"Mantener el rendimiento y la calidad de los cultivos hortícolas bajo las nuevas condiciones de estrés derivadas del cambio climático es un desafío importante"
Entrevista a Joaquín Medina, investigador CSIC-INIA en el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP)
En la siguiente entrevista conversamos con uno de los investigadores españoles que forman parte del proyecto europeo VEG-ADAPT. Lanzada en 2020, se trata de una iniciativa para desarrollar un ambicioso programa de obtención de nuevas variedades más resistentes a condiciones de cambio climático en la región mediterránea. VEG-ADAPT toma como caso de estudio tres cultivos hortícolas, tomate, pimiento y melón, seleccionados por su peso en el empleo y en el valor de la producción agrícola de los países mediterráneos.
¿Quién está impulsando el Proyecto Europeo VEG-ADAPT y qué representación tiene España?
VEG-ADAPT recibe financiación del programa europeo PRIMA (The Partnership for Research and Innovation in the Mediterranean Area, Horizonte 2020). El programa PRIMA es una iniciativa europea muy interesante que tiene por objetivo precisamente crear capacidades de investigación y soluciones para los sistemas agroalimentarios, para hacerlos rentables y ambiental y socialmente sostenibles para, finalmente, hacerlos más resistentes a condiciones de cambio climático y que contribuyan a resolver la escasez de agua y la seguridad alimentaria.
VEG-ADAPT está coordinado por la Universidad de Turín y en concreto el Dr. Andrea Schubert es el coordinador principal. La duración del proyecto es de 3 años y cuenta con la participación de 12 entidades de 8 países diferentes del área Mediterránea, entre los cuales participan, por parte de España, la Universidad de las Islas Baleares (UIB-INAGEA; Miquel Ángel Conesa, Aina Juan, Matéu Fullana, Jeroni Galmes) y el Centro Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (CSIC-INIA; Laura Carrillo, Lu Yang, Joaquín Medina) y la empresa Abiopep de Murcia (Yolanda Sainz, María José Clemente).
En particular, nuestro grupo desarrolla sus actividades en el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP) localizado en el Campus de Montegancedo, en Pozuelo de Alarcón (Madrid). El CBGP es un centro mixto en el que participan investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y del CSIC-INIA, que dispone de distintas instalaciones adecuadas para crecimiento y experimentación con plantas y de laboratorios necesarios para llevar a cabo los estudios bioquímicos y moleculares programados en el proyecto.
¿Cuáles son los objetivos generales que se persiguen en este proyecto?
Desde la década de 1980 se ha registrado un aumento constante de la concentración de CO2 en la atmósfera que ha ido de la mano de cambios importantes en el clima, que ahora están afectando gravemente a la agricultura mediterránea y amenazan la seguridad alimentaria y la sostenibilidad económica futuras, tanto de las explotaciones agrícolas familiares como las industriales.
El cambio climático promueve e incrementa periodos cada vez más largos de sequía, calor y salinidad, estreses que están estrictamente interconectados, los cuales reducen la cantidad de agua disponible para los cultivos. Precisamente en la zona mediterránea se están registrando aumentos significativos de las temperaturas (tanto de día como de noche), junto con una disminución generalizada de las precipitaciones. Por consiguiente, la mayor frecuencia de períodos cálidos y secos está imponiendo límites más severos a los cultivos de secano y, en el caso de los cultivos de regadío, los recursos hídricos pueden llegar a ser totalmente insuficientes y económicamente inviables para cultivar con éxito las variedades comerciales que más frecuentemente se usan en la actualidad.
Hasta ahora, la gran mayoría de las plantas de cultivo incluidas el conjunto de cultivos hortícolas, se han obtenido mediante selección y reproducción (proceso de domesticación), que normalmente se ha llevado a cabo durante mucho tiempo en entornos sujetos a limitadas condiciones de estrés, y usualmente suplementados en exceso con nutrientes y agua donde se aprovecha mejor su rendimiento. Sin embargo, debido a las nuevas condiciones de cambio climático, el mantenimiento de condiciones favorables para el desarrollo de estas variedades se está convirtiendo en técnica y económicamente inviable, lo que conllevará graves pérdidas de rendimiento. Por ello, poder mantener el rendimiento y la calidad de los cultivos (hortícolas) bajo las nuevas condiciones de estrés derivadas del cambio climático es un desafío sin duda importante.
