Cesar Petroli, especialista en genotipado de alto rendimiento del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT), desarrolla perfiles genómicos de muestras de ADN, generando decenas o incluso cientos de miles de marcadores moleculares. Esto ayuda al equipo a establecer análisis de diversidad genética, mejorar el manejo de colecciones de bancos de germoplasma e identificar regiones genómicas asociadas con la expresión de rasgos agronómicos importantes.
Descubra cómo esta información molecular puede ayudar al proceso del mejoramiento, para ayudar a los agricultores a enfrentar los desafíos del cambio climático y la seguridad alimentaria.
En los campos de investigación de cultivos, los drones y otras herramientas de detección de alta tecnología son ahora algo común. Recopilan datos de alta resolución en una amplia gama de rasgos, desde la simple medición de la temperatura hasta la compleja reconstrucción 3D.
Este enfoque tecnológico para recopilar información precisa sobre los rasgos de las plantas, conocido como fenotipado, se está volviendo omnipresente. Según los expertos del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT) y otras instituciones de investigación, los mejoradores pueden beneficiarse mucho más de estas herramientas, si se usan correctamente.
Ejemplos de diferentes clases y aplicaciones de fenotipado amigable para el mejoramiento. (Imagen: M. Reynolds)
En un nuevo artículo de Plant Science, el fisiólogo de trigo Matthew Reynolds y sus colegas del CIMMYT explican las diferentes formas en las que el fenotipado puede ayudar al mejoramiento —desde enfoques simples y prácticos para la detección a gran escala, hasta la caracterización fisiológica detallada de rasgos clave para identificar nuevas fuentes parentales— y por qué esta metodología es crucial para la mejora de los cultivos. Los autores argumentan que los mejoradores inviertan en estas herramientas para mejorar los cultivos que enfrentan climas más cálidos y severos.
Foto de portada: Francisco Pinto, especialista en teledetección opera un VANT en la estación experimental del CIMMYT en Ciudad Obregón, Sonora, México.
Un investigador utiliza una sonda vertical para medir la humedad a diferentes profundidades del suelo. (Foto: CIMMYT)
Desde 1900, más de dos mil millones de personas se han visto afectadas por la sequía en todo el mundo, según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO). La sequía afecta los cultivos al limitar la cantidad de agua disponible para un crecimiento y desarrollo óptimos, lo que reduce la productividad. Es uno de los principales estreses abióticos responsables de la variabilidad en el rendimiento de los cultivos, lo que genera importantes impactos económicos, ambientales y sociales.
El nuevo manual técnico, “Manejo del estrés ocasionado por la sequía en la fenotipificación de campo”, proporciona un enfoque cuantitativo para la fenotipificación del estrés ocasionado por la sequía en los cultivos. La fenotipificación es un procedimiento vital para el éxito de los programas de mejoramiento de cultivos que involucra la evaluación física de las plantas para los rasgos deseados.
El manual proporciona orientación para los fitomejoradores, fisiólogos, agrónomos, estudiantes y técnicos de campo que trabajan para mejorar la tolerancia de los cultivos al estrés por sequía. Esto ayudará a garantizar que los ensayos de detección de sequía proporcionen datos precisos para su uso en programas de mejoramiento.
Un sistema de rociadores irriga un campo de prueba de fenotipado de sequía en Hyderabad, India. (Foto: CIMMYT)
Basado en décadas de investigación y experiencia en el CIMMYT, el manual cubre aspectos relacionados con la zonificación de campo, los efectos del clima, el manejo de cultivos, el mantenimiento uniforme del estrés en los ensayos y la duración del mismo. Se centra en un enfoque que estandariza la intensidad requerida, el tiempo y la uniformidad del estrés por sequía impuesto durante los ensayos de campo.
Un enfoque tan riguroso y preciso para la detección de sequías permite la fenotipificación de precisión. El manejo cuidadoso del estrés por sequía permite expresar e identificar la variabilidad total en el genotipo de una población durante la fenotipificación, lo que significa que se puede aprovechar todo el potencial del rasgo de tolerancia a la sequía.
