La asimilación del carbono y el nitrógeno en relación con el rendimiento: los mecanismos son la clave para entender los sistemas de producción

Los fertilizantes de N y la mejora de la agricultura

La necesidad de comprender mejor los mecanismos básicos que relacionan el N con la producción de los cultivos y de mejorar el uso del N se pone de manifiesto al considerar la situación actual de la agricultura mundial y su dependencia de los fertilizantes de N producidos industrialmente (Bacon, 1995). En la actualidad, la agricultura explota gran parte de las tierras más fértiles del planeta, utiliza una gran parte del agua disponible y requiere importantes aportes de fertilizantes. Algunos de ellos (por ejemplo, los fosfatos) se extraen de las minas, pero el N inorgánico procede de la conversión industrial de N2 en NH3 para fabricar urea, nitratos, etc. La fijación industrial de N se aproxima a la fijación natural de N2 en la biosfera. Se necesita una mayor producción de alimentos sin una expansión de las tierras agrícolas (limitada por otros factores como el suministro de agua) y con menos fertilizantes, cuya síntesis utiliza grandes cantidades de energía procedente de combustibles fósiles. La reducción del uso de menos fertilizantes N disminuirá los costes y la contaminación, que es una consecuencia de los métodos de síntesis y de la ineficiente aplicación y absorción por parte de los cultivos; la consecución de estos objetivos es urgente (Ter Steege et al., 2001). Sin embargo, la reducción del uso de fertilizantes entra en conflicto con la necesidad de un mayor rendimiento de los cultivos. El rendimiento de los principales alimentos básicos, por ejemplo el trigo, no ha aumentado en la última década (Evans, 1998). Por lo tanto, con la creciente demanda de alimentos por parte de una población humana en rápido crecimiento, el potencial de escasez de alimentos en todo el mundo debe aumentar. Para superar los problemas sociales potencialmente peligrosos de la escasez de alimentos y la degradación y contaminación del medio ambiente, es necesario aumentar el rendimiento agrícola por unidad de superficie al mismo tiempo que se disminuye la dependencia de los fertilizantes aplicados (Evans, 1998). Una gran parte de la agricultura mundial utiliza el N-fertilizante de forma muy ineficiente (incluso en las economías desarrolladas), a menudo porque otras condiciones ambientales son limitantes, por lo que la mejora del entorno de los cultivos y de la tecnología para la aplicación del N, así como la aplicación de las mejores prácticas actuales, podrían reducir las pérdidas y aumentar la producción (Bacon, 1995). Los conocimientos actuales sobre la forma en que las plantas metabolizan el N y sobre el comportamiento del N en el medio ambiente son probablemente adecuados para ello, aunque es necesario mejorar la comprensión del sistema en su conjunto (véase el análisis posterior de la modelización). Sería deseable mejorar el potencial genético del rendimiento, que no ha sido mejorado por décadas de mejora de la selección, para conseguir una mejor producción total con menos N y otros recursos (véanse las discusiones relativas al aumento de la producción de arroz en Sheehy et al., 2000). Sin embargo, incluso si esto fuera posible, requeriría una intensificación de la cría de selección. En el caso de la modificación genética, es probable que se requiera una aportación mucho mayor de conocimientos técnicos y apoyo financiero, así como nuevos desarrollos tecnológicos, a pesar de algunas pruebas de éxito (Ku et al., 2000), ya que la tecnología actual está relativamente poco probada (Matsuoka et al., 2000) y el tiempo necesario para su aplicación efectiva es probablemente largo. La probabilidad de éxito es difícil de evaluar; esto también se aplica a la mejora de la selección, dado que las tasas de aumento de los rendimientos y del potencial de rendimiento son mucho más lentas o inexistentes. Las características genéticas pueden alterarse específicamente para aumentar la producción y su eficiencia, pero los objetivos de la modificación deben estar claramente identificados. La aplicación de técnicas moleculares contribuirá a ello y a los programas de mejora, con la identificación de los principales genes y loci de rasgos cuantitativos que controlan los rasgos agronómicos y su localización en mapas genéticos completos (Snape, 1996). Sin embargo, el papel del N en los cultivos es tan fundamental que estos enfoques deben combinarse con un conocimiento detallado de la bioquímica y la fisiología de las plantas.

Asimilación fotosintética del carbono y el nitrógeno y suministro de N

El papel del N en la producción agrícola está íntimamente relacionado con la fotosíntesis. En la fotosíntesis, la «energía física» de los fotones se convierte en la «energía química» del ATP y de los intermediarios metabólicos reducidos, principalmente el NADPH, que se utilizan en la síntesis de asimilados de carbono y nitrógeno de muchos tipos diferentes, particularmente carbohidratos y aminoácidos (Foyer et al., 2001). Éstos «alimentan» la síntesis de los componentes bioquímicos de los órganos y, en última instancia, proporcionan la estructura de toda la planta (Lawlor et al. 2001). Se consideran los mecanismos básicos de la producción de asimilados porque son fundamentales para la comprensión de la producción de los cultivos.