Este problema es muy complejo y puede abordarse usando distintas aproximaciones experimentales. En particular, el proyecto VEG-ADAPT pretende seleccionar y desarrollar nuevos genotipos adaptados a las nuevas condiciones ambientales, por tanto más sostenibles y que presenten una mayor tolerancia al estrés o resiliencia. Este objetivo se puede alcanzar explotando la variabilidad genética aún sin explorar, que a menudo se encuentra conservada tanto en especies salvajes como en genotipos locales (variedades tradicionales) especialmente adaptadas a las condiciones ambientales locales del área Mediterránea y que a menudo son olvidados. Además, para conseguir optimizar el crecimiento y la producción de estos genotipos más resistentes que generalmente presentan un menor rendimiento, el proyecto también pretende modificar y adaptar las técnicas de manejo de los cultivos precisamente a estos genotipos locales para ajustar sus necesidades bajo condiciones de estrés.
En este entorno, el objetivo central de la propuesta VEG-ADAPT se centra en suministrar nuevas soluciones para la adaptación de los cultivos hortícolas a las nuevas condiciones de estrés promovidas por el cambio climático en el área mediterránea, y especialmente a las que se presentan tanto de forma individual o como combinación de distintos estreses (por ejemplo calor y sequía, o calor y salinidad etc.).
Para llevar a cabo este objetivo tan ambicioso, el proyecto plantea, por un lado rescatar y estudiar variedades tradicionales especialmente adaptadas a las condiciones del Mediterráneo y que son fuente muy importante de variabilidad genética, y por otro lado mediante distintos análisis genéticos y moleculares de los genotipos más prometedores para aportar nuevo conocimiento acerca de los mecanismos implicados en tolerancia y resiliencia a estreses como la sequía, el calor y la salinidad, para desarrollar nuevas estrategias de mejora genética de los genotipos de interés.
Precisamente, nuestro grupo de investigación (CSIC-INIA) en el CBGP, participa en el proyecto en estrecha colaboración con el grupo de investigación de la UIB (UIB-INAGEA) llevando a cabo distintos análisis fisiológicos, transcriptómicos y metabolómicos de los genotipos resistentes para tratar de entender las bases moleculares de las respuestas a estrés y el desarrollo de nuevos marcadores.
¿Qué pasos se han podido dar hasta ahora y qué resultados esperan obtener a medio plazo?
El proyecto comenzó sus actividades hace un año, y a pesar de la pandemia y de los graves problemas sociales y económicos que ha promovido, debo decir que se han mantenido en gran medida las actividades programadas gracias al compromiso, dedicación y esfuerzo cooperativo de todos los grupos participantes.
Hasta el momento se han realizado distintos trabajos de prospección y se han identificado alrededor de más de 1.000 variedades locales de tomate, pimiento y melón, de las Islas Baleares y Sureste de España, Sur de Francia, Turquía, Oeste y Sur de Grecia, Jordania y Marruecos, entre las disponibles en las distintas colecciones y bancos de semillas del consorcio de las cuales se tienen datos previos. Además, se está realizando un análisis de la tolerancia de los genotipos más prometedores, a distintas condiciones de estrés (tanto simples como en combinación de distintos estreses).
En la actualidad, se están procesando una gran cantidad de datos procedentes de estos estudios que están permitiendo identificar los genotipos más interesantes, en relación a su tolerancia a distintas condiciones de estrés. En paralelo, distintos grupos de investigación, entre los que nos encontramos, estamos colaborando para realizar estudios fisiológicos, genéticos y moleculares de los genotipos resistentes que espero permitan identificar genes y vías metabólicas implicadas en el desarrollo de tolerancia a estrés y que por tanto también puedan desempeñar funciones importantes para mantener el crecimiento, la producción y calidad de fruto bajo las nuevas condiciones ambientales adversas.
En resumen, se pretende que estos nuevos elementos puedan ser utilizados como marcadores avanzados para el desarrollo de nuevos programas específicos de obtención de nuevas variedades con nuevas características y alto rendimiento bajo las nuevas condiciones ambientales.
“El cambio climático está amenazando gravemente al sector agrícola y ya se calculan pérdidas de alrededor del 30% en los próximos años si no se toman medidas urgentes, como la incorporación de nuevas tecnologías de cultivo, la digitalización y, sobre todo, el desarrollo de nuevas variedades mucho más eficientes en el uso de recursos”
¿Por qué el proyecto ha tomado como modelo de estudio tres cultivos vegetales mediterráneos con son el tomate, el pimiento y el melón?
