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

Utilizando modelado con IA alimentado por datos validados experimentalmente, investigadores de la Universidad de São Paulo prevén el impacto simultáneo de altas temperaturas, sequía y aumento de CO₂

Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – Un estudio publicado por Food Research International analizó el efecto triple de los impactos sobre la calidad del grano de soja previstos con el cambio climático: aumento del dióxido de carbono (CO₂), altas temperaturas y sequía. El trabajo utilizó modelado predictivo realizado mediante inteligencia artificial (IA), basado en datos verificados experimentalmente, para evaluar cómo esta presión influiría en los granos, concluyendo que la semilla modificaría su composición, produciendo un 50% más, pero con menor calidad nutricional.

El trabajo está liderado por científicos del Laboratorio de Fisiología Ecológica de Plantas (Lafieco) del Departamento de Botánica del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (IB-USP), en Brasil. Los investigadores llaman la atención sobre la reducción en la cantidad de almidón (20%) y proteína (6 %) en el grano expuesto al efecto triple. También observaron un gran aumento en el contenido de aminoácidos (175 %). “Este incremento de aminoácidos no era esperado; ni siquiera sabemos cuál es el efecto de esto en los animales. Necesitamos comprender los efectos del triple impacto sobre el metabolismo de las proteínas, que son muy importantes para la soja utilizada en la alimentación animal. Lo que observamos es que esta proteína disminuye en escenarios drásticos de cambio climático. Además, el grano pierde almidón, lo que significa menos energía”, resume Marcos Buckeridge, coordinador de Lafieco.

El investigador afirma que los datos obtenidos pueden ayudar a calibrar modelos predictivos para la agricultura mundial en un contexto de impacto del cambio climático, incluidos los del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC). Integrado por investigadores de las áreas de bioinformática, fisiología y bioquímica vegetal, química, estadística y modelado matemático, el grupo responsable del trabajo es pionero en el estudio de la combinación de estos factores de estrés en cultivos de soja. Sin embargo, este es el primer estudio que estima el impacto de los tres factores conjuntamente, indicando lo que podría ocurrir con el grano.

Buckeridge destaca que el efecto de fertilización de las plantas derivado del aumento de dióxido de carbono en el ambiente ya está ampliamente descrito en la literatura. “Hace que la planta acelere su crecimiento, permitiendo la producción de más semillas. ¿Y qué ocurre cuando también hay sequía? Descubrimos que el CO₂ protege a la planta contra el efecto de la sequía. Una sequía moderada ya provoca que la planta produzca pocas semillas. Pero, con altos niveles de dióxido de carbono, los estomas de las hojas se cierran un poco [los estomas son microestructuras cruciales para el intercambio gaseoso y la transpiración, ubicadas principalmente en las hojas y que se abren durante el día en presencia de luz]. Es decir, la planta capta el dióxido de carbono que necesita para sus procesos, pero pierde menos agua. Ese es el efecto protector que el CO₂ tiene frente a la sequía”.

En caso de altas temperaturas y aumento del dióxido de carbono en el ambiente, este también actuaría evitando los efectos perjudiciales de la temperatura y ayudando a la planta a crecer más. “El CO₂, por lo general, aumenta el contenido de almidón en la hoja porque, cuando ingresa a la planta generando una presión positiva de carbono, esta no siempre logra procesarlo completamente, ya que dicho metabolismo es muy complejo y cuenta con numerosas vías metabólicas diferentes. Como el flujo se congestiona, la planta pasa a almacenar carbono como reserva en forma de almidón foliar”.

La pregunta era: cuando los tres efectos se combinan, en un contexto más cercano a lo que ocurriría en el campo, ¿qué sucede con el grano? Buckeridge explica que el grupo concentró su atención en la semilla porque este es el principal producto de la soja. “Es un trabajo muy enfocado en la agricultura. Yo esperaba que los tres factores de estrés se anularan entre sí y que el crecimiento de la planta no cambiara demasiado. Me sorprendió el hecho que creciera más bajo tres factores de presión. Esto significa que la temperatura y el alto CO₂ están contribuyendo a este efecto, ya que la sequía, por sí sola, haría que la planta produjera menos”.

Según el investigador, un menor contenido de almidón en la semilla significa que la planta dirigió el carbono captado hacia la formación de la pared celular, la celulosa y la hemicelulosa; es decir, lo utilizó para producir más fibra. “Traducido: el alto dióxido de carbono genera una desviación del metabolismo normal del grano. La sequía genera una segunda desviación y la temperatura una tercera. Al reunir los tres factores obtenemos una cuarta desviación. Esto significa que el proceso no es lineal, lo que constituye uno de los descubrimientos más importantes de los últimos trabajos que hemos publicado: las rutas de los factores de estrés son diferentes. La temperatura y la sequía actúan a través de vías de estrés distintas desde el punto de vista metabólico. Ya comprendemos esto y lo hemos publicado. Por eso es importante conocer su efecto combinado con el del alto CO₂”.