Asimilación de CO2

La asimilación de CO2 en relación con la composición de la hoja y el suministro de N ha sido ampliamente revisada (Evans, 1983; Sage et al., 1987; Lawlor et al., 2001) y puede resumirse así: El N determina la síntesis de aminoácidos y, por tanto, de proteínas (véase más adelante) y, en última instancia, de todos los componentes celulares. Una tasa rápida de asimilación de CO2 requiere cantidades correspondientemente grandes de muchos componentes de los cloroplastos, en particular los complejos clorofílico-proteicos de recolección de luz (LHCP), el transporte de electrones y los componentes reductores de NADP+ de los tilacoides, y la enzima asimiladora de CO2 ribulosa bisfosfato carboxilasa-oxigenasa (Rubisco), además de otras enzimas necesarias para la asimilación de CO2 en el estroma. Las características básicas (masa molecular, estructura) de las proteínas están determinadas genéticamente. Sin embargo, muchas enzimas están reguladas de forma muy compleja por factores ambientales y de la planta (por ejemplo, la luz y la fosforilación de proteínas, respectivamente). Tanto las cantidades como las actividades de las proteínas y otros componentes en los órganos, así como el tamaño de éstos, determinan la capacidad total del metabolismo. Para lograr grandes tasas de asimilación de CO2 por unidad de superficie de la hoja, son necesarias grandes cantidades de moléculas de componentes. Algunas proteínas tienen una masa molecular elevada en relación con su actividad, por lo que en las hojas hay cantidades considerables de proteínas (gran masa por unidad de superficie foliar). Para captar la energía utilizada en la fotosíntesis de forma eficiente, por ejemplo, se necesita una gran cantidad de clorofila por unidad de superficie, que es «soportada» por proteínas (complejos clorofila-proteína de captación de luz, LHCP, en los tilacoides), por lo que los tilacoides contienen mucho N. La principal proteína del cloroplasto y de la hoja (especialmente en las plantas C3; Evans, 1983; Sage et al., 1987) es la Rubisco, que cataliza la reacción entre el CO2 y el RuBP, dando lugar a la triosa fosfato; ésta se exporta desde el estroma del cloroplasto al citosol, y luego se convierte en sacarosa. La Rubisco tiene una baja tasa catalítica por masa de proteína, por lo que las tasas de asimilación de CO2 comúnmente determinadas en las hojas C3 requieren una gran cantidad de Rubisco. La cantidad de Rubisco puede alcanzar 8 g m-2 y constituir hasta el 30% del N en las hojas de trigo y hasta el 50% de la proteína soluble (Lawlor et al., 1989). Las hojas que se metabolizan activamente contienen contenidos de N correspondientemente grandes. Si el suministro de N durante el crecimiento de la hoja está por debajo del requerido para sostener la tasa potencial de síntesis de proteínas, etc., la cantidad de componentes formados es inadecuada para la máxima asimilación de CO2 (Lawlor et al., 1988, 1989). Por supuesto, la situación es más compleja de lo que se ha esbozado, ya que la asimilación de CO2 no depende de las cantidades de los componentes, sino de su actividad, que depende de otros factores. Si el contenido de Rubisco, por ejemplo, disminuye, entonces la actividad aumenta, tendiendo así a compensar el cambio. A baja temperatura se requiere más Rubisco (y otras proteínas y componentes) para mantener una tasa determinada de asimilación de CO2, ya que la actividad metabólica disminuye debido a las tasas más lentas de las reacciones enzimáticas (Lawlor et al., 1987b). Por lo tanto, existe una considerable flexibilidad en el desarrollo del sistema fotosintético y en el metabolismo, así como una compleja interacción con el medio ambiente.

La deficiencia de nitrógeno tiene un gran impacto en los cloroplastos, en tamaño, composición y función. En comparación con los de plantas cultivadas con abundante N, son más pequeños y planos, con menos membranas tilacoides mal apiladas y una menor proporción de tilacoides granales a intergranales, y la proporción de estroma aumenta, por ejemplo, en el arroz (Laza et al., 1993) y la remolacha azucarera (Kutik et al., 1995). Hay menos LHCP, Rubisco y ATP sintasa (Theobald et al., 1998). Sin embargo, Evans y Terashima mostraron que la composición de los tilacoides es relativamente poco afectada por el suministro de N, con los componentes de los tilacoides, las actividades de transporte de electrones y las tasas de evolución de O2 a la saturación de CO2 expresadas en base a la clorofila muy similares en espinacas cultivadas con un suministro de N muy diferente (Evans y Terashima, 1987). Por el contrario, los contenidos de Rubisco y de proteínas solubles por unidad de clorofila fueron mayores con un gran contenido de N, mostrando que con un bajo N, la capacidad de asimilación de CO2 fue menor que la de transporte de electrones. En el trigo, la relación entre la Rubisco y la clorofila es relativamente constante en un rango de tratamientos de N, aunque aumenta a gran N (Evans, 1983; Lawlor et al., 1989). Otros autores han demostrado que la relación entre la Rubisco y la clorofila total aumenta a medida que se incrementa el suministro de N más que la relación entre la ATP sintasa y la clorofila (Nakano et al., 1997; Theobald et al., 1998). La relación clorofila a/b no se ve afectada en gran medida por el suministro de N, a pesar de la gran disminución de clorofila, lo que sugiere que el suministro de N no regula de forma diferencial la expresión de LHCP (que contiene clorofila b) en relación con los otros componentes de los complejos de cosecha de luz y centro de reacción. Una generalización es que el suministro de N sí altera diferencialmente la expresión de la información genética que controla la composición del cloroplasto, particularmente la expresión de Rubisco y la ATP sintasa, pero no la de los componentes de la membrana del tilacoide (Fig. 2). Las posibilidades de alterar los mecanismos fotosintéticos para aumentar la asimilación de CO2 se están considerando activamente (Paul y Lawlor, 2000). Algunos incrementos se han logrado alterando la composición de las hojas, inesperadamente, alterando el metabolismo de la trehalosa, probablemente a través de la regulación del desarrollo (Paul et al., 2001). Dada la flexibilidad en la composición y función de las hojas en respuesta a las condiciones ambientales como la luz, podrían ser posibles las alteraciones para mejorar el uso del N. Sin embargo, si éstas implican el aumento del número pero no de las características de las enzimas, etc., entonces la masa de proteína aumentará, así como el contenido de N y la demanda de N. El aumento del contenido de Rubisco no aumenta necesariamente la asimilación de CO2 por unidad de superficie en las hojas C3, incluso con luz brillante, debido a otras limitaciones (por ejemplo, el suministro de CO2) (Lawlor et al., 1987,a, b; Millard, 1988; Millard y Catt, 1988) por lo que aumentar la cantidad de componentes puede no ser siempre efectivo.

