Por Mundoagro.cl el 3 mayo, 2018

Agricultura con microscopio

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agricultura con microscopio

La agricultura de precisión (AP) ha sido promovida e implementada en todo el mundo, en distintas escalas, en las últimas tres décadas. La base real de AP es la variabilidad espacial y temporal de los rendimientos de los cultivos debido a la variabilidad del suelo y clima entre y dentro de los lotes de producción.

Tradicionalmente, los cultivos se han tratado bajo los supuestos de uniformidad del suelo, nutrientes, humedad, malezas, insectos y condiciones de crecimiento. Esto ha llevado a la aplicación de manejos agronómicos uniformes que en distintos lugares del lote provocan la aplicación de dosis excesivas o insuficientes de herbicidas, plaguicidas, riego, fertilizantes y otros tratamientos. Es por ello que el objetivo principal de la agricultura de precisión es aplicar el tratamiento adecuado en el lugar y en el momento correcto para buscar una producción agrícola sostenible de bajo costo energético y alta eficiencia.

La implementación de técnicas de agricultura de precisión permite obtener beneficios económicos y ambientales que se visualizan a través del uso eficiente del agua, fertilizantes y agroquímicos, además de la maquinaria agrícola. En lugar de administrar un campo completo basado en alguna condición hipotética promedio, que puede no existir en ningún lugar del campo, un enfoque holístico y a la vez especifico, como aquel que ofrece la agricultura de precisión, permite reconocer las diferencias específicas del sitio dentro de los campos y ajustar las acciones a seguir ya sea en nutrición, manejo de suelos, riego o control de plagas y enfermedades, tanto en campos bajo manejo orgánico o convencional.

Los agricultores generalmente saben que sus campos tienen rendimientos variables en todo el paisaje. A través de las tecnologías de agricultura de precisión es posible determinar las causas de la variabilidad, ya sean estas producto de las prácticas agrícolas, las propiedades del suelo y/o características ambientales. Las características del suelo que afectan los rendimientos incluyen textura, estructura, hume- dad, materia orgánica, estado y disponibilidad de nutrientes, especie, variedad, características del microbioma asociado, posición del paisaje y características ambientales que incluyen por ejemplo clima, cambio climático, estrés hídrico, plagas y enfermedades.

Conociendo estos efectos es posible hacer las correcciones pertinentes para obtener los beneficios agronómicos y ambientales que incluyen mayores rendimientos y rentabilidad, mejor gestión dentro del predio y mejores prácticas agrícolas que favorecen la sustentabilidad y calidad ambiental, así como la adaptación al cambio climático.

MICROBIOLOGÍA DE PRECISIÓN

La fertilización sitio-especifica es una de las prácticas más comunes en agricultura de precisión. Toma en cuenta que la heterogeneidad física, química y biológica del suelo dentro de un campo puede dar como resultado una variabilidad espacial y temporal en el ciclo de nutrientes, que probablemente tenga un impacto en el rendimiento del cultivo y la eficiencia del N por pérdidas por lixiviación y emisión de gases.

A partir del desarrollo del concepto de Manejo Integrado de la Nutrición (MIN), que combina el uso de herramientas de diagnóstico, ajuste de dosis de nutrientes y el uso de materia orgánica y microrganismos, de manera sitio-específica, es que comienza a acuñarse el concepto de “microbiología de precisión”. Este concepto nace del hecho de que, así como el rendimiento del cultivo es variable en tiempo y espacio, las poblaciones y actividad del microbioma asociado también los son, en respuesta a la variabilidad del suelo y al efecto de los manejos agronómicos aplicados.

Como se mencionó anteriormente con la agricultura de precisión, las variaciones en las características del suelo o del cultivo dentro de un campo son identificadas y mapeadas, y las acciones de manejo se ajustan espacial y temporalmente a los requerimientos del cultivo en las áreas respectivas. Estas pro- piedades del suelo pueden ser las tradicionalmente empleadas, como son las propiedades físicas (como textura o compactación), químicas asociadas al ciclaje de nutrientes (materia orgánica, N, P, K, etc.), o bien propiedades biológicas del suelo como población y actividad de organismos de la meso y micro fauna. Sin embargo, no todas las pro- piedades de un suelo cambian a la misma velocidad, producto de los manejo simplementados y es por ello que además de las tradicionales pro- piedades químicas o físicas deben incluirse propiedades microbiológicas o bioquímicas que corresponden a indicadores más sensibles y de rápida respuesta, pues están ligados a la actividad biológica y responden a cambios en cortos periodos de tiempo, de forma que la sustentabilidad en los manejos del suelo puede definirse de mejor forma en términos de estos indicadores.

