Texto de apropiación científica y tecnológica_____________________________

Módulo 4. Agricultura sin labranza  

4.1 Introducción 


La era moderna bien podría denominarse la era del carbono. Hemos aumentado la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera en más de un tercio desde que comenzó la Revolución Industrial[1]. Un gas que mantiene el calor del sol contenido dentro de la atmósfera de la Tierra, el dióxido de carbono constituye más de tres cuartas partes de las emisiones de gases de efecto invernadero en el mundo[2]. Al mismo tiempo la agricultura está experimentando una crisis de carbono, con el 50-70 % del carbono del mundo en los suelos de las tierras de cultivo desgasificados en la atmósfera debido a la labranza[3]. El carbono, conocido como el bloque de la vida, es el elemento más esencial en la fertilidad del suelo, ya que ayuda en el desarrollo de la estructura del suelo, la retención de agua, la retención de nutrientes y el proceso biológico.


La disminución de la fertilidad de nuestra pérdida de carbono está ocurriendo durante un clima extremo, cuando la creación de cultivos resistentes que pueden soportar el estrés de patrones climáticos impredecibles será más importante que nunca. El grupo intergubernamental de expertos sobre cambio climático estima que la producción mundial de alimentos podría reducirse hasta en un 17% para el año 2100 debido a las malas cosechas por el aumento de la variación climática[4]. La población en el año 2050 se estima en 10 mil millones de personas[5]. Encontrar formas de preservar el carbono en nuestro suelo es simultáneamente un medio ambiente  pieza de activismo ambiental y social, a algo que podemos hacer en nuestras granjas para mejorar la salud de nuestro suelo y la salud de nuestro clima. 


Una de las prácticas de retención de carbono más centrales es el cultivo sin labranza. La labranza ha contribuido con 792 mil millones de toneladas de emisiones de carbono en los últimos 250 años[6]. En comparación, los humanos contribuyeron con casi 36.4 millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera solo el año 2019[7]. La labranza introduce cantidades anormalmente grandes de oxígeno en el suelo, aumentando la descomposición de la materia orgánica. A medida que el carbono de este tejido orgánico se libera a través del proceso de descomposición, las moléculas de carbono se unen con el abundante oxígeno introducido a través de la labranza para convertirse en CO2, elevándose a la atmósfera. 


Se ha utilizado la labranza y ha visto resultados impresionantes, es porque la labranza está proporcionando una floración biológica momentáneamente en su suelo. Al aumentar la descomposición de la materia orgánica del suelo, hay un aumento a corto plazo del carbono lábil  disponible o activo del suelo (COSL), la forma de carbono que alimenta la maquinaria microbiana. Mientras que las hifas fúngicas se desgarran y se interrumpen a través de le labranza, este carbón lábil disponible genera un aumento en las bacterias del suelo, lo que aumenta el porcentaje de nutrientes que están biodisponibles para la absorción de raíces. Casi todo lo que hacemos en la agricultura sustentable (cultivos de cobertura, rotación de animales, labranza reducida, compostaje) se trata fundamentalmente de aumentar la materia orgánica en el suelo. Y cuando hablamos de materia orgánica, en gran parte estamos hablando de carbono, que comprende el 58% de la materia orgánica del suelo. La materia orgánica y el carbono dentro de ella tiene varias funciones clave en la salud del suelo.


4.2 Microbioma


El carbono del microbioma es la fuente de combustible que impulsa la red microbiana a digerir los minerales y hacerlos biodisponibles para las raíces de las plantas, también conocida como mineralización. Sin este sistema de soporte biológico que procesa los minerales, a las plantas les resulta más difícil acceder a los nutrientes disponibles en el suelo. 


