Comenzando en 2015, Rodale Institute comenzó estudios de invernadero para determinar si los cultivos se pueden mejorar para tolerar las malezas. Estos estudios evaluarán el potencial de la exposición a las malas hierbas para inducir cultivos tolerantes a las malas hierbas basándose en el reconocimiento de que la competencia por la luz juega un papel clave en el rendimiento de las plantas.
Se supone que el rendimiento de la progenie (o descendencia) de las plantas de prueba expuestas al mismo estrés biótico (estrés que se produce como resultado del daño causado a las plantas por otros organismos vivos como las malas hierbas) es mayor que el de las plantas parentales. El experimento está diseñado como un diseño de bloques completamente al azar factorial uno por tres replicado tres veces. Las plantas de avena se plantan en recipientes rodeados de raigrás anual o chanchullo de raíz roja, con plantas de avena o tierra como control (Figura 1).
Las plántulas de plantas de cultivo de prueba se reducen a una planta por contenedor. Los datos agronómicos sobre la altura de la planta, el número de hojas de cada planta y las mediciones del área foliar se recopilan de las plantas de prueba cada semana. Las malezas se recortan regularmente para limitar la respuesta de evitación de la sombra a los cambios en el espectro de luz en lugar de la sombra real. En la madurez de la planta, se miden la biomasa del cultivo y el rendimiento de grano. Las semillas de la progenie F2 y F3 de plantas de cultivo expuestas a dos especies de malas hierbas diferentes se probarán para determinar su resistencia frente a las malas hierbas en comparación con la generación parental F1. Las pruebas se llevarán a cabo en el invernadero y los campos de investigación en Rodale Institute y otras instituciones colaboradoras como la Universidad de Wyoming.
Base científica del estudio
La capacidad de las plantas para responder a patógenos causantes de enfermedades adquiriendo resistencia sistémica cuando se exponen a esos patógenos ha sido ampliamente estudiada (Casal, 2012; Slaughter et al., 2012). Investigaciones anteriores con Arabidopsis (un miembro de la familia de la mostaza) han establecido que tales defensas adquiridas pueden ser incluso más pronunciadas en la progenie que en la población de plantas parentales (Slaughter et al., 2012), similar a vacunar a un padre y ver inmunidad en su niños (Coombs, 2012). Aún no se ha establecido la capacidad de las malas hierbas para inducir especies de cultivos resistentes a las malas hierbas.
Es ampliamente conocido que las plantas pueden sentir cuando hay otras plantas cerca de ellas, una respuesta conocida como evitación de la sombra (Holmes y Smith, 1977).
La respuesta para evitar la sombra se atribuye a la capacidad de las plantas para discernir cambios en el espectro de luz dentro del dosel de una población de especies de plantas que crecen juntas. Dado que las plantas absorben la luz roja para la fotosíntesis, se refleja la parte del espectro de luz del infrarrojo cercano que no se requiere para la fotosíntesis. Las plantas detectan estos cambios en el espectro de luz, como una mayor proporción de luz del infrarrojo cercano en la luz reflejada, activando una respuesta de evitación de la sombra (Slaughter et al., 2012).
Esta evitación puede verse como la respuesta preventiva de las plantas a la competencia inminente que depende de los recursos (Casal, 2012). La respuesta activa mecanismos fisiológicos dentro de la planta que aumentan su aptitud en un entorno competitivo, como un mayor alargamiento del tallo, una ramificación reducida y una producción temprana de semillas (Franklin y Whitelam, 2005).
Sin embargo, la respuesta para evitar la sombra puede generar un costo de oportunidad si se expresa en un entorno no competitivo (Casal, 2012). Por ejemplo, la productividad de los cultivos que expresan respuestas de evitación de la sombra a las malas hierbas al principio de la temporada puede disminuir incluso cuando las malas hierbas se eliminan más tarde, después de que los cultivos ya están "preparados" para responder a la competencia.
Este estudio tiene como objetivo determinar si: 1) estas respuestas son hereditarias y 2) pueden hacer que la progenie sea más tolerante a las malezas sin comprometer su productividad, de manera similar a la respuesta de resistencia sistémica adquirida de las plantas a los patógenos.
Resultados preliminares
Este estudio se realiza en colaboración con el Dr. Andrew Kniss, profesor asociado de ciencia de la hierba en la Universidad de Wyoming en Laramie. El Dr. Kniss compartió recientemente con nosotros resultados preliminares muy interesantes de su experimento.
En su estudio, el trigo (están usando trigo en lugar de avena) se cultivó en contenedores rodeados de hierba mala o rodeados de tierra en la generación parental (F1) como se describió anteriormente. Las semillas de trigo de la generación parental (F1) se guardaron y se plantaron en contenedores rodeados de malezas o suelo de tal manera que tuvieran todas las combinaciones posibles de ambientes de malezas / suelo para la 1ra generación y la 2da generación (suelo luego suelo; suelo luego malezas; malezas luego suelo; malezas luego malezas).
El Dr. Kniss recopiló y analizó datos del porcentaje de espigas de trigo de segunda generación (F2 o progenie) al comienzo del proceso de partida. Los datos mostraron que hubo un 63% y 75% de la progenie de trigo expuesta a malezas o suelo, respectivamente, cuyos padres estuvieron expuestos a malezas (Cuadro 3). La progenie del trigo cuyos padres no estuvieron expuestos a malezas tuvo 0 y 13% de descamación cuando se expusieron a malezas y suelo respectivamente (Cuadro 3).
Estos resultados sugieren fuertemente que la fecha de partida en el cultivo comercial de segunda generación (trigo) estuvo significativamente influenciada por el entorno de crecimiento de la generación anterior que el entorno de cultivo actual (Tabla 2): ¡la evidencia más sólida que hemos mostrado hasta ahora de que la respuesta de evitación de la sombra a la exposición a las malezas es hereditaria!
Debido al espacio limitado del invernadero y la semilla de un estudio anterior, nuestra investigación en Rodale Institute aún no se ha ampliado para explorar todas las combinaciones posibles de nuestros tratamientos complementarios de avena / hierba. Hasta ahora, las generaciones de progenie han estado expuestas al mismo entorno que las generaciones de padres. Los resultados preliminares de estos experimentos no fueron estadísticamente significativos entre tratamientos.
Sin embargo, los resultados mostraron una tendencia que indica que las plantas de avena de segunda generación expuestas a malezas anuales de raigrás eran más altas que los controles (avena-avena o avena-suelo) (Figura 4). No hubo diferencia estadística o numérica en la altura de la planta entre los tres tratamientos en plantas de avena de primera generación (Figura 3). Estos resultados concuerdan con los de Wyoming, ya que también sugieren que la generación de la progenie puede haber heredado y magnificado su respuesta de evitación de la sombra a la presencia de malezas.
Con más espacio de invernadero asegurado, la siguiente fase de este experimento involucrará todos los posibles tratamientos complementarios factoriales de avena / malezas de semillas de avena de segunda y tercera generación. Luego avanzaremos a las pruebas de campo.
Emmanuel Omondi, Ph.D. es el científico asociado y director del Prueba de sistemas agrícolas at Rodale Institute.