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

Experimento y modelado

Analizados individualmente, el aumento de la concentración de dióxido de carbono elevó la producción de granos hasta en un 142 %, mientras que las altas temperaturas y la sequía redujeron el rendimiento en un 91 % y un 60 %, respectivamente. El efecto triple combinado (CO₂ + alta temperatura + sequía) fue evaluado mediante modelado predictivo basado en datos de estrés doble validados experimentalmente (CO₂ elevado + temperatura y CO₂ elevado + sequía). La combinación específica de los tres factores no fue validada experimentalmente.

“Realizar el experimento con todos los tratamientos y todos los controles al mismo tiempo sería algo enorme; tendríamos que considerar los grupos de control para las combinaciones de alto dióxido de carbono con temperatura y sequía, alto CO₂ con temperatura sin sequía, alto CO₂ solo con sequía, sin temperatura, y no dispongo de espacio en el sistema. Tengo cámaras que aumentan la temperatura y puedo producir sequía artificialmente retirando el agua de las plantas. Son experimentos ya probados y con excelentes resultados, que permiten comprender cómo funcionan los diferentes factores de estrés por separado y en combinación de dos en las plantas”, explica Buckeridge.

Se refiere a cámaras de techo abierto: estructuras tubulares con la parte superior abierta, en las que es posible inyectar dióxido de carbono. Las cámaras tienen entre 1,60 m y 1,70 m de altura. “Cuando fueron construidas, se realizaron todos los cálculos junto con ingenieros de la Escuela Politécnica de la USP para determinar cuánto tiempo tarda el CO₂ en entrar y salir de la cámara. En este experimento, inyectamos dióxido de carbono de tal manera que la concentración en el interior se mantiene al doble de la concentración existente en el ambiente [un promedio de 400 partes por millón]. Por lo tanto, inyectamos gas hasta alcanzar las 800 ppm.”

Las cámaras registran la temperatura ambiente y pueden aumentarla hasta en 5 °C. “Sometimos a la planta al máximo nivel de estrés, al límite: con 5°C más de temperatura y el doble de CO₂, obligándola a responder.” Finalmente, para simular la sequía, el grupo suspendió el riego de las plantas. Según Buckeridge, se utilizó un cultivar de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa), denominado MG/BR–46 Conquista, que fue “estudiado exhaustivamente, porque es necesario simular una sequía similar a la realidad del campo”.

Las plantas fueron expuestas a condiciones de estrés aisladas y combinadas: dióxido de carbono y temperatura ambiente (400 ppm de CO₂ + temperatura ambiente); CO₂ elevado (800 ppm de dióxido de carbono + temperatura ambiente); temperatura elevada (400 ppm de dióxido de carbono + 5 °C); CO₂ y temperatura elevados (800 ppm de CO₂ + 5 °C); sequía (400 ppm de dióxido de carbono + reducción del riego); y dióxido de carbono elevado más sequía (800 ppm de CO₂ + reducción del riego). La biomasa total, medida 60 días después del experimento, fue utilizada para predecir la producción de granos a los 125 días.

Para realizar la proyección del triple impacto, los científicos utilizaron herramientas de inteligencia artificial alimentadas con los resultados de los experimentos. Se aplicaron modelos lineales generalizados (GLM) para estimar los efectos aislados e interactivos de los factores y, con el apoyo del Instituto de Ciencias Matemáticas y de Computación (ICMC) de la USP, se emplearon enfoques de aprendizaje automático (XGBoost y CatBoost) para predecir el efecto triple. “El modelado mediante IA fue capaz de predecir los resultados de dos factores de estrés sobre el grano, verificados experimentalmente. Esto nos lleva a creer que también podemos confiar en los resultados obtenidos mediante el modelado para el triple impacto.”

Mecanismos

El siguiente paso del grupo, según el coordinador de Lafieco, es identificar los genes responsables de las respuestas a los distintos factores de estrés y comprender cómo está siendo afectado el metabolismo de las plantas. “Sabiendo eso, podremos rediseñar la planta para que produzca la misma cantidad de proteína y no pierda tanto almidón, por ejemplo. En definitiva, será posible preparar la semilla para una mejor adaptación al cambio climático”.

Otro objetivo de los científicos es comprender el efecto de estos nuevos parámetros en los modelos de predicción de los impactos del cambio climático sobre los cultivos. “Es probable que otras especies se comporten de manera similar. Ya realizamos el experimento con efecto doble en la caña de azúcar; ahora faltan la temperatura y la simulación mediante IA”, adelanta Buckeridge.

El artículo Soybean grain production and nutritional quality responses under elevated CO₂, high temperature, and drought puede leerse en: sciencedirect.com/science/article/pii/S0963996926006812.