Las plantas enfrentan el ataque constante de enfermedades, insectos plaga y hongos, lo que resulta en pérdidas de rendimiento que amenazan la seguridad alimentaria mundial. El descubrir nuevas formas de ayudar a la planta a defenderse de los ataques es un gran reto para los científicos.
Las plantas viven en ambientes donde son constantemente atacadas por diferentes organismos. La mayoría de las plantas tienen dos vías para defenderse cuando algo las ataca. La vía del ácido salicílico, que las defiende contra los organismos que las parasitan, como los hongos, y la vía del ácido jasmónico que las defiende contra los organismos que buscan alimentarse de ellas, como los insectos.
La planta sólo puede activar una de las vías a la vez, y el defenderse de un tipo de ataque la hace más vulnerable al otro. Esto no es bueno cuando las plantas viven en ambientes donde están siendo atacadas por muchos organismos diferentes.
Se logró un avance reciente en una colaboración internacional dirigida por la Universidad de Nagoya. El profesor asociado Mika Nomoto y el profesor Yasuomi Tada, de la “Graduate School of Science”, identificaron una proteína llamada NPR1, que ayuda a las plantas a decidir cuál de las vías de defensa utilizar. Esta activa simultáneamente la vía del ácido salicílico y suprime la vía del ácido jasmónico. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la edición on-line de “Cell Reports”.
Al unirse al factor de transcripción MYC, NPR1 controla la vía del ácido jasmónico. Un factor de transcripción es como un interruptor en una fábrica donde los genes se activan o desactivan para producir más o menos de algo dependiendo de las necesidades de la planta. Al identificar la proteína, los científicos pueden comprender mejor el mecanismo utilizado para apagar el sistema de defensa contra los insectos. Anteriormente un misterio, este hallazgo podría ser vital para desarrollar cultivos resistentes a los insectos.
«Esperamos que este hallazgo conduzca al desarrollo de cultivares que sean resistentes tanto al daño por enfermedades como al daño por insectos plaga», dice el profesor Tada. Las plantas se enfrentan a infecciones y plagas durante todo su desarrollo. La posibilidad de que nuevas enfermedades puedan causar pérdidas significativas de cultivos es una preocupación constante. Esta mejor comprensión del sistema inmunológico de las plantas debería mejorar el desarrollo a largo plazo de estrategias más efectivas de manejo de enfermedades y plagas.
Maíz, arroz, trigo, caña de azúcar: la familia de las gramíneas contiene una variedad de especies que son importantes fuentes de alimento para los seres humanos y que han sido mejoradas y cultivadas durante milenios. Los animales salvajes y los de granja, también dependen en gran medida de los pastos para alimentarse: vacas, ovejas, caballos, bisontes, ciervos y cebras básicamente comen pasto. Casi el 70% de la superficie agrícola de Suiza son pastizales.
No obstante, el mejoramiento genético de pastos es difícil vía la naturaleza. Como muchas otras plantas con flores, las gramíneas han desarrollado un mecanismo que evita la endogamia después de la autopolinización. Los expertos llaman a este mecanismo «autoincompatibilidad». Esto asegura que ni el polen de la misma planta o el de plantas estrechamente relacionadas, pueda desarrollar un tubo polínico hacia el ovario y fertilizar el óvulo. Esto evita la endogamia, con todas sus consecuencias.
Para el fitomejoramiento, la autoincompatibilidad puede ser una desventaja. No solo complica el desarrollo de líneas homocigóticas, sino que también puede afectar la polinización de dos individuos estrechamente relacionados. Esto hace que sea más difícil alcanzar el progreso de mejoramiento de las características deseadas de la planta mediante cruzamiento.
Para poder explotar diferentes estrategias de fitomejoramiento, es esencial tener un conocimiento preciso de la autoincompatibilidad.
Genes de autoincompatibilidad en pastos decodificados por primera vez
Poco se sabe sobre la composición genética de la autoincompatibilidad en las gramíneas. En la década de 1960, los científicos descubrieron que la autoincompatibilidad está controlada por dos regiones genómicas separadas (loci). Pero con los métodos disponibles en ese entonces, los investigadores no pudieron determinar qué genes están realmente involucrados.
Ahora, por primera vez, los investigadores dirigidos por Bruno Studer, Profesor de Fitomejoramiento Molecular, han podido identificar los genes responsables de la autoincompatibilidad y determinar su secuenciación del ADN. Ellos hicieron esto en Rye grass perenne (Lolium perenne L.), una de las especies de pasto para césped y forraje más importantes del mundo.
El estudio está publicado en la revista “Molecular Biology and Evolution”.
Studer ha dedicado más de 15 años a este tema, junto con colaboradores de Dinamarca, Gales y EE. UU. En 2006, encontró genes que reducen el rendimiento de semillas en pastos forrajeros. Estaba buscando lo contrario: genes que aumentaran el rendimiento de las semillas. Los genes que identificó más tarde resultó que desempeñaron un papel en la autoincompatibilidad. En 2017, Studer y su equipo redujeron los dos loci a unos pocos genes candidatos potenciales. Ahora han entregado una descripción precisa de los tres genes que efectivamente componen los loci y controlan la autoincompatibilidad. «Este avance fue posible gracias a los avances tecnológicos en el análisis del genoma. Es solo en los últimos años que estos han hecho posible secuenciar de manera eficiente el genoma completo de un organismo individual», dice.
Estos hallazgos están abriendo nuevas posibilidades de mejoramiento no solo para pastos forrajeros, sino también para importantes cultivos de gramíneas autopolinizantes para consumo humano, como el arroz o la cebada. Si se conocen los genes de la autoincompatibilidad, se pueden manipular de formas específicas. Desactivarlos hace posible el desarrollo de líneas endogámicas. Otro enfoque es insertar los genes en el genoma de pastos que han perdido su autoincompatibilidad para obtener poblaciones genéticamente diversas. Para Studer, una cosa está clara: «El conocimiento de estos genes nos ha dado una base importante para controlar este mecanismo y usarlo para la reproducción».
