La demanda mundial y el consumo de cultivos agrícolas está aumentando a un ritmo rápido. Según el Informe de Productividad Agrícola Global 2019, el rendimiento global debe aumentar a una tasa anual promedio de 1.73 por ciento para producir de manera sostenible alimentos, piensos, fibra y bioenergía para10 mil millones de personas en 2050. Sin embargo, en los EE. UU., La productividad agrícola está luchando por mantener el ritmo del crecimiento de la población, destacando la importancia de la investigación de las prácticas tradicionales, así como las nuevas.
En un esfuerzo por aumentar el rendimiento de los cultivos, los científicos del Instituto de Patógenos y Microbiomas PMI de la Universidad del Norte de Arizona están trabajando con investigadores de la Universidad de Purdue para estudiar las comunidades bacterianas y fúngicas en el suelo para comprender cómo los microbiomas están impactando los cultivos agrícolas. Creen que los avances tecnológicosen ciencia de microbiomas, en última instancia, ayudará a los agricultores de todo el mundo a cultivar más alimentos a un costo menor
Nicholas Bokulich, profesor asistente de investigación de PMI, y Greg Caporaso, profesor asociado de ciencias biológicas y director del Centro de Ciencias de Microbioma Aplicado CAMS de PMI, han estado probando una creencia agrícola de larga data de que la filogenética - el estudio deLa relación evolutiva entre los organismos: debe usarse para definir los programas de rotación de cultivos.
El equipo publicó recientemente sus hallazgos con respecto a la investigación de microbiomas en la producción de alimentos agrícolas en Aplicaciones evolutivas . El documento se titula, "Agricultura filogenética: ¿Puede la historia evolutiva predecir la rotación de cultivos a través del microbioma del suelo?"
Específicamente, el enfoque tradicional ha sido rotar cultivos relacionados de forma distante a lo largo de diferentes años para maximizar el rendimiento de la planta ". Una hipótesis de por qué esto puede ser útil es que los patógenos de las plantas son específicos de un solo huésped o de huéspedes muy estrechamente relacionados. Si ustedcultivar cultivos estrechamente relacionados en años adyacentes, existe una mayor probabilidad de que los patógenos puedan estar esperando a sus huéspedes en el segundo año ", dijo Caporaso." Pero esta hipótesis no se ha probado directamente ".
El experimento del equipo, apoyado por una subvención del Instituto Nacional de Alimentos y Agricultura del USDA, abarcó dos temporadas de cultivo al aire libre. En el primer año, los científicos de Purdue, Kathryn Ingerslew e Ian Kaplan, cultivaron 36 cultivos y malezas agrícolas que diferían en la divergencia evolutiva deEl tomate Las parcelas experimentales variaron desde tomate la misma especie hasta berenjena el mismo género que el tomate, pero una especie diferente y pimientos dulces la misma familia que el tomate, pero en un género y especie diferente a través del maíz, el trigoy centeno, que son parientes mucho más distantes del tomate.
En la segunda temporada, los investigadores solo cultivaron tomates en todas las parcelas. Descubrieron que en las parcelas donde se cultivaban tomates en la primera temporada, el rendimiento de tomate del año dos era menor que en el año uno, como esperaban. Sin embargo, no hubo reducciones significativas en el rendimiento del tomate en ninguna de las otras parcelas. "Este resultado sugiere que si bien la rotación de cultivos es realmente importante para el rendimiento, el efecto puede no extenderse más allá del nivel de la especie", dijo Caporaso.
"Este resultado fue muy sorprendente porque la idea de que las plantas estrechamente relacionadas deben evitarse en las rotaciones es una regla general ampliamente aceptada en todo el espectro, desde la jardinería a pequeña escala hasta la agricultura a gran escala", dijo Kaplan, profesor de entomología."El hecho de que no podamos detectar ninguna firma de relación en el rendimiento del cultivo, más allá de los efectos negativos del monocultivo de una sola especie o tomate tras tomate, sugiere que se deben considerar otros factores al diseñar programas de rotación de cultivos en sistemas agrícolas sostenibles."
Antes de plantar en el segundo año, Caporaso y Bokulich utilizaron métodos de secuenciación de microbiomas para determinar la composición de las comunidades bacterianas y fúngicas en el suelo. Descubrieron que el legado de microbiomas de los cultivos del primer año vivía, aunque tanto el suelo bacteriano como el bacterianolas comunidades fúngicas fueron significativamente diferentes en las parcelas de diferentes plantas.
"Ahora podemos explorar el papel de los microbios y la composición de los microbiomas en los sistemas agrícolas en una profundidad y resolución mucho mayores que nunca antes", dijo Caporaso. "Esas tecnologías sin duda pueden ayudarnos a optimizar los sistemas agrícolas paraenriquecer continuamente, en lugar de agotar, el suelo con el tiempo "
Caporaso dice que su objetivo a largo plazo con esta dirección de investigación es colaborar con los agricultores orgánicos que practican técnicas de agricultura regenerativa. "Podemos aprender cómo pueden utilizar los avances en la ciencia de los microbiomas en su beneficio. Creo que esto puede ayudar a reducir sucostos de fertilizantes y uso del agua, y desarrollar resiliencia y seguridad alimentaria en nuestras comunidades ".
Un investigador universitario llevará a cabo un programa de vermicompostaje para rastrear el microbioma del desperdicio de alimentos
En un proyecto relacionado financiado por el Fondo Verde de NAU, así como a través del laboratorio de Caporaso, que se centra en la ingeniería de software en apoyo de la investigación de microbiomas, la investigadora estudiantil de ciencias ambientales Christina Osterink planea prototipar un programa de compostaje en el lugar de trabajo este verano. Su proyectoimplicará trabajar con unas 10 oficinas en el campus para recolectar restos de comida y entregarlos a Roots Micro Farm con sede en el centro de Flagstaff.
Mientras desvía el desperdicio de alimentos del vertedero a una granja urbana, Osterink y su equipo también rastrearán el microbioma de los desperdicios de alimentos recolectados a través de su transformación mediante vermicompostaje, un método de compostaje basado en gusanos, en un suelo de alta calidad ".ayúdenos a desarrollar una comprensión más precisa del papel de los microbios en el proceso de compostaje al unir esfuerzos de todo el campus de NAU y de los agricultores locales para mejorar la sostenibilidad de NAU y la integridad del suelo de Flagstaff ", dijo.
Caporaso espera que los hallazgos de la investigación de Osterink se puedan aplicar para optimizar los sistemas de compostaje y reducir los costos de los agricultores.
Aplicando la investigación de microbiomas a la ciencia agrícola, una nueva dirección para CAMS
Caporaso señala que el proyecto de vermicomposición representa una nueva dirección de investigación para su laboratorio. "La mayor parte de nuestro trabajo en CAMS está relacionado con la salud humana", dijo, "pero hay al menos tantas oportunidades para aplicar la investigación de microbiomas en otras áreas"., como la ciencia agrícola "
Mientras tanto, el siguiente paso en el estudio de rotación de cultivos será identificar los factores importantes para el rendimiento de la planta, especialmente si se descarta la relación evolutiva de las especies.
"¿Queremos rotar los cultivos que prosperan con microbiomas de suelo similares, de modo que las bacterias y hongos beneficiosos ya estén en su lugar para apoyar la próxima temporada de crecimiento?", Dijo Caporaso. "Esa sería una información valiosa para pequeñas granjas urbanas ygrandes operaciones industriales "
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Materiales proporcionado por Universidad del Norte de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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