En conjunto, estos cultivos son los principales proveedores de frutos de los países mediterráneos y como ejemplo se puede mencionar que alcanzaron en los últimos años producciones de alrededor 50 millones de toneladas por año, con un valor de mercado agregado de más de 18.000 millones de euros. Extrapolando datos estadísticos de la UE sobre el valor de la producción agrícola y el empleo en la agricultura, se estima que alrededor de 450.000 trabajadores participan en la industria de estos cultivos de hortalizas en el Mediterráneo. Por tanto, no es de extrañar que distintas estimaciones apunten a que el cambio climático está amenazando gravemente al sector agrícola y ya se calculan pérdidas de alrededor del 30% en los próximos años, si no se toman medidas urgentes como la incorporación de nuevas tecnologías de cultivo, la digitalización y fundamentalmente el desarrollo de nuevas variedades mucho más eficientes en el uso de recursos.
Otras razones por las que VEG-ADAPT toma como caso de estudio estos tres cultivos hortícolas mediterráneos residen, por un lado, en sus importantes propiedades nutricionales, ya que estos son ricos en carotenoides, por lo que contribuyen significativamente en la dosis necesaria de antioxidantes en la dieta de la población Mediterránea y, por otro lado, en su amplio consumo que se estima alrededor de 40 kg por persona y año colectivamente.
Además, hay que destacar otras características de estos cultivos como modelo de estudio. En primer lugar, sus distintos tipos de manejo, ya que tradicionalmente se han cultivado utilizando diferentes sistemas de cultivo (cubierta plástica, invernadero, hidroponía, campo abierto...) y en segundo lugar, porque a nivel molecular se ha secuenciado completamente su genoma lo que permite análisis moleculares y genéticos muy detallados. Además, estos cultivos son de gran interés, porque a pesar del “cuello de botella de su domesticación”, muestran una variabilidad genética importante que aún está sin explotar sobre todo en lo que respecta a especies silvestres y variedades locales/tradicionales.
En el caso de tomate, desde hace unos años es también una planta que se utiliza como modelo científico, ya que ofrece, además de un genoma bien anotado, una amplia gama de herramientas genéticas y moleculares, como por ejemplo enormes colecciones de líneas de introgresión (IL) con parientes silvestres y datos de re-secuenciación para más de 500 cultivares y accesiones. Además otros cultivos vegetales importantes (como patata, berenjena, pepino y sandía) están relacionados taxonómicamente con estas especies vegetales y comparten muchos aspectos fisiológicos con ellas, lo que abre una perspectiva muy favorable para estudios traslacionales y para la transferencia de los conocimientos genéticos y agronómicos obtenidos.
Por lo tanto, el proyecto VEG-ADAPT centra su objetivo en cultivos muy importantes tanto económica como nutricionalmente; y la mejora en tolerancia a las nuevas condiciones de estrés derivadas del cambio climático puede beneficiar significativamente la sostenibilidad agrícola en países del Mediterráneo.
Además de los estreses relacionados con la sequía, las altas temperaturas y la salinidad, ¿el cambio climático puede influir en la dinámica de las plagas y enfermedades que afectan a estos cultivos?
Por supuesto. Es bien conocido que las condiciones ambientales adversas afectan y a menudo aumentan de forma muy significativa la sensibilidad a distintos patógenos de las plantas. Teniendo en cuenta estos efectos, el proyecto VEGA-DAPT también contempla analizar las respuestas a distintos patógenos de las variedades más resistentes identificadas en el estudio. En este sentido, distintos grupos de trabajo colaboran para llevar a cabo distintos análisis de laboratorio y de campo para establecer las relaciones de antibiosis, antixenosis y tolerancia de los genotipos de interés a plagas muy importantes tales como Tuta absoluta, Bemisia tabaci, Tetranychus urticae y distintos nematodos bajo condiciones de múltiples estreses abióticos tales como sequía, calor y salinidad.
Con los resultados de los experimentos realizados, se pretende desarrollar pautas prácticas de manejo de plagas y enfermedades especialmente adaptadas a los genotipos identificados para la adaptación a las condiciones de cambio climático. Además también hay que decir que estas pautas se diseñarán especialmente para sistemas de gestión integrados, para mantener los altos rendimientos bajo la presión combinada de diferentes estreses abióticos (sequía, calor y salinidad).
En cuanto a la optimización de los sistemas de gestión de cultivos adaptados a las variedades resistentes identificadas, a priori, ¿qué metodología de trabajo en campo cree que puede ser más adecuada? ¿La agricultura ecológica es quizá la opción que mejor encaja, al ser un sistema que se caracteriza por el bajo aporte de insumos?