Interacción de 2 loci distantes
Esencialmente, la autoincompatibilidad se basa en la interacción de los dos loci, el locus S y el locus Z, que se encuentran en diferentes cromosomas.
Los genes codifican tres proteínas diferentes, que forman una especie de mecanismo de llave y candado que reconoce si el polen que ha llegado al estigma es genéticamente similar o no está relacionado. Esto activa una señal que aborta el proceso de fertilización o bien lo continúa hasta su finalización.
Actualmente, Studer y su equipo están estudiando las estructuras de estas proteínas y cómo interactúan para diferenciar entre el polen extraño y el propio polen de la planta. Para ello, utilizan métodos especiales de inteligencia artificial para modelar la estructura de las proteínas correspondientes en función de la secuencia del gen, junto con modelos que predicen las interacciones entre estas moléculas.
Un mecanismo único de autoincompatibilidad
Además, los investigadores han estudiado cómo la autoincompatibilidad basada en dos loci podría haber evolucionado en la familia de las gramíneas, ya que todos los demás mecanismos conocidos de otras familias de plantas se basan en un solo locus. Es probable que, en la historia evolutiva de las gramíneas, el locus Z inicialmente se duplicó y luego la copia sufrió numerosas mutaciones, lo que condujo a la diversificación.
«Ahora hemos secuenciado los dos loci en una gran cantidad de plantas herbáceas. Lo que hemos encontrado es que el locus S tiende a tener una variación de secuencia más baja y aún se está diversificando, mientras que el locus Z no cambia tanto. A partir de esto concluimos que el locus Z podría ser más antiguo en términos evolutivos», explica Studer.
Al rastrear la filogenia de los pastos, los investigadores también han descubierto cuando ocurrió la duplicación de locus y cuándo las especies divergieron entre sí. Además, el árbol filogenético reveló qué pastos no sufrieron duplicación de locus y qué especies han perdido su autoincompatibilidad, por ejemplo, a través de mutaciones.
Pero, ¿cuál es el beneficio evolutivo de la autoincompatibilidad basada en dos loci? «A primera vista, asumimos que abrió muchas más posibilidades y flexibilidad para que las plantas de la familia de las gramíneas reconozcan su propio polen», dice Studer. Esto podría haber sido importante para la familia de las gramíneas, cuyas 16.000 especies están distribuidas en todos los continentes, lo que la convierte en una de las familias de plantas más grandes y exitosas del mundo.
El trigo que contiene ADN poco común proveniente de parientes silvestres, se beneficia hasta de un 50 por ciento más de rendimiento en climas cálidos, en comparación con las líneas de élite que carecen de estos genes, de acuerdo con un nuevo estudio.
Después de un año en el que se batieron récords de altas temperaturas, la investigación del Instituto Earlham en Norwich, en colaboración con el Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT), ofrece una posibilidad muy necesaria para mejorar la resiliencia de los cultivos y la seguridad alimentaria frente al cambio climático.
Las pruebas de campo en México también enfatizan la importancia de la diversidad genética en cultivos clave, donde décadas de reproducción selectiva han reducido su capacidad de adaptación a un planeta que se calienta rápidamente.
Existe una creciente incertidumbre en torno a la capacidad de los principales cultivos alimentarios para seguir satisfaciendo la demanda mundial a medida que aumentan las temperaturas y los fenómenos meteorológicos se vuelven más extremos.
El trigo proporciona más calorías globales que cualquier otro cultivo, sin embargo, la mayor parte del trigo que se cultiva en todo el mundo tiene una variabilidad genética limitada, lo que lo hace vulnerable a los impactos del cambio climático.
«El trigo es responsable de alrededor del 20 por ciento de las calorías consumidas a nivel mundial y se cultiva ampliamente en todo el mundo», dice el profesor Anthony Hall, autor del estudio y líder de grupo en el Instituto Earlham. “Pero no sabemos si los cultivos que estamos sembrando hoy en día, podrán hacer frente al clima del mañana”. «Para empeorar las cosas, el desarrollo de nuevas variedades puede llevar una década o más, por lo que es vital actuar con rapidez».
En colaboración con el CIMMYT, los investigadores del Instituto Earlham establecieron una prueba de campo de dos años en el desierto de Sonora en México. Estudiaron 149 líneas de trigo, que comprendieron desde líneas élite ampliamente utilizadas hasta aquellas creadas selectivamente para incluir ADN de parientes silvestres y variedades locales de México e India.
«Cruzar las líneas de trigo élite con material exótico tiene sus retos», dijo Matthew Reynolds, coautor del estudio y líder de Fisiología del Trigo en el CIMMYT. «Existe un riesgo bien reconocido de traer más rasgos indeseables que deseables, por lo que este resultado representa un avance significativo para superar esa barrera y la utilización continua de los recursos genéticos para impulsar la resiliencia climática».
Las siembras se establecieron en fechas tardías dentro de la temporada de cultivo, para que las plantas crecieran durante los meses más cálidos, poniendo a estos cultivos bajo el tipo de estrés por efecto de alta temperatura, que se prevé se convierta en la norma a medida que aumentan las temperaturas globales.
Los investigadores descubrieron que las plantas que se generaron con ADN exótico lograron un rendimiento 50% mayor que las líneas de trigo élite, sin éste ADN. Es importante destacar qué bajo condiciones normales, las líneas exóticas no se desempeñaron peor que las líneas de élite.
