Llegar a la raíz de la mejora de los cultivos

Para alimentar a todos, la producción de cultivos deberá duplicarse, al tiempo que se hacen frente a los efectos del cambio climático (como la reducción de la disponibilidad de agua en muchas partes del mundo) y se trata de reducir los perjuicios del uso de fertilizantes agrícolas.

Se necesitan cultivos alimentarios que produzcan mejores rendimientos al acceder al agua y los nutrientes y absorberlos de manera más eficiente. «Durante diez mil años, la agricultura se centró en la mitad superior de las plantas», explica el profesor Bennett. Pero la clave de esta cuestión se sitúa bajo tierra.

El agua y los nitratos tienden a hundirse hacia las profundidades del suelo, mientras que los fosfatos están presentes en la capa superior del suelo, cerca de la superficie. Si se consiguiera elegir y criar variedades de cultivos capaces de explorar la capa superior del suelo de manera más eficaz, y extender sus raíces más al fondo, entonces se podría producir más alimentos y reducir la cantidad de fertilizantes necesarios.

Es una especie de «problema de ingeniería», pero para resolverlo hay que entender los genes que regulan características de las raíces tales como el ángulo, la profundidad y la densidad.

Estudiar el sistema radicular (la mitad oculta) es mucho más complicado que estudiar la parte que asoma de las plantas. Éstas pueden cultivarse en condiciones artificiales en el laboratorio, o desenterrarse del suelo, pero en una planta viva las raíces siempre están bajo tierra y son de difícil acceso. «El proyecto FUTUREROOTS pretende mejorar la tecnología que se utiliza para medir y analizar estas estructuras radiculares», explica el Prof. Bennett.

Recientemente, los científicos han sido capaces de obtener, de forma no invasiva, imágenes de raíces vivas mientras crecían en el suelo. La tomografía computarizada (TC) por rayos X se conoce sobre todo como técnica de exploración médica que proporciona imágenes del interior del cuerpo humano. Los avances en esta tecnología posibilitan su uso para estudiar hasta los pelos radiculares más finos.

«Pero hasta ahora sólo podíamos realizar TC de volúmenes pequeños de suelo —según el profesor—. Digamos del tamaño de una taza de café, lo cual no es suficiente para el estudio de las raíces profundas de las plantas de cultivo».

Visión de rayos X

La solución vino de la mano de avances en la tecnología de escáner TC usada en el sector de la aviación: un escáner del tamaño de una habitación que se utiliza para inspeccionar piezas de las alas y el motor y que permite observar muestras de suelo de un metro de longitud, 0,25 metros de diámetro y un peso de hasta 80 kg.

«La financiación del Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Wolfson y la Universidad de Nottingham nos ha permitido establecer una plataforma de imagen radicular única, la Hounsfield Facility», destaca el Prof. Bennett. La subvención del CEI ha permitido adquirir el nuevo equipo de exploración con rayos X, capaz de suministrar imágenes en 3D de todas las redes de raíces de las plantas a medida que crecen en el suelo en un invernadero totalmente automatizado y dotado de la tecnología más puntera.

«El edificio se finalizó en julio, apenas doce meses después de que se pusiera en marcha el proyecto», añade. «Los instrumentos llegan este otoño y empezarán a funcionar en enero».

Un problema profundamente arraigado

El suelo es heterogéneo, tridimensional y complejo, estando repartidos por todo su volumen el agua y los nutrientes. Un escáner TC puede mostrar el agua, el suelo y las raíces, pero lo hace sirviendo una serie de «rebanadas» del suelo, imágenes transversales por rayos X que muestran cada raíz sólo como un pequeño punto allí donde pasa por la porción fotografiada.

«La dificultad radica en reconstruir las raíces a partir de estas secciones transversales», explica el Prof. Bennett. «Hemos sido capaces de adaptar técnicas de seguimiento de objetos (método empleado en el sector de la seguridad para la búsqueda de sospechosos a medida que se desplazan en una muchedumbre) para reconocer y seguir cada rama radicular y así "pelar" el suelo».

El profesor Bennett también es director del Centro de Biología Integrativa Vegetal (CPIB) de la Universidad de Nottingham, un centro interdisciplinar que reúne a matemáticos, ingenieros y científicos informáticos, así como a botánicos y edafólogos.

«Este entorno multidisciplinar realmente nos ha abierto a diferentes influencias; ha resultado una amalgama fantástica», asegura. "Tenemos que trabajar con todas las disciplinas, desde ingenieros de software hasta botánicos, para llevar a buen término este proyecto tan complejo. El equipo de investigación del CEI se compone de veinte científicos, habiendo seis doctorandos cofinanciados por el propio CEI y la universidad».

El centro está trabajando con muchos grupos internacionales, como el Institut de recherche pour le développement (IRD) de Montpellier, Francia, y el profesor Jonathan Lynch de Estados Unidos, un pionero de la «segunda revolución verde». El objetivo es producir cultivos mejores para Europa y para los países en desarrollo.

«También estamos descubriendo mecanismos desconocidos hasta ahora empleados por las raíces para dar con el agua», concluye el Prof. Bennett. «Y si esto nos ayuda a generar nuevas variedades de plantas de cultivo, que den un mayor rendimiento en condiciones difíciles y que sean más eficientes en el uso de los nutrientes del suelo, ello tendrá un verdadero impacto agronómico».

Fuente: profesor Malcolm Bennett

- Coordinador del proyecto: Universidad de Nottingham (Reino Unido)
- Título del proyecto: Redesigning root architecture for improved crop performance
- Acrónimo del proyecto: FUTUREROOTS
- web de FUTUREROOTS
- Programa de financiación del 7PM (convocatoria del CEI): subvención avanzada (Advanced Grant) 2011
- Financiación de la CE: 3 500 000 euros
- Duración del proyecto: 5 años

Bibliografía seleccionada

"Developing X-ray Computed Tomography to non-invasively image 3-D root systems architecture in soil." Plant and Soil Mooney SJ, Pridmore TP, Helliwell J, Bennett MJ (2012) vol. 352, 1-22
"RooTrak: Automated recovery of 3D plant root architecture in soil from x-ray micro computed tomography using visual tracking." Plant Physiology Mairhofer S, Zappala S, Tracy S, Sturrock C, Bennett M, Mooney S, Pridmore T (2012) 158, 561-569