Grano perenne - Perennial grain

Raíces de pasto de trigo intermedio, un candidato a grano perenne en comparación con las del trigo anual (a la izquierda en cada panel)

Un grano perenne es un cultivo de cereales que vive y se mantiene productivo durante dos o más años, en lugar de crecer solo una temporada antes de la cosecha, como la mayoría de los cereales y cultivos anuales. Si bien muchos cultivos de frutas , nueces y forrajes son plantas perennes de larga vida , todos los principales cultivos de cereales que se utilizan actualmente en la agricultura a gran escala son anuales o perennes de corta duración que se cultivan como anuales. Científicos de varias naciones han argumentado que se podrían desarrollar versiones perennes de los cultivos de granos actuales y que estos granos perennes podrían hacer que la agricultura de granos sea más sostenible.

Razón fundamental

El cultivo a menudo tiene un impacto negativo en la provisión de servicios [de los ecosistemas]. Por ejemplo, los sistemas cultivados tienden a usar más agua, aumentan la contaminación del agua y la erosión del suelo, almacenan menos carbono, emiten más gases de efecto invernadero y mantienen significativamente menos hábitat y biodiversidad que los ecosistemas que reemplazan.

La Evaluación de Ecosistemas del Milenio

El Informe de Síntesis de 2005 del programa de Evaluación de Ecosistemas del Milenio de las Naciones Unidas calificó a la agricultura como "la mayor amenaza para la diversidad biológica y la función del ecosistema de cualquier actividad humana". Los granos perennes podrían reducir esta amenaza, de acuerdo con la siguiente lógica:

  • La mayor parte de la tierra agrícola se dedica a la producción de cereales: los cultivos de cereales, semillas oleaginosas y leguminosas ocupan el 75% de los EE. UU. Y el 69% de las tierras de cultivo mundiales. Estos granos incluyen cultivos de cereales como el trigo, el arroz y el maíz; juntos proporcionan más del 70% de las calorías de los alimentos para humanos.
  • Todos estos cultivos de cereales son actualmente plantas anuales que generalmente se plantan en suelo cultivado.
  • El cultivo frecuente pone el suelo en riesgo de pérdida y degradación.
  • Este "dilema central" de la agricultura en el que la producción actual de alimentos socava el potencial para la producción futura de alimentos podría escaparse mediante el desarrollo de cultivos de cereales perennes que no requieren labrar el suelo cada año. La tecnología de labranza cero permite que se cultiven cultivos de corta duración (anuales) con una labranza menos intensa, pero las plantas perennes brindan la mayor protección para el suelo.

Desarrollo de cultivos

El sistema agrícola actual se compone predominantemente de herbáceas anuales . Los sistemas anuales dependen en gran medida de la labranza y las aplicaciones químicas, como pesticidas y fertilizantes, y por lo tanto contribuyen a problemas de sostenibilidad como la erosión, la eutrofización y el uso de combustibles fósiles. El desarrollo de cereales perennes podría mejorar la sostenibilidad de la agricultura. En contraste con los sistemas anuales, los sistemas perennes involucran plantas con raíces profundas y de larga vida. Un sistema perenne no depende de la labranza y podría reducir la dependencia de las aplicaciones químicas, mejorar la salud del suelo y secuestrar carbono.