El suministro de CO2 para la fotosíntesis de C3 es inadecuado en la atmósfera actual (360 μmol mol-1) y las tasas fotosintéticas y el crecimiento y los rendimientos de los cultivos se incrementan en c. 30% en condiciones del Reino Unido si se duplica. Así, mediante este simple cambio ambiental, se alcanza el potencial genético (ver más adelante). Si la eficiencia de la asimilación del CO2 pudiera aumentarse en las plantas C3 eliminando la fotorrespiración, entonces la productividad por unidad de N acumulado aumentaría. En la actual atmósfera de CO2, se ha observado con frecuencia un gran contenido de Rubisco, de baja actividad catalítica, en hojas cultivadas con abundante N, y ha llevado al concepto de disminuir la cantidad de Rubisco o alterar sus características (reduciendo la cantidad de proteína por sitio activo, aumentando el estado de activación, etc.) para reducir los requerimientos de N. Sin embargo, no hay evidencia de que esto sea posible (y hay evidencia de que tales cambios inhiben profundamente la fotosíntesis). Debido a la gran cantidad y baja actividad de la Rubisco en las hojas, especialmente con un amplio suministro de N, ha sido considerada como una proteína de almacenamiento: es removida de las hojas más viejas y contribuye con una gran parte de la proteína en las hojas en crecimiento cuando el N es limitante y para la síntesis de proteínas de almacenamiento, por ejemplo, en los granos de cereales y en los tubérculos de la papa (Lawlor et al., 1987,a, 1989; Millard, 1988; Millard y Catt, 1988) apoyando una función de almacenamiento. Se ha argumentado que la síntesis de proteínas es un uso ineficiente de la energía, pero dada la necesidad de un gran contenido de Rubisco en las plantas C3 para la asimilación de CO2, especialmente a alta luz, y los efectos iónicos y osmóticos del almacenamiento de

, y aminoácidos, puede haber ventajas en la síntesis de Rubisco como un almacén transitorio de abundante N (Heilmeier y Monson, 1994). Tales consideraciones no deben ser ignoradas cuando se sugiere que el contenido de Rubisco debe ser disminuido para mejorar la eficiencia del uso del N, por ejemplo, bajo CO2 elevado (Mitchell et al., 2000). La complejidad del papel de la Rubisco, y su estrecha integración en la economía del N del trigo, se muestra por el equilibrio variable entre el mantenimiento de la capacidad de asimilación de CO2 en las hojas viejas y la removilización de la Rubisco durante la senescencia y el llenado del grano. Los cambios en este equilibrio tienen grandes efectos sobre el rendimiento y la composición del grano. La deficiencia de N influye particularmente en estos procesos, disminuyendo la asimilación total ya que las hojas tienen una vida más corta, senescencia y pierden la competencia fotosintética más rápidamente que cuando es abundante, debido a la removilización del N a los órganos en crecimiento (Brouqisse et al., 2001); mejorar la vida efectiva de las hojas mediante la aplicación de N (Lawlor et al., 1989) o la cría (Sheehy et al., 2000) es un método probado para aumentar el rendimiento. Aunque estas interacciones han sido bien descritas, existe la necesidad de mejorar la cuantificación de la relación entre el suministro de N en los sistemas fotosintéticos y otros relacionados y optimizar el suministro de N, las cantidades de Rubisco y la tasa fotosintética.

Existen diferencias sustanciales entre las plantas C3 y C4 en el contenido de componentes fotosintéticos en las hojas, como se ha discutido a menudo (Sage et al., 1987; Evans y von Caemmerer, 2000; Lawlor et al., 2001). Debido a que la fotosíntesis C4 proporciona una alta concentración de CO2 en la que funciona la Rubisco, se requiere menos Rubisco para la asimilación de CO2 en C4 que en C3 a pesar de las mayores tasas de asimilación de CO2 en las plantas C4, incluso con un gran flujo de fotones. En consecuencia, el contenido de N por unidad de hoja es menor que en las plantas C3, y el requerimiento de N es menor para una mayor producción, por lo que la eficiencia del uso del N mejora. Modificar las plantas C3 hacia este estado feliz es una vieja ambición de la bioquímica vegetal, pero requiere la producción de una Rubisco con menos, o ninguna, capacidad de oxigenasa, minimizando así o eliminando la fotorrespiración (la causa de la relativa ineficiencia de las plantas C3). Como se ha mencionado anteriormente, la posibilidad de diseñar la Rubisco para eliminar la fotorrespiración es remota. Por ello, se ha sugerido alterar las características estructurales y metabólicas de las plantas C3 para conseguir el entorno de alto CO2 para la Rubisco que se da en las plantas C4 (Sheehy et al., 2000). Emular en las plantas C3 la complejidad del síndrome C4 será difícil, debido a su considerable complejidad enzimática y anatómica. Es poco probable que se produzcan avances rápidos alterando la bioquímica y la anatomía de las C3 a las C4, a pesar de las aparentes mejoras en la fotosíntesis de las C3 del arroz a partir de la incorporación de enzimas que probablemente aumenten la concentración de CO2 en las proximidades de la Rubisco (Matsuoka et al., 2000) y de cierto éxito en el aumento de la asimilación de CO2 (Ku et al., 2000), este deseable objetivo parece todavía una perspectiva muy lejana (Evans y von Caemmerer, 2000).

