segunda desviación; y la temperatura, una tercera. Cuando los tres factores actúan juntos, aparece una cuarta respuesta metabólica. Esta lectura es importante porque muestra que los factores de estrés no se suman de manera simple, sino que activan rutas fisiológicas distintas.

Ese punto resulta clave para los programas de adaptación agrícola. La búsqueda de cultivos más resistentes al clima no puede limitarse a evaluar un solo factor, como sequía o calor. Las plantas estarán expuestas a combinaciones de estrés, y esas combinaciones pueden generar respuestas inesperadas en rendimiento, composición y calidad.

Implicaciones para la agricultura mundial

Los investigadores consideran que estos datos pueden ayudar a calibrar modelos predictivos sobre los impactos del cambio climático en la agricultura mundial, incluidos los utilizados por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC). La soja es un cultivo estratégico, pero el equipo también cree que otras especies podrían mostrar respuestas similares bajo combinaciones de CO₂ elevado, calor y sequía.

El grupo ya realizó experimentos de doble efecto en caña de azúcar y proyecta avanzar con la incorporación de temperatura y simulaciones mediante inteligencia artificial. El siguiente paso será identificar los genes responsables de las respuestas a los distintos factores de estrés y comprender con mayor precisión cómo se altera el metabolismo vegetal.

La información también resulta relevante para el debate sobre sequía y producción agrícola mundial, porque muestra que el impacto climático no debe medirse solo en toneladas cosechadas. La composición del grano, la proteína, el almidón y la calidad nutricional pueden cambiar incluso cuando la producción aumenta.

Preparar semillas mejor adaptadas

El objetivo de largo plazo de los investigadores es comprender qué mecanismos permitirían preparar semillas de soja mejor adaptadas al cambio climático. Si se identifican los genes y rutas metabólicas responsables de la pérdida de proteína y almidón, sería posible orientar estrategias para conservar la productividad sin sacrificar la calidad del grano.

La investigación fue apoyada por la FAPESP mediante becas de Doctorado y de Pasantía de Investigación en el Exterior otorgadas a Janaina da Silva Fortirer, primera autora del artículo, además del apoyo del Programa de Fijación de Jóvenes Doctores concedido a Leandro Francisco de Oliveira, también autor del trabajo.

Fuente(s) referenciales

Agência FAPESP: El cambio climático eleva la producción de soja, pero empeora la calidad del grano