Los cultivos anuales se han domesticado durante casi 10.000 años, mientras que todavía no se han desarrollado cereales perennes comerciales. No está claro exactamente por qué los granos perennes no se domesticaron junto con los anuales durante la revolución agrícola . Las anuales pueden haber estado más predispuestas a la domesticación por varias razones. Por un lado, las plantas anuales silvestres probablemente fueron objetivos más fáciles para los primeros esfuerzos de domesticación porque generalmente tienen mayores rendimientos de un año que las plantas perennes silvestres. Debido a que la aptitud de las plantas anuales depende de la producción reproductiva de un solo año, las plantas anuales invierten, naturalmente, mucho en la producción de semillas (por lo general, el producto de interés para la agricultura). Por el contrario, las plantas perennes deben equilibrar la producción de semillas con la supervivencia durante el invierno en un año determinado y, por lo tanto, tienden a producir rendimientos más bajos por año. En segundo lugar, las plantas anuales tienen un tiempo de generación más corto, lo que facilita ganancias más rápidas a través del proceso de selección artificial . En tercer lugar, la agricultura temprana utilizaba la labranza para despejar los campos para la cosecha del año siguiente y la práctica de la labranza anual, que limpia el suelo de las plantas existentes en preparación para las nuevas, no es compatible con los granos perennes. Finalmente, una vez que se domesticaron los granos anuales, hubo un incentivo reducido para perseguir la domesticación de nuevos granos perennes.

Si las limitaciones de los primeros esfuerzos de domesticación explican la falta de granos perennes, es posible que no exista una barrera fisiológica insuperable para las plantas perennes de alto rendimiento. Por ejemplo, la compensación entre supervivencia y rendimiento en plantas perennes debe observarse principalmente en el primer año de la planta cuando están estableciendo estructuras de raíces. En los años siguientes, las plantas perennes pueden beneficiarse de tener una temporada de crecimiento más larga y un mayor acceso a los recursos del suelo debido a los sistemas de raíces preestablecidos (que también pueden reducir la dependencia de los fertilizantes). Sin embargo, incluso si las limitaciones fisiológicas limitan la asignación de recursos a la producción de semillas en plantas perennes, sus rendimientos pueden ser comparables o exceder los rendimientos anuales de granos debido a una mejor adquisición de recursos y una mayor biomasa general .

Si bien la domesticación de cultivos perennes podría aliviar algunos de los problemas de sostenibilidad causados ​​por la dependencia de los cultivos anuales, las ganancias aún pueden estar fundamentalmente limitadas por las prácticas agrícolas generales. La producción de granos en escalas lo suficientemente grandes como para satisfacer la demanda mundial depende de la conversión de grandes extensiones de pastizales nativos a la agricultura, independientemente de la naturaleza perenne o anual del cultivo.

Métodos

Para capitalizar los beneficios potenciales de la domesticación de cultivos perennes, es necesario acelerar el proceso de domesticación . Los esfuerzos serios para desarrollar nuevos granos perennes comenzaron en la década de 1980, impulsados ​​en gran parte por Wes Jackson y The Land Institute en Salina, Kansas. Los enfoques para el desarrollo de cultivos perennes generalmente caen bajo tres métodos principales: perennialización, domesticación de novo y manipulación genética. Estos métodos no son mutuamente excluyentes, pueden usarse en conjunto y cada uno presenta sus propios desafíos.

Perennialización

Hibridar cultivos anuales existentes con parientes silvestres perennes es un enfoque común para el desarrollo de cultivos perennes. Este enfoque tiene como objetivo conservar los rasgos agronómicos importantes que se han desarrollado en los cultivos anuales de cereales, al tiempo que convierte la planta en un ciclo de vida perenne con sistemas radiculares bien desarrollados y de larga duración. Sin embargo, la perennización no está exenta de desafíos.

Por un lado, las plantas producidas mediante hibridación a menudo son infértiles, por lo que la reproducción exitosa de plantas más allá de la F1 o la generación híbrida inicial es rara. En segundo lugar, los rasgos perennes a menudo son poligénicos (controlados por múltiples genes), por lo que la concesión de un ciclo de vida perenne a los cultivos anuales domesticados depende de que se transfiera un conjunto completo de genes a la descendencia híbrida del padre perenne. Por el contrario, los rasgos de rendimiento son generalmente menos poligénicos, por lo que genes individuales pueden tener efectos positivos sobre el rendimiento. Por lo tanto, el desarrollo de cultivos perennes a través de la hibridación puede ser más efectivo si el objetivo de la hibridación es aumentar el rendimiento de las plantas perennes en lugar de introducir la perenneidad en los cultivos anuales.