Los investigadores secuenciaron las plantas para localizar las diferencias genéticas específicas responsables del aumento de la tolerancia a alta temperatura. Identificaron marcadores genéticos que podrían permitir la introducción específica de este ADN exótico benéfico en líneas de élite, ofreciendo una forma rápida de mejorar la resiliencia climática y mitigar las pérdidas generalizadas de cultivos.
Benedict Coombes, autor del estudio y estudiante de Doctorado en el Instituto Earlham, dijo: «Al mismo tiempo que tratamos de producir más alimentos con menos suelo para alimentar a una población mundial en crecimiento, necesitamos urgentemente preparar los cultivos que estamos sembrando para el futuro, para que puedan prosperar en un clima cada vez más hostil».
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«La clave de esto, que cada vez más estamos detectando, puede estar dentro de los recursos genéticos en gran parte sin explotar, de los parientes silvestres y las variedades locales del trigo».
Los investigadores sugieren que los programas de mejoramiento integren las características de tolerancia al calor como una estrategia preventiva para producir cultivos de trigo que puedan hacer frente a un clima menos predecible.
«Esta es ciencia que ahora podemos usar para tener un impacto casi inmediato», agregó el profesor Hall. «Hemos realizado las pruebas de campo, sabemos qué marcadores genéticos estamos buscando y estamos iniciando conversaciones con mejoradores de trigo, por lo que esperamos que este sea el primero de muchos pasos para contribuir a la seguridad alimentaria mundial en los próximos años «.
«Los descubrimientos que estamos haciendo y las medidas que estamos tomando, consideramos que significarán que las personas de todo el mundo puedan seguir teniendo alimentos nutritivos en sus platos».
El trabajo se publicó en la revista Communications Biology.
Si bien puede ser un reto cambiar un sistema de producción agrícola, un suelo que se maneja teniendo en mente la materia orgánica, es un suelo que a futuro será fuerte, saludable y resiliente durante mucho tiempo, y eso es importante.
Invierta en el balance de Materia orgánica de su suelo
Piense en el suelo como si fuera un banco. Queremos hacer más depósitos de Carbono que retiros.
Los depósitos de Carbono incluyen:
Establecer e incorporar cultivos de cobertura, plantas perennes en rotación de cultivos, estiércol o compost.
Dejar residuos de cultivos en el campo.
Reducir la intensidad de la labranza mediante la adopción de labranza cero o labranza en franjas.
Los retiros de Carbono incluyen:
Realizar múltiples pasadas de labranza con equipos agresivos.
Rotaciones de cultivos estrictas
Erosión eólica e hídrica
La formación de materia orgánica en el suelo es un proceso de equilibrio y será diferente para cada agricultor.
Formar materia orgánica lleva tiempo
Hay que tener expectativas realistas acerca de cuánto tiempo llevará formar materia orgánica en el suelo.
La materia orgánica protege al suelo de los cambios químicos, físicos y biológicos. Esto significa que en los suelos con menor contenido de materia orgánica (0 a 2.0 %) se pueden ver cambios dentro de los 3 a 5 años posteriores al cambio de manejo, mientras que los suelos con mayor contenido de materia orgánica (4.0 a 7.0 %), pueden tardar entre 7 y 10 años o más para mostrar un cambio.
Este proceso también está limitado por el clima de una región y la duración de la temporada de crecimiento. Aunque la materia orgánica puede cambiar lentamente a través del tiempo, algunos beneficios serán más inmediatos. Éstos incluyen:
Mejor infiltración del agua.
Mayor resiliencia de los cultivos a condiciones climáticas extremas.
Mayor capacidad de carga del suelo.
¿Qué nivel de materia orgánica es ideal?
La materia orgánica se basa en muchos factores. Los suelos con niveles más altos de limo y arcilla usualmente tienen niveles más altos de materia orgánica que los suelos de textura más arenosa. Por ejemplo, un 2.0 % de materia orgánica en un suelo arenoso es muy bueno y difícil de alcanzar, pero en un suelo arcilloso un 2.0 % indica una situación de agotamiento.
Como monitorear el suelo
Si está interesado en medir y monitorear el estatus de la materia orgánica de su suelo, no necesita ir mucho más allá de realizar un análisis de suelo estándar. La mayoría de los análisis de fertilidad incluirán una medición del porcentaje de materia orgánica del suelo junto con el contenido de nutrientes.
Recomendaciones para tomar muestras de suelo
Asegúrese de quitar los residuos de la superficie y el material vegetal de la muestra de suelo antes de enviarla, ya que ese material inflará sus valores de materia orgánica. Recuerde que los niveles de materia orgánica no cambian rápidamente y es posible que solo vea aumentos de una fracción de un porcentaje en unos pocos años.
Pruebas de sanidad del suelo
Los laboratorios comerciales también ofrecen cada vez más, pruebas adicionales de sanidad del suelo que incluyen «carbón activo» y «estabilidad de agregados». Estas pruebas se pueden usar para complementar los análisis de suelo estándar y realizar un seguimiento de los cambios en la respuesta del suelo al manejo, el tipo de cultivo o las nuevas prácticas adoptadas.
Es de esperar que las mediciones de Carbono activo fluctúen dentro de una temporada de crecimiento y entre temporadas de crecimiento, porque este es mucho más dinámico que la materia orgánica total. Se puede contemplar que la estabilidad de los agregados responda en un lapso de 3 a 5 años, dependiendo de la textura del suelo (los suelos arcillosos se agregarán más rápido y con más fuerza que los suelos francos y arenosos).
Fuente: Soil organic matter in cropping systems. University of Minnesota Extension.
La materia orgánica del suelo tiene una tendencia natural a acumularse cuando este está ocupado por vegetación y no se altera. Por ejemplo, los niveles de materia orgánica del suelo aumentan lentamente a través del tiempo en suelos con praderas nativas o suelos de bosques.