Variabilidad entre genotipos de maíz para rasgos agronómicos y de rendimiento bajo estrés por sequía. (Foto: CIMMYT)
«Los programas de mejoramiento de cultivos que utilizan enfoques de mejoramiento convencional o molecular para desarrollar cultivos con tolerancia a la sequía dependen en gran medida de los datos fenotípicos de alta calidad generados a partir de los ensayos de detección de sequías», dijo el autor y científico del CIMMYT P.H. Zaidi. «Al seguir las instrucciones de este manual, los usuarios pueden maximizar sus estándares de calidad».
El Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT) ha sido pionero en el desarrollo y despliegue de protocolos para la fenotipificación del estrés por sequía, la estrategia de selección y el mejoramiento para la tolerancia a la sequía. La investigación del CIMMYT sobre el estrés por sequía en el maíz comenzó en la década de 1970 y desde entonces, sigue siendo una prioridad para la organización. El maíz tolerante a la sequía es ahora uno de los productos emblemáticos del CIMMYT y es un componente clave en el portafolio de productos del CIMMYT destinados a hacer frente a los efectos del cambio climático en los trópicos.
La información presentada en el manual se basa en el trabajo sobre el manejo cuantitativo de fenotipos de estrés por sequía en condiciones de campo. Recibieron un apoyo sólido y constante de varias agencias donantes, especialmente la Agencia de Cooperación Alemana (GIZ) y el BMZ de Alemania y el Programa de Investigación de Maíz del CGIAR (MAIZE). El manual fue financiado por la plataforma de Mejoramiento de Excelencia del CGIAR (EiB).
La roya se produce principalmente en condiciones cálidas y húmedas, y es una seria amenaza biótica para el trigo que puede destruir las plantas sanas en un par de semanas antes de la cosecha, lo que genera enormes pérdidas de rendimiento para los agricultores. Junto con la roya de la hoja y la roya estriada, es una de las enfermedades fúngicas del trigo más amenazantes del mundo, temida por los agricultores durante siglos.
Hace dos décadas, en Uganda, se identificó una virulenta raza de roya conocida como Ug99. La cual continuó causando grandes epidemias en Kenia en 2002 y 2004. La enfermedad continúa evolucionando y emergiendo en nuevas razas. Ug99 y sus variantes se han extendido desde las tierras altas del este de África hasta Sudáfrica, Yemen e Irán, amenazando la seguridad alimentaria regional.
Para combatir este patógeno, el Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT) y la Universidad de Cornell establecieron la Plataforma Internacional de Fenotipificación de la Roya en Njoro, Condado de Nakuru, Kenia, en colaboración con la Organización de Investigación Agrícola y Ganadera de Kenia (KALRO por sus siglas en inglés) a través del Proyecto de Resistencia Duradera al Óxido en Trigo (DRRW por sus siglas en inglés) en 2008.
Plantas de trigo resistentes a la roya (izquierda) y susceptibles (derecha) en las instalaciones de fenotipado de la roya en Njoro, condado de Nakuru en Kenia. (Foto: Joshua Masinde/CIMMYT)
Durante la última década, los mejoradores de trigo y los patólogos han trabajado en colaboración para mantenerse a la vanguardia sobre la roya de rápida evolución. Esta asociación ha dado como resultado el lanzamiento de más de 150 líneas de trigo en todo el mundo, con resistencia a Ug99 y sus variantes. El desarrollo de estas variedades de alto rendimiento adecuadas para diversas agroecologías ha sido posible con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates y el Departamento para el Desarrollo Internacional del Reino Unido (DFID por sus siglas en inglés), inicialmente a través del Proyecto de Resistencia Duradera al Óxido en Trigo (DRRW por sus siglas en inglés), administrado por la Universidad de Cornell.
El fenotipado — el uso de la tecnología de pruebas de campo para identificar los rasgos deseados de la planta — es un componente central en la instalación. La instalación utiliza el sistema de mejoramiento alternado entre México y Kenia para evaluar y seleccionar rápidamente las líneas de trigo para la resistencia a la roya. También evalúa el germoplasma de trigo de diferentes países y las cruces de diversos parientes para identificar y caracterizar nuevas fuentes de resistencia a la roya.