Sin duda los agricultores ecológicos tienen una exposición aún mayor a los efectos climáticos que los productores convencionales, y en parte se debe a que la propagación de plagas, patógenos nuevos y existentes se ve especialmente favorecida por la mayor susceptibilidad de los cultivos cuando se encuentran sometidos a condiciones ambientales desfavorables como las promovidas por el cambio climático. Por ello, el proyecto contempla desarrollar precisamente innovaciones en el manejo de cultivos que se analizarán en condiciones agrícolas convencionales, pero por su naturaleza (genotipos novedosos, enmiendas orgánicas, etc.) son también utilizables para sistemas integrados y ecológicos.
El desarrollo de nuevas variedades más eficientes en el uso de agua y nutrientes, es sin duda un recurso clave y de gran valor para la agricultura ecológica, pero también lo es para la agricultura en general. Además, la obtención de estos nuevos recursos genéticos, como los que se desarrollarán en el contexto de VEG-ADAPT, es muy necesario y urgente especialmente en el contexto actual para el desarrollo de una agricultura eficiente, sostenible y más respetuosa con el medio ambiente. En particular, estos problemas constituyen una de las principales líneas de trabajo en nuestro laboratorio en el CBGP.
¿Qué tipo de herramientas propias de la agricultura digital prevé que podrían ser más interesantes en el cultivo de estas variedades mejor adaptadas?
Precisamente, este aspecto es de especial interés en el proyecto. VEG-ADAPT participa en un programa Piloto sobre el manejo de Datos en Investigación en abierto de Horizonte 2020, en línea con la política de “acceso abierto a datos de investigación” para facilitar el acceso, reutilización y preservación de los datos de investigación (Principios FAIR, Wilkinson et al., 2016), con el objeto que los datos puedan ser utilizados por los distintos usuarios.
Es destacable que el proyecto presenta un Plan de Manejo de Datos (DMP) que contempla múltiples aspectos del estudio como por ejemplo son la fuente/origen de los datos, los distintos controles utilizados, métodos para la obtención de datos; así como elementos importantes de la política de gestión de datos entre los que se incluyen aspectos de cómo se pueden compartir y explotar los datos, y cómo se conservarán (es decir, como se almacenarán y gestionará el acceso, etc.), para permitir que los datos sean localizables, accesibles, interoperables y reutilizables por cualquier potencial usuario (Principios FAIR). Además el proyecto VEG-ADAPT desarrolla de forma específica procedimientos operativos estándar (SOP) y plantillas de datos que se han diseñado y utilizado en los distintos experimentos en laboratorio e instalaciones de contención (por ejemplo, cámaras visitables de cultivo o invernaderos) que serán disponibles para la comunidad.
En la actualidad, las distintas actividades del proyecto están proporcionando una enorme y muy diversa cantidad de datos. Estos grupos de datos cubren tanto aspectos relacionados con el crecimiento de las plantas, el rendimiento y la calidad de fruto, la eficiencia del uso del agua; datos genómicos y metabólicos, marcadores genéticos, medidas de calidad, disponibilidad de agua; medidas fisiológicas y datos relacionados con las raíces entre otros. Además, esta información primaria se completa con información secundaria adicional de diferentes fuentes como literatura científica para coeficientes técnicos y estadísticas oficiales para precios de insumos y productos etc. Además, está previsto que los datos se envíen a archivos públicos, para ayudar y garantizar la sostenibilidad y accesibilidad de los mismos a largo plazo.
Invernadero donde se desarrollan los trabajos relacionados con VEG-ADAPT en el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP) de Madrid.
¿Cómo está previsto que se desarrolle la transferencia de los resultados de VEG-ADAPT a los agricultores y al resto de la cadena agroalimentaria?
El proyecto VEG-ADAPT contempla una gran cantidad de actividades de diseminación y transferencia de sus resultados, a una amplia diversidad de grupos de interés y audiencias objetivo a quienes el proyecto intenta contactar. Entre los distintos grupos objetivo del proyecto se encuentran en primer lugar agricultores y asociaciones de agricultores, pero también la academia en general incluidos investigadores y estudiantes; industria y responsables políticos y autoridades que participan en el desarrollo y aplicación de políticas de mejora, gestión del agua, política agrícola; y finalmente el público en general y sociedad civil, incluidos los jóvenes estudiantes.