Los suelos que se utilizan para la producción de cultivos son una historia diferente. A medida que trabajamos con ellos, removemos cultivos y residuos, y los manejamos de manera intensiva, su tendencia natural a acumular materia orgánica se detiene, y se producen pérdidas en lugar de ganancias (Figura 18). Este es un problema que se puede reducir con el manejo, pero para saber cómo minimizar estas pérdidas, debemos entender por qué ocurren.
Perturbación física
Cuando un suelo es físicamente alterado, como ocurre debido a la labranza, la estructura del mismo que retiene y protege la materia orgánica, es destruida. La exposición de esa materia orgánica protegida (Carbono) a los descomponedores, en combinación con la aireación del suelo, da como resultado una pérdida rápida de Carbono orgánico en forma de Dióxido de Carbono (CO2). Inclusive una pasada de labranza reducirá la materia orgánica del suelo. Con perturbaciones más frecuentes e intensas, la materia orgánica del suelo se reducirá aún más.
Además, a medida que se destruye el hogar de los microorganismos del suelo y físicamente se rompen las hifas fúngicas, la actividad microbiana se ralentiza y tomará algún tiempo recuperarla después de que el suelo es alterado.
Remover y mezclar el suelo también afecta sus niveles de materia orgánica. Imaginemos cómo la labranza mezcla esa rica capa superficial del suelo con las capas más profundas.
Dado que las capas más profundas tienen un contenido de materia orgánica mucho menor, mezclarlas tiene un efecto de dilución sobre la materia orgánica en la zona de raíces. Esta redistribución y homogeneización de la materia orgánica del suelo disminuye sus beneficios y retrasa su acumulación.
Remoción de residuos del campo
Puesto que sabemos que un suministro continuo de residuos al suelo es importante para la formación de materia orgánica, debemos ser cautelosos con respecto a la cantidad de residuos que removemos de un campo.
La cantidad de residuos de maíz que se puede cosechar de manera sustentable en ausencia de aportaciones de Carbono (estiércol, subproductos orgánicos, plantas perennes o cultivos de cobertura) depende del sistema de rotación de cultivos y del sistema de labranza (Figura 18).
Cómo la labranza afecta la eliminación sustentable de residuos
La labranza afecta la cantidad de residuos que se pueden cosechar. Con una labranza más agresiva, se incorporan más residuos y aire al suelo. Esto a su vez, promueve la descomposición de los residuos de cultivo y de la materia orgánica por parte de los microorganismos del suelo (especialmente las bacterias).
A medida que avanza la descomposición, la mayor parte del Carbono en los residuos de cultivo y en la materia orgánica del suelo, se libera a la atmósfera en forma de dióxido de carbono.
El potencial para la cosecha sustentable de residuos de cultivos es mucho mayor en un sistema continuo de maíz. Si los rendimientos de grano son consistentemente mayores a 200 bushels/acre (13.45 Ton/ha), entonces el 44 % de los residuos de maíz podrían cosecharse anualmente sin afectar severamente la materia orgánica del suelo (Figura 18).
En comparación, solo el 19% de los residuos de maíz podrían cosecharse de manera sustentable con un sistema de labranza con arado de vertedera en producción continua de maíz.
Cómo afecta el rendimiento la remoción sustentable de residuos
Por lo general, se producen más residuos con mayores rendimientos de grano. Por ejemplo, si los rendimientos de maíz continuo superan los 250 bushels /acre (16.81 Ton/ha), se pueden cosechar tres pacas redondas grandes por acre sin disminuir la materia orgánica del suelo, incluso con arado de vertedera. Por otra parte, en este sistema no se recomienda la cosecha de residuos cuando el rendimiento de grano es de 150 bushels/acre (10.09 Ton /ha) ó menos.
Los productores deben tener en cuenta que los niveles de rendimiento pueden fluctuar mucho de un año a otro y posiblemente ajustar la cantidad de residuos cosechados en este caso.
Erosión del suelo
La erosión del suelo es el desgaste de la capa superficial del campo, debido a las fuerzas físicas del viento y el agua. Este puede acelerarse mediante fuerzas asociadas con actividades agrícolas, como la labranza.
La capa superior del suelo tiene la mayor concentración de materia orgánica, nutrientes, y es donde se lleva a cabo la mayor parte de su actividad biológica.
El suelo que no está protegido por residuos o por una cubierta viva está sujeto a erosión. Las prácticas que aumentan la erosión del suelo (labranza excesiva y agresiva, cultivos con pocos residuos y compactación) también reducen la materia orgánica.
Erosión por el viento (Erosión eólica)
Muestras de suelo recolectadas en Marzo, en zanjas del Oeste del Condado de Minnesota, revelan un promedio de 9.1 toneladas/acre, ó 18,200 libras/acre, (22.48 Ton/ha ó 20.4 Ton/ha) de suelo recolectado en un área que mide media milla por 16 pies (804.6 metros por 4.9 metros aproximadamente), lo que equivale a un acre (Tabla 4)
El viento no solo arrastró tierra del campo (Figura 20), sino que también se llevó nutrientes como el Nitrógeno, el Fósforo y el Potasio.
Cuando el suelo es arrastrado por el viento (erosionado), el mejor suelo deja el campo, para nunca volver, y los nutrientes que contiene no estarán disponibles para los cultivos.
La pérdida de suelo a través de la erosión eólica reduce las ganancias y la productividad del campo al llevarse este recurso no renovable, el suelo, y los nutrientes. Ambos recursos son necesarios para la producción de cultivos y son irremplazables, o costosos de reemplazar.
Fuente: Soil organic matter in cropping systems. University of Minnesota Extension.