4.3 Interacción potasio/sodio en la salud del suelo


El potasio (K+) es el catión inorgánico más abundante en las células vegetales, con un contenido promedio de entre el 2% y el 10% de materia seca vegetal[8]. Debido a la amplia gama de funciones metabólicas y fisiológicas del K, las plantas mantienen un contenido citosólico K+ bastante constante, generalmente dentro del rango de 100-200 mM[9]. La desrregulación en la homeostasis citosólica del  K+, viene con una alteración significativa en el funcionamiento de una planta; debido a esto, el K+ es reconocido como un factor limitante de la tasa para el rendimiento y la calidad de los cultivos[10]. La incapacidad de una planta para mantener niveles óptimos de K+ citosólico también conlleva el peligro de inducir la muerte celular del programa (por lo tanto, una pérdida completa de la viabilidad celular) al desbloquear las actividades de las proteasas y endonucleasas similares a la caspasa[11]. La deficiencia de K+ inducida por el estrés es un fenómeno bien reportado, observado en condiciones ambientales adversas como la sequía, salinidad o inundaciones[12]. El K+ es suministrado naturalmente por los cristales y otros minerales primarios que contienen K+ en el suelo. La capacidad de varios tejidos vegetales para retener potasio en condiciones de estrés ha sido reconocida como un mecanismo novedoso y esencial de tolerancia la estrés abiótico en las plantas[13]. 


La homeostasis es una propiedad de los organismos que consiste en su capacidad de mantener una condición interna estable compensando los cambios en su entorno mediante el intercambio regulado de materia y energía con el exterior (metabolismo). Se trata de una forma de equilibrio dinámico que se hace posible gracias a una red de sistemas de control realimentados, que constituyen los mecanismos de autorregulación del potasio en las plantas  y otros seres vivos, está regulada por una gran cantidad de proteínas transportadoras. En la planta modelo de Arabidopsis, se han identificado siete familias principales de transportadores de cationes  (75 genes en total) mediante el transporte de K+ a través de las membranas celulares. Estos incluyen a los canales: Shaker-type[14] K+ (9 genes), two-pore[15] K+(6 genes), putative K+/H+ antiportadores (6 genes[16]), KUP/HAK/KT transportes (13 generes[17]),  HKT[18] transportes (1 gen), GLR receptores de glutamato (20 genes[19]) y CNGC  dependientes de nucleótidos cíclicos (20 genes[20]). Algunos de estos transportadores son específicos selectivos para K+(por ejemplo el tipo shared), mientras otros no son selectivos e impregnan otros cationes, incluido Na++ (por ejemplo en CNGC o GLR) También difieren en sus propiedades de cierre y modos de control y se expresan de una manera altamente específica del tejido. Además, se han identificado transportadores permeables a K+ de baja afinidad en otras especies (por ejemplo, LCT1[21]).


A nivel fisiológico, las proteínas transportadoras K+ mencionadas anteriormente operan en una captación unidireccional de K+(por ejemplo, transportadores K+ de alta afinidad de la familia HAK o canales ART1 rectificadores hacia adentro) o liberación de K+ (por ejemplo, canal GORK en la epidermis de la raíz  o canales SKOR en las células del parénquima del xilema) o podrían mediar un transporte bidireccional de K+ a lo largo de su gradiente electroquímico (por ejemplo, canales GLR y CNGC no selectivos). Los heterómeros AKT1 y/o ATKC1/AKT1 constituyen la principal vía mediada por canales para la absorción de K+ del suelo[22]. Mientras que HAK5 es el único sistema que opera a concentraciones externas de K+ por debajo de 10 μM y 200 μM, tanto AtHAK5 y ART1 contribuyen para suministro de  K+.[23]


Casi el 10% de la superficie terrestre y el 50% todas las tierras de regadío en el mundo se ven afectadas por la salinidad[24], que se caracteriza por la presencia de altas cantidades de Na+ en la rizosfera. La mayoría de esta salinidad es natural; sin embargo, tanto la tala bosques como el riego excesivo han causado una gran salinización y degradación de suelos en muchos países.[25] En promedio, se agrega entre 3 y 6 toneladas de sal a cada hectárea de tierra de regadío cada año. Como todos los cultivos modernos fueron seleccionados para ser excluyentes de sal, porque se produce una acumulación constante de salinidad. Esto último afecta la capacidad de las plantas para adquirir nutrientes esenciales, específicamente por K+, lo que resulta en pérdidas masivas de rendimiento (estimadas en $27.3 mil millones por año[26]). Los suelos afectados por sal generalmente se clasifican en: suelos salinos, alcalinos (sódicos) y salinos-alcalinos (salinos sódicos). Los suelos salinos se caracterizan por ser no sódicos y contener suficientes sales solubles para afectar adversamente el crecimiento de la mayoría de las plantas de cultivo. Los suelos alcalinos (sódicos) se caracterizan por niveles elevados de iones de sodio y exhiben problemas estructurales como resultado de ciertos procesos físicos (apagado, hinchamiento y dispersión de la arcilla) y condiciones específicas (encostramiento superficial y endurecimiento). Con propiedades superpuestas, los suelos salinos-alcalinos (salino-sódicos) se caracterizan por niveles elevados de sales solubles e iones de sodio. La evidencia reciente a nivel mundial ha ayudado a caracterizar los suelos afectados por magnesio[27]. Con altos niveles de magnesio, estos suelos cuando se aran forman grandes terrones que impiden el flujo de agua, lo que resulta en una mala distribución del agua y el crecimiento de las plantas.