Captación y asimilación de nitrato

La captación de

por las raíces depende (Engels y Marschner, 1995) de la concentración de

en la solución del suelo, del volumen de suelo explotado por las raíces y de la densidad de enraizamiento, y de la eficiencia de las raíces en la absorción de

. Esta última se ve afectada por la demanda metabólica y por condiciones como la temperatura (Macduff et al., 1987, 1993). El flujo de

a la superficie de la raíz depende de la extensión del contacto con el suelo y el agua, en la tasa de difusión de la masa del suelo en el agua, y particularmente importante para

, el transporte en el flujo de masa de agua. Esto está relacionado con la transpiración del cultivo y el contenido de agua del suelo. El tamaño de las raíces es una función del crecimiento y, por lo tanto, del suministro de N, un ejemplo de los fuertes efectos de retroalimentación en la producción de cultivos. Para una gran captación total de N por parte de un cultivo a partir de una baja concentración de

, se requieren transportadores de alta afinidad

, junto con más transportadores por unidad de superficie radicular, y una mayor longitud y superficie radicular por volumen de suelo para minimizar la limitación de difusión. La capacidad de almacenamiento de

Crecimiento del cultivo, rendimiento y N

Se ha escrito mucho sobre este tema (Lawlor et al., 2001), por lo que aquí sólo se considera muy brevemente. Existe esencialmente una relación lineal entre la materia seca total producida por un cultivo y la radiación interceptada por el mismo (Monteith, 1977); esto se debe a que la luz proporciona la energía para todo el metabolismo. La interceptación de la radiación depende del índice de área foliar (LAI; la relación entre el área de la hoja y el área del suelo) y, por lo tanto, del tamaño de las hojas y su número, que se ve considerablemente afectado por el ahijamiento en los cereales y, como se ha comentado, depende asintóticamente del suministro de N. Sin embargo, la relación entre el LAI y la interceptación de la radiación no es lineal: con un LAI superior a aproximadamente 3, la interceptación de la PAR se aproxima a c. 90%, y un mayor incremento del LAI no aumenta mucho la interceptación de la luz. Además de los efectos del N en el área foliar, está el aumento de la tasa fotosintética con un gran suministro de N, por las razones discutidas. Como consecuencia de estos dos efectos relacionados, existe una fuerte relación asintótica entre la biomasa y el suministro de N (Fig. 2, véase la discusión sobre las curvas de respuesta al N). La biomasa aumenta linealmente a medida que el suministro de N se incrementa desde valores pequeños (en esta región se obtienen ganancias considerables en la producción a partir de pequeños incrementos de N) alcanzando una meseta con un gran suministro cuando el cultivo crece a la tasa potencial determinada genéticamente.

El contenido de N/unidad de biomasa (N% en materia seca) se utiliza frecuentemente como una indicación de cuán adecuado es el suministro de N para el crecimiento del cultivo (Lawlor et al., 2001). Sin embargo, el N% no es un valor fijo y disminuye a medida que el cultivo se desarrolla y su estructura y composición bioquímica cambian. Las hojas, con un gran contenido de proteínas, etc., se forman al principio del crecimiento, y los tallos de soporte, con más celulosa y lignina y poca proteína, más tarde. Por tanto, el contenido de N (N%) disminuye con la edad y también depende del entorno. La deficiencia de N reduce el N% a medida que la relación hoja:tallo disminuye y los contenidos de proteína y clorofila de las hojas disminuyen más que los carbohidratos (véase anteriormente). Se ha hecho uso de los cambios en el N% para programar la aplicación de N a los cultivos (Lawlor et al., 2001) y los futuros desarrollos de tales técnicas serán sin duda de valor económico práctico.

El rendimiento es la parte de una planta o cultivo utilizada para un propósito específico, por lo que dependerá del cultivo y de las necesidades humanas. En el caso de los cereales, el grano es el rendimiento primario y la producción total depende del número de plantas por superficie, los macollos por planta, el número de espigas por macollos, los granos por espiga y la masa por grano. Durante el crecimiento temprano, la formación de macollos y hojas determina la capacidad posterior de formación de granos y la producción de asimilados para llenarlos. Por lo tanto, para alcanzar el potencial genético de rendimiento, todos los factores que afectan al crecimiento de las numerosas partes del sistema, cada una de ellas regulada de forma compleja, deben optimizarse a lo largo de toda la vida del cultivo (Slafer et al., 1996).

Con una adecuada

y de CO2, el suministro de asimilados a los meristemos en desarrollo es adecuado para mantener su crecimiento, por lo que se producen más macollos y sobreviven por planta y área, y lo mismo ocurre con los granos. Además, la capacidad de crecimiento de los granos aumenta, probablemente porque se fabrican más células con mayor capacidad enzimática. Si se dispone de los asimilados adecuados durante el llenado de los granos, se llenan más granos y éstos son más grandes. El conjunto de estos factores da lugar a un gran rendimiento. En condiciones normales de campo, la producción relativa de los órganos vegetativos y reproductivos varía entre sitios y años como consecuencia de las diferencias en el medio ambiente, especialmente en el suministro de N. Por lo tanto, la relación entre la producción de grano y la biomasa (el índice de cosecha, HI) no es constante, sino que varía según las condiciones. Cuando la variación ambiental es limitada, el IH es relativamente constante, pero si hay menos asimilación disponible durante el crecimiento temprano, sobreviven menos macollos, lo que resulta en menos espigas y granos por espiga y, por tanto, menos rendimiento. Más tarde, la asimilación limitada puede reducir el llenado de los granos. El suministro de N tiene una importancia considerable, ya que afecta a la disponibilidad de aminoácidos para la síntesis de proteínas durante la formación del grano y, posteriormente, como proteína de almacenamiento (Heilmeier y Monson, 1994).

Quizás no se aprecie lo suficiente que los diferentes procesos que contribuyen a los componentes del rendimiento son relativamente independientes con diferentes factores que influyen en ellos, y que hay un efecto sustancial de retroalimentación desde el crecimiento temprano. Además, el momento en que los factores ambientales actúan en relación con el desarrollo de la planta y de sus órganos individuales tiene una importancia considerable. Dado que son muchos los factores que intervienen y que son dinámicos, las respuestas de los cultivos no pueden predecirse fácilmente, aunque desde el punto de vista agronómico tienen una importancia considerable. Muchos usos de los cultivos son muy sensibles a las características de calidad, por ejemplo, en la cebada cervecera se requiere un N bajo en proteína en el grano, por lo que el suministro de N tardío debe ser mínimo para disminuir el contenido de proteína, pero para obtener el potencial de rendimiento se necesitan aplicaciones tempranas de N, lo que lleva a un conflicto que se complica por la disponibilidad de N del suelo. Es importante comprender mejor los mecanismos de estos procesos para poder prever las necesidades de N de las plantas. Los cambios en el rendimiento y la calidad (incluido el contenido de N) mediante la mejora de la selección han sido notables y sostenidos. Los mayores rendimientos no han sido el resultado de una mayor producción de biomasa en el trigo, sino en gran medida del aumento del número de granos y del tamaño al que pueden llenarse. Esto ha ocurrido a expensas del crecimiento vegetativo, aumentando así el HI (Evans, 1998). Está claro que el suministro de asimilados ha seguido el ritmo del potencial genético de producción de grano. Sin embargo, no se comprenden los cambios subyacentes en el metabolismo que han acompañado a estos cambios, por lo que ofrecen poca orientación para las modificaciones dirigidas al nivel de los procesos metabólicos.