El sistema de labranza puede influir en la cantidad de residuos. En un estudio realizado en Minnesota, se compararon tres sistemas de labranza que difieren en sus efectos de perturbación al suelo, con la labranza cero (NT):
1. Arado de vertedera (MP).
2. Arado de discos (DH).
3. Arado de cincel (CP).
En este estudio, los residuos de trigo del ciclo de anterior aportaron 2,844 libras de materia orgánica por acre al suelo (aproximadamente 3187.7 kg/ha), como se muestra en la siguiente gráfica.
Cuando se utilizó arado de vertedera (MP), el suelo perdió más de 3,800 libras de materia orgánica por acre, dentro de los 19 días posteriores a la pasada de la labranza primaria. Esto es, 1,000 libras más de lo que se aportó por la contribución total de materia orgánica del cultivo anterior como se muestra en la siguiente gráfica.
Además, con este sistema se seguirá perdiendo materia orgánica en la primavera, cuando se laborea el campo para prepararlo para la siembra. Si este método se utiliza año tras año, el contenido de materia orgánica del suelo disminuirá drásticamente a través del tiempo.
Estos valores de pérdida de materia orgánica, son sustancialmente mayores en comparación con los tratamientos sin labranza (NT), los cuales perdieron solamente 767 libras de materia orgánica por acre (859.7 kg/ha), debido a los procesos naturales del ciclo del Carbono.
El arado de discos (DH) y el arado de cincel (CP) estuvieron en el rango medio de pérdida de materia orgánica.
Calidad de Residuos
La selección de cultivos en una rotación, el uso de cultivos de cobertura o la adición de composta y estiércol pueden influir en la calidad de los residuos. Tiene sentido que una mayor diversidad de tipos de alimentos soportará más tipos de microorganismos, los cuales trabajarán intensamente para convertir esos alimentos en materia orgánica estable.
Los seres humanos no pueden obtener todos los nutrientes que necesitan a partir de un solo tipo de alimentos, además, no a todos les gusta consumir los mismos tipos de alimentos, de ahí que se necesita una gran diversidad
para mantener a todos sanos y felices. De la misma manera, proporcionar a los microorganismos una variedad de alimentos, es decir, residuos que varían en su relación C:N, ayudará a formar materia orgánica en el suelo.
Para lograr este objetivo se puede manejar algunas de las siguientes opciones:
• Incluir tres o más cultivos en una rotación en un período de tres años. Una rotación estricta ofrece menor calidad y menos opciones de alimentos.
• Incorporar un cultivo perenne, como pastos forrajeros o leguminosas forrajeras en la rotación.
• Establecer cultivos de cobertura y abonos verdes durante los períodos que de otro modo estarían en barbecho.
• Aplicar composta, estiércol u otros materiales orgánicos.
Con el propósito de ilustrar cómo puede afectar el estiércol a los microorganismos del suelo, se tomaron muestras de dos tipos de campos en el Centro de Investigación y Divulgación de West Central en West Central, Minnesota:
1. Campos que habían sido tradicionalmente abonados con estiércol.
2. Campos que no habían recibido estiércol.
Se encontró que los campos abonados tenían un 45 % más de biomasa microbiana (un indicador temprano de los cambios en el Carbono orgánico total del suelo), un 40 % más de hongos y un 43 % más de bacterias.
El estiércol ofrece una fuente de alimento diversa para los microorganismos del suelo, y sus poblaciones respondieron. Cualquiera de estas estrategias, o una combinación de ellas, ayudará a generar materia orgánica en el suelo.
Relación Carbono:Nitrógeno de los residuos
Las relaciones Carbono/Nitrógeno (C:N) influyen en la velocidad de descomposición de los residuos. Esta relación también determina si el Nitrógeno se mineralizará (liberará) a medida que el material se descomponga o si será inmovilizado (ligado) por la comunidad de descomponedores a medida que estos descomponen el material.
¿Por qué varía la velocidad de descomposición?
Los diferentes tipos de residuos tienen diferentes velocidades de descomposición, pero ¿cuál es la razón?
La respuesta radica en las diferencias en la química de los residuos y los requerimientos nutricionales de los descomponedores.
Relaciones Carbono:Nitrógeno más altas
Un residuo con una relación C:N de alrededor de 25:1 proporciona el equilibrio perfecto de energía y nutrientes para los microorganismos del suelo. Los residuos con una mayor relación C:N, como el aserrín (alrededor de 400:1), la paja de trigo (80:1) o el rastrojo de maíz (60:1), no proveerán suficientes nutrientes para soportar una alta actividad y biomasa microbiana. En esos casos, los residuos tardan en descomponerse, ya que los microorganismos dependen de otras fuentes de nutrientes para continuar con su actividad. Estos microorganismos descomponedores removerán cualquier Nitrógeno libre en el suelo (o lo inmovilizarán en sus cuerpos), mientras se alimentan de materiales con alto contenido de Carbono.
Relaciones Carbono:Nitrógeno más bajas
Los residuos con relaciones C:N inferiores a 25:1, como el estiércol (20:1) o la alfalfa (12:1), proporcionarán una gran cantidad de nutrientes a los microorganismos, lo suficiente para que el exceso de Nitrógeno se libere (o mineralice) en el suelo. En estos casos, los descomponedores tienen todos los nutrientes que requieren en los residuos, por lo que permanecen activos y la descomposición se produce rápidamente.
Constantemente, la materia orgánica del suelo es una mezcla de diferentes tipos de residuos, cada uno con diferente relación C:N y velocidad de descomposición, como se muestra en la siguiente figura.
Los valores de la relación C:N de los residuos son diferentes a los de una muestra de suelo. Las relaciones C:N del suelo suelen ser bajas (alrededor de 12:1), lo que refleja la relación C:N de las porciones mineral, orgánica y viviente del suelo.
Fuente: Soil organic matter in cropping systems. University of Minnesota Extension.
La materia orgánica es de vital importancia para promover la sanidad del suelo. Los microorganismos del suelo también juegan un papel importante en ello.
