La genética: clave para mejorar la sostenibilidad alimentaria

La genética: clave para mejorar la sostenibilidad alimentaria

El arroz que usted sirve en una bandeja paisa y que está presente en la mayoría de los almuerzos ejecutivos podría tener un trasfondo genético que tal vez no conoce. De la misma forma, el azúcar que le pone al café, con el que endulza el jugo y que proviene de la caña de azúcar, podría venir de estudios especializados que mejoran su calidad. Precisamente, sobre esos dos aspectos trabajan científicos colombianos.

Según la Federación Nacional de Arroceros (Fedearroz), en 2019 la producción nacional de este cereal fue de 2,2 millones de toneladas al año en promedio, lo que significa que 42 kilos de arroz terminaron en la mesa de cada colombiano. Mientras que, en el caso del azúcar, su producción alcanzó poco más de 2,2 millones de toneladas en el mismo año, de las cuales 1,7 millones de toneladas se destinaron para el consumo nacional, según Asocaña, es decir, lo equivalente a 35 kilos por persona Al evidenciar la importancia de estos dos alimentos en la dieta nacional y con el fin de promover la investigación y la innovación científica en el país, la Pontificia Universidad Javeriana, sedes Cali y Bogotá, avanzan en la implementación del proyecto Optimización Multiescala In-silico de Cultivos Agrícolas Sostenibles (Omicas).

Se trata de una investigación que en 2018 ganó el programa Colombia Científica como parte de la Segunda Convocatoria de Ecosistemas Científicos del actual Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación. Desde ese momento, la Universidad Javeriana sede Cali como entidad ancla, junto a 16 instituciones de educación superior, centros de investigación en agricultura y la industria, se han centrado en transformar los componentes genéticos del arroz y de la caña de azúcar. Esto, para producir semillas resistentes al cambio climático, con mejor rendimiento durante los periodos de cosecha, y que contribuyan a disminuir la emisión de gases de efecto invernadero.

Andrés Jaramillo-Botero, Doctor en ingeniería de la Universidad Politécnica de Valencia en España y director científico del programa Ómicas, reconoce que la selección de estos dos productos para el estudio se debe a que en el caso de la caña de azúcar “todavía no existe un genoma completo y eso representa un reto desde un punto de vista del análisis y función de sus genes”, mientras en el caso del arroz “sí existe un genoma completamente secuenciado, permitiendo así la anotación de genes y experimentos de genómica comparativa y funcional con otras plantas”, detalla.

Genoma: es la totalidad del material genético (secuencia de ADN que define el conjunto de instrucciones de ensamble de un organismo vivo) que posee un organismo o una especie en particular.

 

Ómicas, una investigación de carácter agrícola

Para transformar los componentes epigenéticos, genéticos, metabólicos y proteicos del arroz y de la caña de azúcar, y garantizar la producción de semillas con un mejor rendimiento en los periodos de cosecha, el programa Ómicas fue dividido en siete proyectos que asumen retos independientes pero articulados entre sí. Hoy, luego de llegar al final del segundo año de implementación del Programa y con el propósito de ser sostenible después de cinco años, Jaramillo-Botero comparte a Pesquisa Javeriana los resultados que han obtenido hasta el momento:

El desarrollo de nuevas herramientas bioinformáticas para la clasificación de genes y sus funciones tanto en arroz como en caña de azúcar; la fabricación de un sensor electroquímico que mide la concentración de iones de aluminio en suelos ácidos, los cuales afectan el desarrollo normal de una planta, y la caracterización de la estructura molecular de una proteína de membrana celular denominada GCR1, que podría jugar un papel central en la señalización y respuesta ante estrés de los cultivos, particularmente el arroz.

Asimismo, Jaramillo-Botero señala que el equipo de investigación ha desarrollado e implementado múltiples técnicas para la clasificación de los cultivos de arroz y caña de azúcar, mediante drones, estaciones fijas y móviles en tierra para determinar la biomasa de los cultivos, el contenido de nitrógeno en las hojas, las variables atmosféricas y de suelo que inciden en la productividad de las cosechas. Adicionalmente, a la fecha, el programa ha identificado genes en el arroz que otorgarían resistencia al Virus de la Hoja Blanca, así como genes que amplían la tolerancia de este grano ante cambios en radiación solar, afectando su proceso de fotosíntesis y toxicidad por aluminio.

Por el momento, el programa Ómicas se encuentra en la clasificación de las diversas variedades de caña de azúcar debido a su aporte a la emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEI), lo que incide en el cambio climático, para posteriormente identificar los genes que podrían regular dichas emisiones. Con estos resultados y los retos en investigación que todavía quedan por cumplir, los investigadores javerianos esperan alcanzar la meta inicial del proyecto: aportar, mediante las variedades agrícolas de arroz y de caña de azúcar, a la seguridad alimentaria y sostenibilidad productiva del agro a nivel mundial.

Si desea conocer más sobre este proyecto, ingrese aquí.


 

* Las instituciones aliadas del programa son: Pontificia Universidad Javeriana (Cali y Bogotá), Universidad ICESI, Universidad de los Andes, Universidad de los Llanos, Universidad de Ibague, Universidad del Quindio, Instituto Tecnológico de California (Caltech, USA), Universidad de Illinois en Urbana (UIUC, USA), Universidad de Tokio (Japón), Universidad de Ghent (Bélgica), Instituto Nacional de Agricultura Botánica (Cambridge, Reino Unido), Centro Internacional de Agritcultura Tropical (CIAT), Centro de Investigación en Caña de Azúcar (Cenicaña), Federación Nacional de Arroceros (Fedearroz), Hi-Tech Automation, Intelecto SAS. Desde su constitución, el programa viene consolidando nuevas colaboraciones nacionales e internacionales, con centros de investigación extranjeros (ej. CIRAD e IRD en Francia), así como con empresas nacionales e internacionales (ej. CNX/Manglar).