Potencial genético

El potencial genético puede definirse como la capacidad total de la planta para formar biomasa o rendimiento cuando se eliminan las limitaciones ambientales (Richards, 1996); los mejoradores y agrónomos se refieren con frecuencia al potencial de rendimiento, aunque la producción total es más relevante cuando se considera cómo se puede aumentar el crecimiento potencial de los cultivos. El potencial de rendimiento es una función de la información genética que especifica las características de las proteínas, determinando así la estructura, el crecimiento y el desarrollo, y el tamaño al que puede crecer el sistema. Este tamaño máximo a lo largo del ciclo de crecimiento puede denominarse potencial genético. También las tasas máximas de los procesos están determinadas genéticamente. El potencial genético aún no puede definirse cuantitativamente a partir de los principios básicos, por lo que se requiere una definición operativa. Dado que las plantas (con el trigo como buen ejemplo) suelen formar un gran número de meristemos capaces de crecer en condiciones favorables, responden en gran medida a la disponibilidad de recursos, es decir, son muy «plásticas». De ahí que el potencial genético se defina en condiciones particulares (Richards, 1996). En el caso de la agricultura, suele ser por unidad de superficie del suelo, junto con la radiación solar incidente normal, la temperatura y el CO2 atmosférico del lugar, que son relativamente uniformes y difíciles de modificar. Como ya se ha mencionado, el aumento del CO2 atmosférico actual aumenta sustancialmente la biomasa y el rendimiento, lo que demuestra que el potencial de rendimiento depende de las condiciones y de cómo se defina. La temperatura es especialmente importante, ya que afecta a los ritmos de los procesos bioquímicos (véase la discusión anterior) y, por lo tanto, determina el potencial, produciéndose el máximo potencial a una temperatura óptima o dentro de un rango de temperatura óptima. Sin embargo, los factores ambientales que pueden modificarse en la agricultura, como la nutrición, el suministro de agua y las plagas y enfermedades, se modifican de forma que la producción no se vea afectada, es decir, no limitan el potencial genético. Debido a los numerosos procesos de la agricultura que se ven afectados de forma diferente por determinadas condiciones, puede ser necesario optimizar las condiciones en lugar de maximizarlas. Por lo tanto, la medición del potencial genético puede variar con el entorno (la interacción genotipo×entorno o G×E; Hollamby y Bayraktar, 1996).

Alrededor de la mitad del aumento sustancial del rendimiento en el último siglo se obtuvo gracias a la mejora de las características genéticas de los cultivos, y el resto a la mejora de la agricultura, especialmente al aumento de la fertilización (Austin et al., 1993). De hecho, la «revolución verde» se basó en la mejora tanto del potencial genético como en el suministro de las condiciones correctas, especialmente de nutrientes, en la cantidad correcta y en el momento adecuado (Evans, 1998). La mejora vegetal no ha aumentado el potencial genético de producción de biomasa de un cultivo como el trigo, ya que las variedades antiguas y las nuevas producen una biomasa similar si se dan las condiciones adecuadas. Sin embargo, ha aumentado el potencial de producción de grano y, por tanto, la relación entre la masa de grano y la biomasa total sobre el suelo o el índice de cosecha. Las características de calidad del grano, como la relación entre proteínas y carbohidratos (por ejemplo, en la cebada destinada a la alimentación animal o a la elaboración de cerveza) o la proporción de diferentes proteínas (por ejemplo, para la fabricación de pan) también se han modificado: también se ven afectadas por el entorno, como el suministro de N.