Para que los microorganismos prosperen y lleven a cabo sus diversas actividades, necesitan: (1) alimento, (2) contar con un refugio resistente y (3) no estar sometidos a alteraciones físicas y químicas drásticas. Estos mismos aspectos, brindan condiciones para aumentar los niveles de materia orgánica de un suelo. En otras palabras, cuando quiera formar materia orgánica, prepare el hábitat subterráneo.
Establecimiento del Hábitat Subterráneo
La formación de materia orgánica depende de mantener un flujo estable de Carbono dentro del suelo. Mientras que los microorganismos incorporen residuos de plantas (materia orgánica activa) en sus cuerpos, la reserva estable de materia orgánica del suelo también aumentará. Las raíces vivas son una excelente forma de para mantener felices a los microorganismos, proporcionándoles una fuente de alimento de alta calidad para propiciar su actividad.
Alimento
La materia orgánica activa es una fuente de alimento importante para los microorganismos. Esta fuente de alimento diversa y de fácil descomposición promueve una comunidad biológica saludable y resiliente.
Algunas prácticas agrícolas crearán una fuente de alimento para los microorganismos y también contribuirán a la formación de materia orgánica en el suelo:
Dejar residuos de cultivos sobre la superficie del suelo.
Incluir plantas perennes o cultivos de cobertura para maximizar el crecimiento de plantas y raíces.
Reducir las perturbaciones del suelo.
Adicionar materiales orgánicos como estiércol y subproductos orgánicos.
Un refugio resistente
Un suelo bien agregado ofrece muchas opciones de alojamiento para los microorganismos que lo habitan, mientras que en un suelo con labranza excesiva los poros y los agregados se destruyen. La labranza agresiva separa las partículas de suelo, formando espacios porosos pequeños, lo que limita los tipos de microorganismos que pueden habitar este entorno. Para promover la agregación del suelo, se necesita una perturbación mínima y una variedad de hábitos de crecimiento durante toda la temporada.
Evitar cambios físicos y químicos drásticos
La labranza es un ejemplo de un cambio drástico que puede inhibir el crecimiento y la diversidad microbiana. La labranza mueve, esponja y rompe los agregados del suelo. Los cambios rápidos en la humedad o la temperatura del suelo, así como un incremento en la erosión por el viento o el agua, son efectos directos de la labranza.
Cuanto más agresivo, profundo y frecuente se labra el suelo, más se ven afectados los microorganismos.
Para proteger el suelo de los cambios drásticos de humedad y temperatura, es necesario cubrirlo. Los residuos de cultivos o los cultivos vivos, incluidos los cultivos de cobertura, brindan una buena protección al suelo.
Considerar las aportaciones de Materia Orgánica al suelo
Además de proporcionar los recursos para sustentar la actividad microbiana, es importante considerar tanto la calidad como la cantidad de materia orgánica que ingresa al suelo. Como se mencionó anteriormente, un suelo saludable tiene un suministro constante de formas activas y estables de materia orgánica. Esto significa que la formación de materia orgánica en el suelo requiere:
Maximizar el tiempo y el espacio que ocupan las raíces de las plantas y los residuos (cantidad de residuos)
Residuos de plantas con una diversidad de relaciones C:N (calidad de residuos).
Fuente: Soil organic matter in cropping systems. University of Minnesota Extension.
¿Qué pasa con los beneficios nutricionales de la materia orgánica activa? La materia orgánica activa está repleta de nutrientes frescos y accesibles (Tabla 1). A medida que los organismos del suelo degradan y descomponen la materia orgánica del suelo, los nutrientes serán consumidos por los organismos del suelo y liberados en la solución del suelo, en donde queda libre para ser absorbida por las plantas y otros organismos o bien se pierde por lixiviación o volatilización. Mientras haya materia orgánica activa en descomposición, proporcionará un suministro lento y constante de nutrientes a la solución del suelo (mineralización).
Tabla 1. Contenido de nutrientes de la materia orgánica del suelo y valor de fertilizante asociado (NRCS.USDA.gov).
Las cantidades de nutrientes disponibles por año son más bajas y requieren mineralización para que las plantas las absorban. Estimación: 2 millones de libras en las 6 pulgadas superiores de un acre de suelo, y 1.0 % de materia orgánica pesa 20,000 libras.
Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)
La forma disponible para la planta de la mayoría de los nutrientes es un ion, un átomo o una molécula que tiene una carga. Un ion que tiene carga positiva se llama catión, mientras que un ion que tiene carga negativa es un anión.
La carga de un ion determinará cómo se comporta en el suelo. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) mide la capacidad del suelo para retener temporalmente diferentes cationes, y muchos nutrientes en el suelo son cationes.
El suelo en las Grandes Llanuras del Norte tiene una carga neta negativa y puede retener iones cargados positivamente como Calcio (Ca++), Magnesio (Mg++), Zinc (Zn++), potasio (K+) y amonio (NH4+). Sin embargo, el suelo tiene dificultad para retener aniones como Sulfato (SO4=) y Nitrato (NO3-).
La Materia Orgánica del suelo contribuye a la CIC
La materia orgánica del suelo otorga entre el 20 y el 80 % de la CIC en los suelos minerales.
La CIC neta de un suelo depende de su textura (porcentaje de arena, limo o arcilla que contiene) y de la naturaleza de la materia orgánica, pero principalmente es la reserva estable de materia orgánica la que le proporciona esta propiedad (Tabla 2). En general, cuanto mayor sea el contenido de materia orgánica en el suelo, mayor será la CIC y es más probable que el suelo retenga los nutrientes.
Otro beneficio de CIC es que permite intercambiar iones de hidrógeno, lo que determina el pH de la solución del suelo. Una CIC más alta permite que el pH del suelo sea más resistente a cambios considerables y rápidos, lo que también protege la disponibilidad de nutrientes y la sanidad de las plantas en el suelo.