Las comunidades microbianas, grupos funcionales de microorganismos, metabolitos o genes específicos son hoy por hoy uno de los mejores y más usados indicadores de salud, calidad y sustentabilidad de los manejos de suelo.

ENZIMAS DE SUELO

Un suelo es biológicamente activo cuando los procesos biológicos ocurren rápidamente en tiempo y lugar, y son los microorganismos, los encargados de muchas de las transformaciones bioquímicas que ocurren en el suelo. Por su metabolismo, éstos requieren carbono simple como fuente de energía y como base para la construcción de nuevos compuestos carbonados (proteína), y es por ello que descomponen la materia orgánica presente en el suelo para que sirva como fuente de dicho carbono.

Para ello emplean básicamente enzimas, compuestos orgánicos que actúan sobre los residuos vegetales, animales y microbianos para descomponerlos y disponer de nutrientes. El compuesto o sustancia sobre la que actúan las enzimas es el sustrato, y son específicas (por ejemplo, las proteínas actúan descomponiendo proteínas), mediante sitos específicos por donde pueden unirse para formar complejos temporales. El producto de la reacción puede quedar en la solución del suelo y es aprovechado por los microorganismos y también por la planta.

Las enzimas provienen de microorganismos vivos y muertos, así como de las raíces de las plantas y animales del suelo, permanecen en el suelo, y pueden no representar necesariamente viabilidad o actividad microbiana pues se estabilizan en complejos orgánicos como ácidos húmicos, arcillas o complejos arcillo húmicos. Existen otras enzimas como la deshidrogenasa que sólo refleja actividad de células viables y en teoría no se une a complejos físicos – químicos en el suelo.

Las enzimas responden a cambios en el manejo de suelo mucho antes que otros indicadores y juegan un papel muy importante en la degradación, mineralización y ciclaje de nutrientes; la actividad enzimática de microorganismos del suelo puede presentar variación espacial y estacional con los valores más altos en primavera y comienzos del verano, efectos de manejo (alto rendimiento o bajo rendimiento) y diferencias en el sistema de manejo agrícola utilizado (convencional o de precisión).

Algunos estudios indican por ejemplo que, aunque no se presen- ten cambios significativos en la concentración de N total en el tejido, la actividad de degradación de la proteína presente en la materia orgánica, conocida como actividad proteolítica, medida en términos de la cantidad de enzimas producidas para degradar estos compuestos en suelo, está directamente relacionada con altos rendimientos en los cultivos y que en lugares de potencial bajo rendimiento, las aplicaciones sitio específicas de fertilizantes causan una mayor actividad proteolítica en comparación con la gestión convencional.

En un suelo arrocero de la zona centro sur de Chile, se encontró una elevada variabilidad de la actividad enzimática, asociada a cada ciclo de nutrientes (C, N, P), encontrándose por ejemplo menor actividad de la β glucosidasa en aquellos lugares de mayor cantidad de residuos (residuos más recalcitrantes) y viceversa. Por otra parte, la actividad de la fosfatasa ácida fue mayor en aquellos lugares del lote con menores contenidos de P Olsen y viceversa. Finalmente, la amoniomonoxigenasa (AMO), enzima inducida por sustrato, mostró una mayor actividad en aquellos lugares de mayor contenido de amonio (NH4).

Por otro lado, en un estudio realizado en uva de mesa se encontró que los niveles de biomasa aérea del cultivo estaban directamente asociados a la actividad enzimática del suelo. En el mismo estudio, la aplicación sitio específica de materia orgánica en aquellos sitios con baja biomasa (baja actividad enzimática) permitió uniformar el cuartel.

Así mismo, otras actividades como la nitrificación y desnitrificación se ven afectadas después de las aplicaciones de fertilizante nitrogenado, siendo mayores en suelos de bajo rendimiento donde se fertiliza de forma no diferenciada, y respondiendo a la aplicación sitio específica de N.