La mejora del potencial de los cultivos requiere la identificación de las partes específicas del metabolismo que deben ser alteradas para lograr determinados resultados. Cuando el suministro de N es tal que se alcanza el potencial de rendimiento existente, la única forma de aumentar la producción es mejorar la eficiencia con la que se utiliza el N en el metabolismo. El metabolismo debe ser alterado para lograr una mayor asimilación de C por unidad de N, o para aumentar la capacidad de uso del N. Lo primero aumentará la biomasa pero disminuirá la relación C/N y no proporcionará más proteínas. Lo segundo puede no ser alcanzable porque la luz sería una limitación importante, ya que con el N grande, el LAI ya es tan grande que se utiliza más del 95% de la radiación disponible (Sheehy et al., 2000). Superar esta limitación requeriría los más amplios cambios en el metabolismo fotosintético y supondría un reto formidable (Evans y von Caemmerer, 2000). Cuando el N es limitante, lo que se requiere es la capacidad de aumentar la captación de N a partir de una solución diluida o de aumentar el volumen de suelo explotado, es decir, aumentar la eficiencia de absorción o el crecimiento de las raíces. La eficiencia de asimilación de C por unidad de N en la planta seguiría siendo la misma, pero la producción de biomasa aumentaría, así como la relación N/C, al igual que con los cultivos actuales a los que se les suministra abundante N. El aumento de la asimilación de C por unidad de N aumentaría potencialmente la biomasa (si la energía luminosa estuviera disponible), pero disminuiría el N/C. Si el suministro de N a la raíz varía de forma que no se ajusta a la tasa de crecimiento a corto plazo, entonces proporcionar grandes reservas de N en la planta sería una forma de proporcionar suficiente N para satisfacer las necesidades bioquímicas (Macduff et al., 1993). Este enfoque podría ser más fácil de lograr que la modificación del metabolismo básico, ya que el aumento de la capacidad de almacenamiento de proteínas, un «producto final», no implicaría una amplia regulación. Sin embargo, para ser eficaz como almacén temporal de N se necesitaría la maquinaria de removilización, con sistemas para detectar la deficiencia de N y desencadenar la descomposición de las proteínas. Por supuesto, si la tasa de suministro del almacenamiento más el suelo cae por debajo de las necesidades a largo plazo, el crecimiento se verá restringido. En este sentido, es importante comprender los procesos básicos de asimilación del carbono y el nitrógeno y su relación con el rendimiento de los cultivos. Para determinar la relación entre el crecimiento y el suministro de N, con N limitante, y el potencial genético con N no limitante, los cultivos se cultivan en un entorno estándar (o al menos el mismo) de luz, temperatura y CO2 -que puede no ser óptimo para una mayor producción- con todas las demás condiciones no limitantes excepto el suministro de N (Angus, 1995). A continuación, el fertilizante N se aplica a diferentes zonas del cultivo en distintas cantidades (desde cero hasta superar las necesidades). El crecimiento de la biomasa o del rendimiento del cultivo se determina entonces en función de la cantidad de N aplicado. La relación entre el crecimiento del cultivo y la cantidad de N aplicado se ha determinado en innumerables experimentos y se ha discutido con frecuencia (Ter Steege et al., 2001). Una respuesta generalizada (Fig. 2) muestra que con N muy deficiente, la producción es muy pequeña, aumentando linealmente con el suministro de N hasta que finalmente se alcanza la asíntota, es decir, un mayor aumento de N no aumenta la producción, que es el potencial genético. Si el crecimiento se relaciona con el N acumulado por el cultivo, la pendiente inicial, que es la eficiencia verdadera o intrínseca del uso del N por la planta, es más pronunciada (más biomasa por unidad de N) que si se relaciona con el N aplicado. La diferencia es una medida de la eficiencia con la que se utiliza el N, al igual que la diferencia entre el punto en el que se alcanza la meseta para la producción de biomasa cuando se expresa por unidad de N absorbido y de N aplicado. La pendiente de la curva que relaciona la producción con el N aplicado es la eficiencia del uso del N aplicado. Con un bajo suministro de N la eficiencia es grande y disminuye a medida que aumenta el suministro de N en ambos casos. La diferencia entre el N aplicado y el acumulado proporciona una valiosa información sobre las fuentes y las pérdidas de N (Bacon, 1995; Ter Steege et al., 2001). El N puede provenir de las precipitaciones y de las reservas del suelo, así como de los fertilizantes aplicados, lo que afecta en gran medida a la respuesta aparente derivada del N aplicado. Del mismo modo, las pérdidas de N debidas a la lixiviación, al metabolismo bacteriano y a las emisiones de los suelos y las plantas, etc., afectan a la interpretación.

El uso de las curvas de respuesta al N ha proporcionado mucha información cuantitativa sobre las necesidades de N, el calendario, etc. (Angus, 1995; Lawlor et al., 2001). Los primeros estudios mostraron la naturaleza esencialmente asintótica de las respuestas de las plantas a los nutrientes, incluido el suministro de N, tal como se discute en las curvas de respuesta al N. La «ley de los factores limitantes» de Blackman resumía el concepto. Mitscherlich, por ejemplo, desarrolló una ecuación (Y=Ymax(1-e-cN) que relaciona el rendimiento, Y, con la cantidad de nitrógeno aplicado N, y con el rendimiento máximo, Ymax, dado por la asíntota de la curva de respuesta de Y frente al suministro de N; c es un factor de curvatura. Ymax (que es una medida del potencial genético) y c varían entre las estaciones y también los sitios y no pueden aplicarse fácilmente a las diferentes condiciones, pero el enfoque permite estimar el requerimiento de N (véase Angus, 1995, para la discusión). Para alcanzar Ymax debe suministrarse la cantidad correcta de N (Nmax), por ejemplo, si un cultivo con 10 t ha-1 de grano con Nmax del 2% de N (total 200 kg de N) y 10 t ha-1 de paja con Nmax del 0,5% de N (total 50 kg de N) entonces se necesitan 250 kg ha-1 para todo el cultivo. Esto también representa la demanda del cultivo de N y es identificable con el potencial genético para la absorción de N y la producción de rendimiento. Si la diferencia entre el N en la planta (Nmin) es menor que Nmax, entonces el N requerido (la demanda, D) viene dado por D=(Nmax-Nmin)×masa del cultivo. Esto proporciona una evaluación sencilla de las necesidades de N, pero debe basarse en promedios de mediciones repetidas a largo plazo.

Indicadores del estado del N y del metabolismo en la agricultura

Dada la necesidad de ajustar la cantidad y el momento de las aplicaciones de N a los cultivos para aumentar la producción y la eficiencia y para disminuir la contaminación, es lógico medir el N en la planta para indicar las necesidades de N (Neeteson, 1995). La medición del N en el suelo es menos directa y puede no reflejar la dinámica de los procesos del cultivo y el impacto del medio ambiente en el mismo. La medición del N debe ser rápida, fácil y eficaz, además de poco costosa. Como las hojas contienen una gran proporción del N del cultivo, se suele medir el N total o los componentes estrechamente relacionados con el suministro de N que responden rápidamente a los cambios en el suministro de N y su relación con la demanda. El análisis del N total es lento, ya que requiere el muestreo y la preparación de los tejidos y un equipo analítico especializado, por lo que generalmente no se utiliza para medir la dinámica del N. Las pruebas colorimétricas rápidas para la concentración de

(que depende de la oferta y la demanda de

) en pequeñas muestras de savia expresada pueden realizarse en el campo, son rápidos y baratos y se han considerado un indicador útil del estado del N, pero no se han utilizado ampliamente como guía para la aplicación de N (Neeteson, 1995). El contenido de clorofila, que está fuertemente relacionado con el suministro de N, puede ser medido en el campo con un fotómetro, como el medidor de clorofila Minolta SPAD-502 (Minolta Camera Company, Ramsey, NJ, USA), que es rápido y repetible. Las lecturas del SPAD se calibran para obtener el contenido de clorofila de las hojas, o se correlacionan directamente con el rendimiento de la planta (Peltonen et al., 1995), proporcionando un método práctico para evaluar el estado del N y las necesidades de N, aunque uno menos dinámico que las pruebas de contenido de

. Deberían fomentarse estos enfoques, basados en la comprensión bioquímica y fisiológica.