Tabla 2. Rango de Capacidad de Intercambio Catiónico para cada textura de suelo y para Materia Orgánica.
Fuente: Cordero et al. Universidad de Minnesota.
Diversidad microbiana y resiliencia
La materia orgánica es la principal fuente de alimento para muchos organismos del suelo. No es sorpresa que un suministro constante de materia orgánica activa en el suelo soportará una comunidad activa y diversa de microorganismos.
Los microorganismos del suelo son importantes para impulsar los ciclos de nutrientes e influir en su disponibilidad para las plantas. Confiamos en su actividad para que los fertilizantes estén disponibles para su absorción y para la producción de cultivos saludables.
La diversidad microbiana es importante porque diferentes especies pueden realizar la misma función, como convertir la materia orgánica en nutrientes disponibles para las plantas.
Si las condiciones del suelo no son apropiadas para una especie, otra especie que pueda tolerar esas condiciones puede intervenir para hacer el trabajo, esto se llama “redundancia funcional”.
Los suelos son bien conocidos por albergar una gran diversidad microbiológica, lo que los hace resilientes a una amplia gama de condiciones en constante cambio.
Además de proporcionar una fuente de nutrientes y energía para los microorganismos, la materia orgánica del suelo también es importante para crear y mantener el hábitat microbiano del suelo.
El apoyo a las especies y la diversidad metabólica requieren de una variedad de hábitats en el suelo, que incluyen:
Condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
Condiciones de humedad y sequía.
Condiciones de abundancia y deficiencia de nutrientes.
Espacios porosos grandes y pequeños.
La materia orgánica ayuda a crear una combinación de estas condiciones y así una gama de refugios para respaldar la diversidad de la que dependemos para el funcionamiento del suelo.
Rendimiento del Cultivo
Una revisión reciente del rendimiento y la materia orgánica del suelo, indicó que el contenido de ésta puede influir en el rendimiento de los cultivos, pero solo hasta cierto punto.
En los sistemas de producción de maíz y trigo, los rendimientos aumentaron a medida que aumentó el carbono orgánico del suelo, pero esos beneficios disminuyeron una vez que el contenido de carbono orgánico superó el 3.45 % de materia orgánica.
Cuando los niveles de materia orgánica son más altos, otros factores pueden volverse más importantes para influir en el rendimiento. Estos pueden ser limitaciones de ciertos nutrientes, clima, genética o algunos otros.
Si bien, hasta cierto punto el aumento de la materia orgánica puede afectar el rendimiento, sus beneficios colectivos en la productividad, estructura y sanidad del suelo son sustanciales y no deben ignorarse.
Fuente: Soil organic matter in cropping systems. University of Minnesota Extension.
Aunque la Materia Orgánica puede constituir una pequeña porción de la masa total del suelo, tiene una gran influencia en sus características y funcionalidad:
Retención de humedad y drenaje
La materia orgánica aumenta la capacidad de un suelo para recibir y retener más agua.
La materia orgánica particulada sirve como un agente de volumen de baja densidad, ligero, similar a una esponja. Este material ayuda a crear y mantener grandes espacios porosos y canales en el suelo, que permiten que el agua se infiltre y drene, y también pequeños espacios porosos que retienen el agua. Además, los residuos vegetales que son esponjosos y absorbentes también pueden hincharse y retener agua.
Por otra parte, los residuos sobre la superficie del suelo, la protegen de los elementos atmosféricos: viento, lluvia y radiación solar. Es decir, pueden evitar la formación de una costra dura en el suelo, así como reducir los riesgos de la erosión, al desacelerar el movimiento del agua y el aire sobre su superficie.
La materia orgánica actúa como una esponja.
Debido a que la materia orgánica actúa como una esponja, puede retener agua para que esté disponible para la absorción por parte de las plantas y drenar el exceso.
La siguiente figura muestra el contenido de agua en suelos de diferentes texturas, con niveles de materia orgánica que van del 1% al 5%.
A medida que aumenta el contenido de materia orgánica del suelo, también aumenta su capacidad para retener agua. Esto es importante porque favorece una disponibilidad de agua constante para su absorción por parte del cultivo en crecimiento.
Los investigadores encontraron que mientras crecía, un cultivo de maíz usó un estimado de 0.25” de la humedad del suelo por día. En un suelo franco limoso, el maíz podría pasar tres días más antes de necesitar un evento de lluvia, si el contenido de materia orgánica se incrementa del 3% al 4%.
Esta figura también ilustra por qué las cimas de las colinas se secan mucho más rápido que las áreas bajas. Las cimas de color café claro de las colinas de Minnesota y del Este de Dakota del Norte, generalmente tienen un contenido de materia orgánica inferior al 1%. Las áreas más bajas y de color más oscuro de estos mismos sitios, pueden tener de un 3 a 5% de materia orgánica.
Tomando un promedio de 4%, el maíz en las áreas bajas de un suelo franco-arcillo-limoso puede pasar cinco días más antes de necesitar un evento de lluvia. El estrés hídrico durante el espigamiento del maíz puede reducir la formación del grano, lo que resulta en una pérdida del rendimiento del 3 al 8 % por cada día de estrés.
Estructura del suelo
Los exudados de las plantas y los subproductos microbianos, ambos considerados materia orgánica activa, son sustancias pegajosas que ayudan a que las partículas del suelo se mantengan unidas para formar y agregados estables. Este “pegamento” de materia orgánica ayuda directamente al desarrollo del suelo al mantener la estructura de los agregados. La materia orgánica también alimenta a los microorganismos y les ayuda a crecer y metabolizar. Estas actividades promueven aún más la agregación del suelo.