Domesticación de novo

La domesticación de novo de plantas silvestres perennes proporciona otra vía para el desarrollo de cultivos perennes. Este enfoque implica la selección de plantas herbáceas perennes silvestres en función de su potencial de domesticación, seguida de la selección artificial de características agronómicamente importantes como rendimiento, rotura de semillas (la tendencia de las semillas a caerse de la planta o permanecer adheridas hasta la cosecha), semillas de trilla libre (la tendencia de las semillas a desprenderse fácilmente de la paja ) y altura de la planta. Los procesos de domesticación, como los desarrollados por investigadores de The Land Institute, han establecido criterios para evaluar el potencial de las especies candidatas para tener éxito en los programas de domesticación, por ejemplo, alta variabilidad y heredabilidad de rasgos agronómicamente importantes, y también guían en qué rasgos deben enfocarse durante los esfuerzos de cría. Se pueden encontrar listas extensas de posibles especies candidatas en Wagoner & Schaeffer y Cox et al.

La domesticación de nuevas especies perennes tiene un par de inconvenientes importantes. Por un lado, los granos silvestres perennes tienen rendimientos anuales muy bajos en comparación con los anuales domesticados, por lo que los esfuerzos de reproducción deben ocupar mucho terreno antes de que los granos perennes sean comercialmente viables. Este problema se ve agravado por el hecho de que muchas especies candidatas son poliploides (es decir, tienen conjuntos adicionales de material genético). La poliploidía dificulta la obtención de alelos indeseables de la población y crea plantas uniformes que crecen y maduran simultáneamente para una fácil cosecha.

Métodos genéticos

Varios métodos genéticos pueden ayudar al proceso de desarrollo de cultivos perennes. La selección genómica , un método para predecir los rasgos de las plantas basado en el análisis de su genoma, se muestra prometedor como método para acelerar la selección de plantas en los programas de domesticación. Si los fenotipos de plantas adultas pueden predecirse a partir de los genomas de plantas jóvenes, las plantas pueden seleccionarse artificialmente a una edad más temprana, reduciendo el tiempo y los recursos necesarios para identificar individuos con rasgos deseables. Los transgénicos y la alteración de genes pueden agregar o apuntar a “genes de domesticación” y sus ortólogos (genes con secuencias y funciones similares) en plantas perennes. Los genes de domesticación tienen efectos conocidos sobre rasgos que son relevantes para la domesticación y se han descubierto en especies de cultivos anuales. La secuenciación del genoma indica que también existen muchos ortólogos en especies perennes que pueden ser objetivos útiles para la alteración genética.

Las aplicaciones actuales de la manipulación genética son limitadas porque no se han secuenciado los genomas de muchas especies candidatas. Además, los métodos de manipulación genética aún no se han optimizado en la mayoría de las especies candidatas. A pesar de estas limitaciones, ha habido rápidos avances en el desarrollo de técnicas genéticas y es probable que estos métodos sean una ayuda útil para el desarrollo de cultivos perennes en los próximos años.

Ventajas

Se han publicado varias afirmaciones:

  1. Mayor acceso a los recursos a través de una temporada más larga. Las plantas perennes generalmente emergen antes que las anuales en la primavera y permanecen inactivas en el otoño mucho después de que las plantas anuales hayan muerto. La temporada de crecimiento más larga permite una mayor interceptación de la luz solar y la lluvia. Por ejemplo, en Minnesota, las plántulas anuales de soja emergen del suelo a principios de junio. Para entonces, la alfalfa perenne ha crecido tanto que está lista para la primera cosecha. Por lo tanto, para cuando un cultivo de soja acaba de comenzar a fotosintetizar, un campo de alfalfa ya ha producido alrededor del 40% de la producción de la temporada.
  2. Mayor acceso a los recursos a través de una zona de enraizamiento más profunda. La mayoría de las plantas de vida larga construyen sistemas de raíces más grandes y más profundas que las plantas de vida corta adaptadas a la misma región. Las raíces más profundas permiten que las plantas perennes "extraigan" un mayor volumen de suelo cada año. Un mayor volumen de suelo también disponible para la explotación por unidad de tierra de cultivo también significa que un mayor volumen de agua del suelo sirve como depósito para períodos sin lluvia.
  3. Uso más eficiente de los nutrientes del suelo. Se ha descubierto que la lixiviación de nitrógeno de los fertilizantes es mucho menor en cultivos perennes como la alfalfa (alfalfa) que en cultivos anuales como el maíz. Un fenómeno similar se observa en campos no fertilizados cosechados para heno silvestre. Si bien los campos de trigo adyacentes requerían insumos anuales de fertilizantes, los pastos silvestres perennes continuaron produciendo heno rico en nitrógeno durante 75 a 100 años sin una disminución apreciable de la productividad o la fertilidad del suelo. Es de suponer que los sistemas de raíces más grandes de las plantas perennes y la comunidad microbiana que soportan interceptan y ciclan los nutrientes que pasan a través del sistema de manera mucho más eficiente que los sistemas de raíces efímeros de las plantas de cultivo.
  4. Producción sostenible en tierras marginales. Cassman y col. (2003) escribió que para grandes áreas en regiones pobres del mundo, “el cultivo anual de cereales… no es probable que sea sostenible a largo plazo debido al grave riesgo de erosión. Los cultivos perennes y los sistemas agroforestales se adaptan mejor a estos entornos ". Los cultivos perennes y los sistemas agroforestales actuales no producen cereales. El grano proporciona una mayor seguridad alimentaria que el forraje o la fruta porque puede ser consumido directamente por los seres humanos (a diferencia del forraje) y puede almacenarse (a diferencia de la fruta) para su consumo durante el invierno o la estación seca.
  5. Reducción de la erosión del suelo Servicio Forestal de EE. UU. Et al. citan las gramíneas perennes como preventivo de la erosión del suelo. Las plantas perennes de todo tipo establecen sistemas de raíces gruesas que atan el suelo y evitan la erosión de la superficie por el viento y el agua. Dado que la escorrentía de agua se ralentiza, tiene más tiempo para absorber e ingresar al sistema de agua subterránea. La afluencia neta de agua a los arroyos se reduce marginalmente debido a la infusión de agua subterránea, pero esto también reduce las altas tasas de flujo en los arroyos asociados con la erosión de los lechos de los arroyos que fluye rápidamente. .
  6. Aumento de las poblaciones de vida silvestre El Servicio Forestal de EE. UU. Y todos citan una liberación más lenta de agua en los arroyos, lo que hace que los niveles de agua sean más consistentes en lugar de alternar entre situaciones secas e inundaciones repentinas comunes en los desiertos. Los niveles de agua constantes contribuyen a aumentar las poblaciones de peces, anfibios, aves acuáticas y mamíferos que dependen de una fuente de agua constante.
  7. Competencia reducida de malezas "- Minimización de la labranza y las aplicaciones de herbicidas.
  8. Microbiomas del suelo mejorados : los cultivos de cereales perennes pueden nutrir microbiomas beneficiosos del suelo, ya que la frecuente alteración del suelo requerida en la producción anual de cultivos es perjudicial para estos microbiomas.
  9. Secuestrar más carbono : los granos perennes pueden secuestrar más carbono, debido a una mejor gestión del paisaje y al mantenimiento de más tierras de cultivo en producción.