Modelación del nitrógeno en el medio ambiente y en la planta

El uso de curvas de respuesta al N ha sido de gran valor para evaluar los requerimientos de N de los cultivos (Angus, 1995). Sin embargo, estos métodos son generalizaciones, que no pueden dar cuenta fácilmente de las diferencias entre los cultivos en diferentes sitios y en diferentes años como consecuencia de la variación del suministro de N y el clima que afecta a la demanda de los cultivos, las pérdidas de N, etc. Son necesarios enfoques dinámicos que permitan dar respuestas rápidas y «ajustar» la oferta a la demanda. Los modelos de estos procesos están bien desarrollados y se utilizan ampliamente para recomendar la aplicación de fertilizantes de N (por ejemplo, en los sistemas de apoyo a la toma de decisiones), aumentando la eficiencia del uso del N y reduciendo la contaminación (Addiscott et al., 1995). Es necesario mejorar los modelos, abordando específicamente los procesos de los cultivos (por ejemplo, las tasas de crecimiento que pueden medirse o modelizarse en función de la temperatura) a corto plazo, para evaluar las necesidades de N en momentos específicos o en etapas de crecimiento de los cultivos. Se ha hecho relativamente poco uso de la información bioquímica en los modelos de simulación para avanzar en la comprensión de los mecanismos y también para mejorar la aplicación de N (momento y cantidad).

Las principales limitaciones en el tipo de modelización de simulación empleada son: la inadecuada comprensión cuantitativa de las partes individuales de los mecanismos (características de las enzimas, tamaños de los grupos de productos intermedios), el escaso conocimiento de la conexión entre los diferentes mecanismos (vínculo entre la asimilación del C y el N, el transporte dentro de la planta) y la dificultad de relacionar las medidas a corto plazo del metabolismo básico con las respuestas generales del cultivo. La complejidad del sistema impide el desarrollo de modelos de simulación verdaderamente «mecanicistas» y plantea la cuestión de cuán complejo puede ser un modelo para que sea comprensible, estable y comprobable. Los modelos metabólicos complejos son valiosos para explorar y cuantificar los mecanismos e indicar qué información se necesita (Evans y von Caemmerer, 2000). La experiencia sugiere que los modelos muy complejos tienen un valor limitado en la práctica. Los modelos suelen contener relaciones empíricas, que si están bien probadas pueden proporcionar una precisión aceptable en la aplicación. Para mejorar la eficiencia del uso del N, se requiere un mayor esfuerzo para desarrollar y mejorar los modelos de simulación basados en relaciones empíricas y que incorporen información bioquímica.

Posibilidades futuras

Es una obviedad que los procesos implicados en la producción de cultivos son muy complejos y de múltiples capas, que van desde lo molecular hasta el organismo completo, y los factores ambientales afectan a todos los niveles de organización. Lo esencial es que, cuando el suministro de N es inferior al necesario para alcanzar el potencial genético, es necesario aumentar la absorción de N para obtener una mayor biomasa. Esto puede hacerse bien aumentando el volumen de suelo explotado y reduciendo las limitaciones de difusión con una mayor densidad de enraizamiento, o bien aumentando la afinidad de la raíz por el N. Alternativamente, se podría aumentar la asimilación de C por unidad de N acumulado, de modo que se obtendría una mayor biomasa a partir de una menor acumulación de N. El aumento del potencial genético para la biomasa podría, en teoría, lograrse aumentando la asimilación de C por unidad de N acumulado, a costa de aumentar la relación C/N. Esto supone que se disponga de la energía lumínica adecuada, lo cual es poco probable ya que casi toda la energía se absorbe ahora con un dosel lleno. Si se asimilara más N, pero sin cambiar el equilibrio con la asimilación de C, esto teóricamente aumentaría la biomasa y mantendría la relación C/N actual. Sin embargo, entonces sería probable la limitación de luz. Alternativamente, la biomasa podría incrementarse ampliando el periodo en el que se absorbe la luz (temporada de crecimiento más larga) y se utiliza de forma efectiva (genotipos «stay green»). La primera es una de las principales razones de la mayor biomasa y rendimiento del trigo de invierno, en comparación con el trigo de primavera. Esto último también se está explotando.