Para cada categoría de usuario, se han planteado diferentes aproximaciones y actividades para difundir los resultados del proyecto teniendo en cuenta el conocimiento existente del usuario y sus necesidades de información adicional. Además, para la comunicación y la diseminación en la sociedad de los resultados se pretende realizar una estrategia amplia en distintos medios que están recogidos en un plan de difusión del proyecto, que incluyen tanto comunicados de prensa como la elaboración de reportajes o historias breves para los medios de comunicación como periódicos, revistas, blogs y redes sociales. Por ejemplo, en relación con el público en general, se contemplan actividades de difusión gestionadas a través de las redes sociales. El uso de las redes sociales no es solo una forma de comunicar y difundir los productos y resultados del proyecto, también permite alcanzar niveles de compromiso con el público que antes no se creían posibles, especialmente en campos tan específicos como la ciencia vegetal.
Por otro lado para la diseminación en el mundo académico, la industria y político, VEG-ADAPT pretende contribuir al proceso de elaboración de políticas eficaces de gestión proporcionando documentos de base y resúmenes de políticas acerca de la hoja de ruta de la investigación agrícola, así como sobre las políticas de mejora genética. El compromiso con los responsables de la elaboración de políticas también implicará la invitación de funcionarios del programa PRIMA y de representantes de la plataforma de actores PRIMA en distintas reuniones especificas proyecto. Además, el asesoramiento científico pertinente se comunicará a la CE y a los distintos ministerios nacionales y las autoridades asesoras, como por ejemplo en el contexto de la contribución a las iniciativas Food 2030, la implementación de Investigación e Innovación para la Agricultura (SCAR, AKIS), etc.
En el caso de la comunicación con la comunidad científica, aprovechará los medios de difusión científica más tradicionales (artículos científicos, talleres, simposios, etc.). Además, se cuenta con la participación de los miembros del Consejo Asesor del proyecto, científicos muy reputados en área de estudio, que apoyarán el enlace con organizaciones internacionales e iniciativas de I+I fuera de Europa.
En relación al compromiso con los agricultores y sus organizaciones, estos desempeñan un papel clave en la prueba de los resultados del proyecto y en la misma difusión de conocimientos en un proceso colaborativo y en cascada a otros agricultores. Las distintas soluciones que espero aporte el proyecto se desarrollarán en condiciones agrícolas convencionales, pero por su naturaleza (genotipos novedosos, enmiendas orgánicas, etc.) las hará potencialmente utilizables también por sistemas integrados y ecológicos lo que permite anticipar un amplio impacto en el sector. Además, se van a llevar a cabo distintas actividades para asimilación de los resultados y se contempla entre otras llevar a cabo demostraciones en distintas explotaciones y difusión del material informativo en los distintos idiomas nacionales, utilizando el formato de “resúmenes de prácticas” promovido por EIP-AGRI.
¿Qué podría aportar la edición genética al desarrollo de VEG-ADAPT y, en todo caso, a la adaptación en un futuro de variedades frente a los condicionantes agroclimáticos? ¿Cree que finalmente esta tecnología se podrá emplear en Europa, tal y como sugieren las últimas informaciones al respecto?
La técnica de edición genética CRISPR/CAS ha supuesto una revolución en la investigación biotecnológica en general y por supuesto en agricultura, con un potencial enorme en múltiples aplicaciones.
En el caso del proyecto VEG-ADAPT, este tipo de técnicas de edición genética por supuesto son de gran interés. Especialmente, porque es esperable que entre los resultados del proyecto se identifiquen genes y rutas metabólicas que desempeñen funciones relevantes en la respuesta a distintos tipos de estrés abiótico y, por tanto, gracias a este tipo de tecnologías de edición se podría incorporar o modificar estos caracteres directamente y de forma muy eficiente en otras variedades de elite de interés agronómico. Proceso que podría llevar mucho más tiempo utilizando las aproximaciones convencionales.
Por todo lo anterior, espero que este tipo de tecnologías de edición génica se puedan utilizar muy pronto en el ámbito de la Unión Europea. Estas técnicas son ya una realidad en otros países de nuestro entorno y está promoviendo un avance rápido y sin precedentes tanto en investigación básica como aplicada y especialmente en la mejora de distintos cultivos.
Sitios de interés para más información:
https://www.veg-adapt.unito.it/
http://www.cbgp.upm.es/index.php/es/
Wilkinson, M. D. et al. The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship. Sci. Data 3:160018 doi: 10.1038/sdata.2016.18 (2016).