 

Tecnología de punta en el cultivo de arroz

Tecnología de punta en el cultivo de arroz

Vestidos con sus tradicionales botas y un sombrero para protegerse del sol, los trabajadores llegan a la zona de cultivo. Frente a ellos, las cientos de plantas de arroz se izan hacia la luz natural, toda el área sigue inundada. Desprovistos de azadones, abren el computador portátil mientras un pequeño grupo alista el dron robótico, comprueban que funcione sin problemas y, lo más importante, que sus rotores giren con potencia. Unos minutos después, tras establecer las instrucciones en el software, el robot vuela por encima del área sembrada de manera autónoma.

No se trata de un relato futurista que sucede a miles de kilómetros. Todo lo contrario: en mayo de 2017, un grupo de ingenieros de la Pontificia Universidad Javeriana llegó hasta los cultivos de arroz que el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) mantiene en Palmira (Valle del Cauca) y en Santa Rosa (Meta). Allí pusieron a prueba el dron autónomo para tomar imágenes espectrales y captar información meteorológica en el que han trabajado por cerca de un año.

“Desde una tablet o un computador portátil se puede definir una misión a través de una interfaz gráfica muy sencilla. El dron estaría en la capacidad de despegar, realizar la maniobra por todo el cultivo y aterrizar de manera autónoma”, explica Julián Colorado, doctor en Robótica, profesor de Ingeniería Electrónica en la Javeriana y líder del proyecto.

Pruebas con la herramienta y el dron en campo.
Pruebas con la herramienta y el dron en campo.

Se trata de una iniciativa desarrollada en conjunto con el CIAT y Fedearroz (gremio de los arroceros colombianos), y financiada con fondos de Colciencias. Desde mediados de 2016 el equipo no solo adoptó una cámara multiespectral (provista de cuatro lentes que toman fotografías en distintos rangos de luz) y sensores de temperatura, radiación y presión atmosférica, también desarrollaron los algoritmos de funcionamiento, el sistema de navegación y la plataforma digital y fenotípica, entre otros, que recibirá toda la información recolectada.

“Dependiendo de esas imágenes tomadas con luz a diferentes longitudes de onda, se puede extraer información muy valiosa sobre el estado del cultivo”, asegura Colorado. Los datos le permiten al operario predecir el estado de la siembra y recabar información sobre la correlación genética de las plantas a partir de su genotipo: del color del cultivo, la altura, los nutrientes que está asimilando.

No importa si, al momento de iniciar la medición, hay sol pleno o una fuerte nubosidad, o si las condiciones climáticas no son las más favorables para una misión de reconocimiento. En el pasado quedan los sobrevuelos en helicóptero o en avioneta para identificar el estado real del área sembrada, al igual que las imágenes tomadas desde un satélite. En su lugar, a partir de imágenes que capturan entre uno y diez centímetros por píxel, pueden obtener información de altísima utilidad.

Por ejemplo, en estas primeras pruebas, los científicos del CIAT reunieron información valiosa que esperan utilizar en sus programas de desarrollo genético de semillas más fuertes, capaces de soportar el cambio climático. Por otro lado, el proyecto supondría un beneficio para los productores al reducir sus gastos para recabar información meteorológica y técnica del cultivo.

De hecho, el dron se convierte en una herramienta de alta tecnología que especializaría a la mano de obra dedicada a la siembra de arroz. “Pasamos las labores de sensado de información a una plataforma robótica autónoma. No es nuestro objetivo reemplazar a las personas sino enfocarlas en labores de mayor toma de decisiones, análisis, etc., automatizando la toma de datos”, explica Colorado. Los trabajadores actuales serían capacitados en nuevas labores como el manejo del software, el diseño de la misión y los distintos protocolos de operación, como la respuesta adecuada si se presentan fallas.

Imagen captada por el dron durante la fase de pruebas.
Imagen captada por el dron durante la fase de pruebas.

El proyecto aún se encuentra en la fase de pruebas y ajustes metodológicos, pero, al cabo de un año, los ingenieros y desarrolladores esperan terminar de afinar todos los detalles para entregarle al gremio una tecnología de punta y completamente funcional. “Hay desarrollos propios que pueden ser patentables”, reconoce Colorado.

Esto supondría una valiosa ayuda para un sector que, a pesar de haber logrado el año pasado la producción más alta en toda la historia (2,97 millones de toneladas del cereal en 570.802 hectáreas sembradas, según cifras del Dane), hoy se enfrenta a enormes desafíos de cara al futuro, como precios más bajos ofrecidos por parte de los molinos, un dólar que cada día encarece sus insumos o las fuertes lluvias que han ocasionado el desbordamiento de ríos, inundaciones y pérdidas irreparables en los cultivos.


TÍTULO DE LA INVESTIGACIÓN: Desarrollo de una herramienta para la agricultura de precisión en los cultivos de arroz: sensado del estado de crecimiento y de nutrición de las plantas usando un dron autónomo.
INVESTIGADOR: Julián Colorado.
PERIODO DE LA INVESTIGACIÓN: 2016-actualidad.
Con el apoyo de Colciencias, CIAT y Fedearroz.
Facultad de Ingeniería.
Pontificia Universidad Javeriana.