Posibles desventajas

  1. No se ocupa de la seguridad alimentaria en la actualidad. Los cultivos de cereales perennes se encuentran en las primeras etapas de desarrollo y pueden pasar muchos años antes de alcanzar rendimientos equivalentes a los cereales anuales.
  2. Hace que la rotación de cultivos sea más difícil. Las rotaciones de cultivos con sistemas perennes son posibles, pero la rotación completa necesariamente llevará más tiempo. Por ejemplo, un cultivo de heno perenne como la alfalfa generalmente se rota con cultivos anuales u otros cultivos de heno perenne después de 3 a 5 años. El ritmo de rotación más lento, en comparación con los cultivos anuales, podría permitir una mayor acumulación de patógenos, plagas o malezas en la fase perenne de la rotación.
  3. Construye materia orgánica del suelo a expensas de la productividad de las plantas. En ausencia de labranza, y en suelos con materia orgánica empobrecida, los cultivos con sistemas de raíces grandes pueden acumular materia orgánica hasta el punto que casi todo el nitrógeno y fósforo del suelo se inmoviliza. Cuando esto sucede, la productividad puede disminuir hasta que la materia orgánica se acumule hasta un nivel en el que se alcance el equilibrio entre la mineralización de nutrientes y la inmovilización de nutrientes o se agregue fertilizante al sistema.
  4. Impactos hidrológicos. Las plantas perennes pueden interceptar y utilizar más la lluvia entrante. que las plantas anuales cada año. Esto puede resultar en la caída de las capas freáticas y / o la reducción del flujo superficial a los ríos.
  5. Reducción de la entrega de nutrientes a las granjas aguas abajo. La sustitución amplia de plantas anuales por plantas perennes en paisajes agrícolas podría estabilizar los suelos y reducir la lixiviación de nitratos hasta el punto de reducir la entrega de sedimentos y nitrógeno disuelto a los paisajes río abajo. Los agricultores de estas áreas pueden depender actualmente de estos aportes de nutrientes. Por otro lado, otros sectores podrían beneficiarse de una mejor calidad del agua.
  6. Hábitat mejorado para plagas. Si los campos no se dejan al descubierto durante una parte del año, las poblaciones de roedores e insectos pueden aumentar. La quema del rastrojo de granos perennes podría reducir estas poblaciones, pero es posible que no se permita la quema en algunas áreas. Además, los roedores e insectos que viven bajo tierra sobrevivirían a la quema, mientras que la labranza perturba su hábitat.

Granos perennes en el mercado

Kernza , un pasto de trigo intermedio , se ha estado desarrollando para su uso como cultivo de cereales desde la década de 1980. Desde 2001, el Dr. Lee DeHaan de la organización sin fines de lucro The Land Institute ha liderado el desarrollo del cultivo, acuñando el nombre de marca registrada Kernza en 2009.

Recientemente, el trabajo en Kernza se ha expandido rápidamente para incluir a más de 25 científicos líderes en diversos campos que trabajan en tres continentes. Este equipo internacional ha desarrollado técnicas de cultivo y ha mejorado drásticamente rasgos como la resistencia a la rotura, el tamaño de la semilla y el rendimiento, lo que permite que el cultivo se produzca y comercialice ahora a pequeña escala. Los socios de investigación de Kernza institucional de EE. UU. Ahora incluyen la Universidad de Minnesota, la Universidad de Wisconsin, Madison, la Universidad de Cornell, el estado de Ohio, el estado de Kansas y numerosas universidades internacionales en Canadá y Europa, incluida la Universidad de Minnesota, la Universidad de Lund e ISARA.

Como el primer cultivo de granos perennes que se cultiva en el norte de los Estados Unidos, los investigadores esperan que Kernza ayude a cambiar drásticamente la práctica agrícola, haciendo que las tierras de cultivo sean multifuncionales a través de la producción de alimentos y servicios ecosistémicos.

El Land Institute desarrolló la marca registrada para el grano de Kernza para ayudar a identificar el grano de pasto de trigo intermedio que está certificado como perenne utilizando los tipos más avanzados de semillas de T. intermedium .

Ver también

Referencias

enlaces externos