Reacción tardía
En la década de 1940, el ganador del Premio Nobel de la Paz, Norman Borlaug, comenzó a cultivar dos cultivos de trigo al año en condiciones de crecimiento contrastantes, un proceso conocido como «mejoramiento alternado».
Plantas de trigo infestadas con roya. (Foto: Joshua Masinde/CIMMYT)
Hoy en día, un sistema de mejoramiento alternado entre Kenia y México permite a los mejoradores plantar en dos lugares para avanzar rápidamente en nuevas generaciones de plantas y exponer el trigo a diferentes tipos de estrés (abiótico y biótico).
Las pruebas realizadas en la estación de investigación del CIMMYT en Obregón, México, arrojan líneas de trigo adaptables a diferentes zonas agroecológicas con resistencia a razas locales de roya de la hoja y el patógeno de la roya. Pruebas adicionales en Kenia aumentan la resistencia a la roya Ug99 y sus variantes. Esto permite que las instalaciones de Njoro proyecten y seleccionen aproximadamente de 1 500 a 2 000 poblaciones segregadoras de trigo en el transcurso de dos temporadas.
«A través del mejoramiento alternado entre México y Kenia, las pruebas continuas de germoplasma de trigo, el mejoramiento rápido y el uso de tecnologías modernas de marcadores para la selección genómica, innovamos continuamente para desarrollar líneas de trigo mejoradas con un paquete de características deseadas en un período de tiempo mucho más corto.” Explicó Mandeep Randhawa, mejorador de trigo del CIMMYT y patólogo de la roya del trigo.
Los científicos en la instalación evalúan alrededor de 10 000 líneas de ensayos de rendimiento para la resistencia a la roya durante dos temporadas. Las líneas de mejor desempeño se someten a un segundo año de pruebas de rendimiento en cinco ambientes diferentes en Obregón: riego completo, sequía, cama plana, cama elevada y estrés por calor. Posteriormente, los mejoradores seleccionan y compilan líneas de alto rendimiento y las distribuyen como viveros internacionales a socios nacionales con la ayuda del banco de germoplasma del CIMMYT.
La instalación de diagnóstico de Njoro tiene capacidad para probar 50 000 líneas de trigo en un año. Alrededor de 20 países envían su germoplasma a la instalación para la evaluación de la roya. Alrededor de 600 000 líneas de trigo han sido evaluadas en Njoro durante los últimos 10 años.
El desafío crucial para los mejoradores es combinar todos los rasgos deseables en líneas individuales en un período más corto: cinco años en lugar de diez. Esos esfuerzos de mejoramiento tan complejos requieren un apoyo sostenido y cooperación internacional para desarrollar líneas de alto rendimiento resistentes al estrés adecuadas para diversas agroecologías.
El lugar dónde los investigadores vienen a aprender
Las instalaciones de Njoro desempeñan un importante papel en el desarrollo de capacidades para los científicos asociados y los estudiantes de maestría y doctorado. Cada año, entre 20 y 25 científicos de carrera temprana de todo el mundo reciben capacitación sobre cómo lidiar con posibles nuevas epidemias.
En la última década, el CIMMYT ha capacitado a más de 200 científicos en programas nacionales de investigación.
«Además de impartir conocimientos sobre nuevas técnicas en mejoramiento de trigo y genética», dijo Mandeep, «normalmente utilizamos esas oportunidades para capacitar a los científicos en la evaluación de germoplasma para la resistencia a la roya y la estandarización de toma de notas sobre la misma.
“Con tal asociación, es más fácil y más rentable capacitar a nuestros investigadores locales de trigo en lugar de enviarlos a México. Hemos tenido un buen número de jóvenes científicos capacitados en esta instalación como resultado de esta valiosa asociación con el CIMMYT», dijo Ruth Wanyera, investigadora principal de KALRO.
Fortalecer los programas nacionales los prepara de una mejor manera para poner en uso líneas mejoradas en el campo — un mandato clave del CIMMYT, el cual se cumple a través de las instalaciones de Njoro.
El personal de KALRO selecciona y marca plantas de trigo prometedoras con resistencia a la enfermedad de la roya en la instalación de fenotipado de roya en Njoro. (Foto: Joshua Masinde/CIMMYT)