La variabilidad espacial y temporal de la actividad enzimática es muy alta, reflejando diferencias entre suelos, sistemas productivos, manejos y localidades. Se presentan las distribuciones en la actividad de algunas enzimas en suelos chilenos.

Fitobiomasas e inoculantes sitio – específicos

De forma paralela a los avances en tecnología disponible para la agricultura de precisión, también se ha avanzado enormemente en el conocimiento de las comunidades y procesos ecosistémicos, así como las tecnologías de apoyo, como la secuenciación, la biología computacional y muchas tecnologías “ómicas” (genómica, protéomica, metabolómica) que permiten la exploración de las redes y actividades funcionales de las comunidades asociadas a las plantas o fitobiomas.

Los fitobiomas abarcan todos los organismos y todos los aspectos del entorno que influyen o son influenciados por las plantas. Debido a los procesos diversos y dinámicos llevados a cabo por los miembros del bioma, los fitobiomas tienen un papel importante en la salud y la productividad sostenida de las plantas y los ecosistemas (agroecosistemas) en que éstas participan. Esto ha permitido desarrollar estrategias de manejo de sitios productivos a la medida de las necesidades, determinando microorganismos relaciona- dos o metabolitos producidos por ellos, o aplicando productos bioló- gicos a base de microorganismos como bioestimulantes, biocontroladores o biofertilizantes.

El desarrollo de inoculantes y su uso en agricultura ha avanzado rápido en la última década. Estos productos contienen microorganismos potencialmente útiles para diferentes procesos en suelo, desde la fijación biológica de N, la degradación de materia orgánica o la solubilización de P, con mecanismos diversos que incluyen la activación deenzimasespecíficas, que, como la nitrogenasa, depende de la presencia del microorganismo (bacteria) y su condición genética o la β glucosidasa o amoniomonoxigenasa (AMO), que dependen de la relación sustrato – producto presente en suelo, para activarse.

Los inoculantes a menudo con tienen cepas de microorganismos seleccionados por su habilidad para influir en la nutrición y crecimiento de las plantas en un amplio rango de situaciones y bajo diferentes tipos de estrés. Sin embargo, también pueden ser desarrollados para uso bajo condiciones y ambientes específicos, buscando que la interacción suelo-planta- microorganismos resulte en un mejor sistema de raíces, mejores cosechas, mejor calidad de producto y sustentabilidad de suelo.

Se habla entonces de una segunda generación de inoculantes, donde se combinan efectos de microorganismos, por ejemplo, hongos de micorriza arbuscular con consorcios de bacterias PGPR, ampliando la influencia en las relaciones ecológicas y agronómicas en los cultivos y el suelo, favoreciendo por ejemplo, la fijación de N y la movilización del P así como la adsorción de iones metálicos gracias a los grupos carboxilo, hidroxilo y aminoácidos libres presentes en la pared de quitina de los hongos.

La agricultura de precisión puede desempeñar un papel sustancial para satisfacer la creciente demanda de alimentos y garantizar el uso sostenible de los recursos naturales y el medio ambiente. Sin embargo, el tamaño y la diversidad de las estructuras agrícolas hacen que sea necesario cambiar el paradigma respecto a la información de calidad de suelos y nutrición de cultivos obtenida desde los análisis físicos o de fertilidad de suelos, e incluir indicadores biológicos y bioquímicos más sensibles. Por ejemplo, la generación de una herramienta “calculadora de calidad de suelo de precisión” aportaría valor de apoyo a la decisión a los agricultores y asesores.

Igualmente, avanzar en la comprensión a nivel de comunidades, metabolitos y, en general, de conocimiento de microbiomas será fundamental para apoyar la producción agrícola, la adaptación al cambio climático y la seguridad alimentaria, pero es necesario traducir este conocimiento a la práctica y requerirá la interacción de diferentes disciplinas.

En el Primer Congreso Latinoamericano de Agricultura de Precisión a realizarse en Santiago entre el 11 y 13 de Abril de 2018, se presentarán los avances en Microbiologíade Precisión. www.clap2018.cl

Escrito por: María Mercedes Martínez y Rodrigo Ortega de la Universidad Técnica Federico Santa María.

 

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