Beneficios físicos de una mayor agregación
Mejor aireación: Las raíces de las plantas y los organismos del suelo también necesitan oxígeno. Al promover el intercambio de aire con la atmósfera, la comunidad del suelo puede mantenerse activa y saludable, y pueden ocurrir reacciones químicas importantes que impactan la fertilidad.
Mejor friabilidad o laboreo: Mejor friabilidad significa que el suelo es desmenuzable, en lugar de estar compactado y duro. La capacidad del suelo para desmoronarse facilitará la colocación de semillas y fertilizantes y creará un medio de enraizamiento ideal para las plantas.
Menos formación de costras: Si el suelo está bien agregado, es menos probable que se forme una costra. La formación de costras evita que el agua y el aire entren en el suelo, puede evitar que emerjan las plántulas y favorece la pérdida de agua por escorrentía.
Mejor infiltración, drenaje y almacenamiento de agua: Los suelos agregados permitirán que el agua entre y se drene en el suelo, creando una red de poros y canales a través de todo el perfil. Un suelo bien agregado tiene una variedad de formas y tamaños de poros. Después de un evento de humedecimiento, algunos poros se drenarán por completo y se llenarán de aire fresco, otros son lo suficientemente pequeños como para retener el agua, que estará disponible para la absorción de la planta.
Esta estructura ayuda a un suelo a amortiguar las fluctuaciones extremas en su contenido de humedad durante largos períodos de saturación o de sequía.
La resiliencia del suelo se refiere a la capacidad de un suelo para resistir o recuperar su estado de sanidad en respuesta a influencias desestabilizadoras (es decir, sequía, exceso de humedad y labranza).
Beneficios biológicos de una mayor agregación
Una morada: Los microorganismos, lombrices e insectos del suelo necesitan un lugar para vivir y los agregados ayudan a proporcionar un hábitat para estos organismos. Debido a que un suelo agregado tiene poros de diversas formas y tamaños, hay un espacio para todos.
Almacenamiento de alimentos: Dado que la materia orgánica se incorpora a los agregados a medida que se forman, estos sirven como una fuente de alimento de liberación lenta para los microorganismos y otros organismos del suelo. Aunque es posible que deban esperar hasta que los agregados se deshagan después de los ciclos de humedad/secado o de congelación/descongelación, los agregados garantizan que siempre haya un “refrigerio en la despensa”.
El color café oscuro o negro de la capa superior del suelo es causado por capas de materia orgánica que cubren las partículas del suelo. Los suelos oscuros de las Grandes Llanuras del Norte contienen mucha materia orgánica estable y esto se puede detectar con solo mirar el color del suelo.
La materia orgánica estable se acumula cuando los microorganismos activos están descomponiendo continuamente la materia orgánica. Esto proporciona una serie de beneficios químicos, que se mencionarán más adelante.
Agregación del suelo
La agregación es otro proceso que estabiliza la materia orgánica en el suelo. A medida que las partículas del suelo se adhieren aglutinándose, forman agregados. Pequeños fragmentos de materia orgánica (tanto de la forma activa como de la forma estable), pueden quedar atrapados dentro de esos agregados. Cuando esto ocurre, las partículas de suelo que conforman el agregado actúan como una armadura, protegiendo la materia orgánica del ataque de los descomponedores.
Esta estabilización física (también llamada oclusión) es otra forma en la que la materia orgánica puede acumularse en el suelo, pero depende de la formación y estabilidad de los agregados.
La acumulación de Materia Orgánica requiere de mucho tiempo
La materia orgánica del suelo se acumula a través de períodos largos (años, décadas o siglos). La mayor parte de la materia orgánica del suelo es el resultado de la descomposición y agregación que ha ocurrido durante mucho tiempo.
De hecho, la mayor parte del material incorporado al suelo como residuo se consume y se respira a través de la descomposición a lo largo de algunas semanas o algunos años. Solo una pequeña porción de materia orgánica pasa a formar parte de la reserva estable cada año.
La Materia Orgánica contribuye a un suelo sano
Un suelo sano tiene una mezcla de materia orgánica activa y de materia orgánica estable. Un suministro constante de insumos orgánicos, como el estiércol y los residuos de cultivo, ayudan a formar y mantener reservas de ambos tipos de materia orgánica, las cuales que brindan una amplia gama de beneficios al suelo.
Aun cuando se piensa que los residuos de la superficie del suelo contribuyen a sus reservas de materia orgánica, la mayor parte de la materia orgánica activa que se recicla y funciona en el suelo proviene de las raíces de las plantas.
Para que las hojas y los brotes se conviertan en materia orgánica estable, deben ser consumidos por insectos y microorganismos, que en su mayoría residen cerca de la superficie del suelo.
Los residuos de cultivo que se han incorporado al suelo mediante la labranza solo se consideran materia orgánica una vez que han comenzado a descomponerse y fragmentarse en pedazos más pequeños.
Ciclo de la Materia Orgánica
Cuando se agregan al suelo materiales orgánicos, tales como residuos (hojas y raíces) o enmiendas orgánicas (estiércol y composta), se proporciona una fuente de materia orgánica activa, la cual es consumida por los organismos del suelo, que la utilizan para su metabolismo. En consecuencia, la cantidad de residuos disminuye (al ser el alimento que sostiene el crecimiento de los organismos del suelo), y el CO2 se respira hacia la atmósfera.
Los procesos de descomposición y renovación de la biomasa liberan nutrientes, que son utilizados por las plantas y los microorganismos.
La estabilización de la materia orgánica puede ocurrir por oclusión (atrapamiento en agregados) y por adherencia a las partículas del suelo.
Los residuos frescos se descompondrán en períodos cortos (días, meses, años), mientras que las formas estabilizadas de materia orgánica tienen tiempos de transformación más largos (décadas).
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