Los efectos perjudiciales de la salinidad en la adquisición de K+  pueden explicarse por el efecto combinado de al menos nueve factores:


1.  Cuando el Na+ cargado positivamente cruza la membrana plasmática (PM[28]), PM se despolariza hasta en 60-80mV (dependiendo de la concentración de de NaCl y la especie[29]). Esta despolarización es independiente de la capacidad de la planta para excluir  Na+ regulado a través de la vía de SOS[30] (the Salt Overly Sensitive pathway). Se han documentando alternativas ecológicas para contrarrestar los efectos causados por la salinidad en el suelo, como el uso de vermicomposta (VP) como biofertilizante seguro que puede además influir en la expresión génica de SOS1 (45 veces), impulsando de esta manera la maquinaria de defensa de leguminosas como Vicia faba Aspani (haba) para contrarrestar la toxicidad de NaCl a 200 mM. Como la capacidad de amortiguación vacuolar K+ es limitada, a menos que se equilibre con una mayor absorción de K+, una despolarización prolongada da como resultado la pérdida sustancial K+ por las raíces, lo que lleva a la deficiencia de K+ observada en condiciones salinas. 


2. Para prevenir la fuga de K+ inducida por la despolarización de la membrana plasmática, las plantas intentan restaurar el potencial de membrana mediante el bombeo más activo de H+ ATPasa[31]. Esto viene con un costo significativo de ATP y puede comprometer la capacidad de la planta para adaptarse y crecer. Las especies halófitas (naturalmente tolerantes a la sal) poseen valores de PM constitutivamente más negativos, con genotipos tolerantes a sal[32]. Sin embargo, esto se produce a expensas del rendimiento (correlación negativa entre productividad y tolerancia).


3. Esta despolarización de la PM también hace que una absorción positiva de K+  a través de canales de rectificación interna (como AKT o KAT) sea termodinámicamente imposible. Por lo tanto, la absorción de K+ en condiciones salinas se basa principalmente en transportadores de alta afinidad (medidos por HAK) que son mucho menos eficientes y requieren ATP para funcionar (es decir, necesitan ser energizados por H+ ATPasas para una operación simportador). Esto agota el grupo ATP y viene con penalización pro crecimiento y rendimiento. En términos cuantitativos, la acumulación de 1 mol de K+ requiere 1 mol de ATP para el transporte uniporte (mediado por canal) pero 2 mol de ATP para un simportador K+/H+(un simportador es una proteína de membrana integral que participa en el transporte de dos moléculas diferentes a través de la membrana celular en la misma dirección. El simportador trabaja en la membrana plasmática y las moléculas se transportan a través de la membrana celular al mismo tiempo, y es, por tanto, un tipo de cotransportador. El transportador se llama simportador, porque las moléculas viajarán en la misma dirección entre sí. Esto contrasta con el transportador antipuerto. Por lo general, los iones se moverán a favor del gradiente electroquímico, lo que permitirá que las otras moléculas se muevan en contra del gradiente de concentración. El movimiento de los iones a través de la membrana facilita la difusión y está acoplado con el transporte activo de la (s) molécula(s[33]).


Referencia


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[2] https://www.un.org/climatechange?gclid=Cj0KCQiAosmPBhCPARIsAHOen-NnW3GY-ahX7sqk2QAZwbN1hBcXnS609FSNbHKc8jkHa5vdjKBr7uwaArHUEALw_wcB

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[6] https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/

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[33] https://en.wikipedia.org/wiki/Symporter

 

 

 

Autores:
Eduardo Ochoa Hernández
Nicolás Zamudio Hernández
Lizbeth Guadalupe Villalon Magallan 
Pedro Gallegos Facio
Gladys Juárez Cisneros
Gerardo Sánchez Fernández
Rogelio Ochoa Barragán 
Abraham Zamudio Durán