Entender cómo responden los procesos al N es la clave para mejorar la producción y la eficiencia del uso del N, y es esencial si se quiere aumentar el potencial genético (Sheehy et al., 2000). La respuesta de toda la planta, como elemento central de los sistemas agrícolas, a las condiciones ambientales sólo puede entenderse si se aprecia la organización del sistema. Además, deben evaluarse los factores ambientales que rigen el suministro de N. Sin embargo, es imposible analizar todos los aspectos juntos bajo una serie de condiciones en un solo programa de investigación, o combinarlos para su aplicación práctica, de ahí la necesidad de la modelización. Esto ha dado lugar a diferentes conceptos sobre cómo abordar el «problema» de entender la necesidad de N, y cómo utilizarlo para modificar y mejorar la calidad y cantidad de los productos agrícolas. En los extremos están los enfoques reduccionista y agronómico. El reduccionismo considera que el conocimiento de la estructura del genoma proporcionará suficiente información para permitir que las características de las plantas se modifiquen en direcciones seleccionadas para mejorar la respuesta al N y aumentar la productividad, la eficiencia y el potencial de rendimiento de los sistemas agrícolas. Este punto de vista parece aceptado entre los biólogos moleculares y los ingenieros genéticos (Matsuoka et al., 2000). En la actualidad, gran parte de los esfuerzos y el entusiasmo se dirigen a la comprensión de los genomas de las plantas y las esperanzas de aumentar la producción de alimentos se centran en la modificación genética para incrementar el potencial genético. Dada la complejidad de la naturaleza de los subsistemas de las plantas y la considerable interacción con el medio ambiente. Considero que este punto de vista está mal fundamentado y es insostenible incluso en su forma menos extrema. El papel de la bioquímica se consideró en su día de forma similar (por ejemplo, la regulación de la producción de los cultivos mediante la actividad de la nitrato reductasa), pero, en la práctica, se produjeron relativamente pocas modificaciones específicas y mejoras agronómicas. Las ideas y la información bioquímicas han sido esenciales para comprender el sistema planta-medio ambiente. Los conceptos actuales son los de sistemas bioquímicos interactivos y dinámicos, con muchos procesos reguladores de retroalimentación y avance que proporcionan estabilidad y flexibilidad en el metabolismo, el crecimiento, etc., pero que pueden ser más difíciles de alterar de forma específica de lo que se supone. El enfoque agronómico es esencialmente empírico y se basa en la determinación experimental de las necesidades de insumos para lograr una producción máxima (u óptima): este método tan antiguo tiene éxito, pero está limitado en el espacio y el tiempo y, por lo tanto, es específico, por lo que sólo se puede transferir en términos generales. Esto no es lo que se necesita para el ajuste de los recursos con la producción en la agricultura, y ha hecho que no se aproveche un conocimiento bioquímico más mecanicista (quizás vinculado a la modelización de la simulación) para mejorar la eficiencia y reducir la contaminación, etc.

El aumento del potencial de rendimiento en los últimos 50 años ha surgido de la mejora de la selección empírica, con aportaciones bioquímicas y fisiológicas que han llevado a una mejor comprensión de los procesos (como los que regulan la calidad proteica del grano, la resistencia a las enfermedades, etc.) y de los criterios de selección, y a métodos analíticos sustancialmente mejorados. La selección recombina en gran medida la información genética y selecciona los «productos finales», como la cantidad y la calidad del grano. Este procedimiento da lugar a la selección de procesos bioquímicos, y sus combinaciones, que optimizan las actividades del subsistema, pero esencialmente trata el sistema como una «caja negra». Aunque es probable que este enfoque siga proporcionando la mayor parte de las mejoras en las características de los cultivos durante muchos años, hay que aprovechar el potencial que ofrece la biología molecular para alterar el genoma y, por tanto, los procesos bioquímicos básicos. Sin embargo, para que tenga éxito, debe integrarse con la comprensión de los procesos bioquímicos y de su interacción con el medio ambiente (Snape, 1996). La ingeniería genética altera el sistema en puntos específicos identificados como pasos clave, o limitantes, del metabolismo. Sin embargo, no hay un gen para la eficiencia en el uso del N o para el rendimiento o la calidad del grano, sino muchos genes que codifican proteínas que determinan las estructuras y los comportamientos de diferentes subsistemas bioquímicos y fisiológicos. Por lo tanto, es probable (y ahora se ha demostrado con frecuencia) que los cambios en el genoma no produzcan alteraciones importantes en el metabolismo básico del tipo que aquí se discute (Paul y Lawlor, 2000). Además, la respuesta a las condiciones ambientales puede ser compleja, con la participación de las interacciones G×C mencionadas, lo que requiere un cambio de concepto del genoma al genoma en un entorno (Sheehy et al., 2000). A menos que esto se aprecie rápidamente, la actual pérdida de conocimientos bioquímicos y fisiológicos de las plantas en muchos países a favor de la biología molecular, distorsionará la base de conocimientos. Debilitará sustancialmente los métodos más clásicos de ataque al problema fundamental de cómo mejorar la producción, frenando la aplicación de los conocimientos actuales de la tecnología de los fertilizantes. También inhibirá el perfeccionamiento de los enfoques que probablemente tendrán mayor impacto en el suministro de alimentos en el próximo medio siglo, cuando la demanda crecerá más rápidamente. La combinación de información molecular, bioquímica y fisiológica es necesaria para evaluar eficazmente las posibilidades de mejora de los cultivos.

En conclusión: la producción de los cultivos depende totalmente del suministro de N en cantidades adecuadas y en el momento correcto para el crecimiento. Esto es la consecuencia de los eventos metabólicos, basados en las proteínas, con la energía de la luz utilizada en la reducción de CO2 y

y la síntesis de asimilados que se utilizan en el crecimiento vegetativo y reproductivo y la formación del rendimiento. Sin embargo, las relaciones entre los numerosos procesos que conducen al rendimiento son complejas y, aunque están determinadas genéticamente, están sujetas a una considerable influencia del medio ambiente, especialmente del suministro de N. La comprensión de los mecanismos que determinan la producción, el rendimiento y la eficiencia de los cultivos es avanzada, pero no se aprovecha lo suficiente en la agricultura, aunque hay formas de aplicar la información. Los cambios necesarios en los cultivos para aumentar la biomasa se producen cuando el suministro de N es bajo: (a) aumentar la acumulación total de N incrementando el volumen de suelo explotado, la densidad de enraizamiento y la afinidad de la superficie de las raíces por

. Esto mantendrá la relación C/N actual del cultivo; (b) aumentar la asimilación de C por unidad de N, lo que aumentará la biomasa y la relación C/N. Con una baja absorción de N y un LAI inferior a 3, la energía lumínica no sería limitante ni en (a) ni en (b); se podrían utilizar ambos enfoques. Si el suministro y la absorción de N son amplios, las posibilidades son (c) aumentar la asimilación de C por unidad de N, aumentando así la biomasa y la relación C/N, o (d) aumentar el N acumulado en componentes activos, pero mantener la misma asimilación de C, aumentando así la biomasa y manteniendo la relación C/N. Ambas opciones suponen que se dispondrá de suficiente energía, lo cual es improbable con un LAI elevado, y que el CO2 no será limitante. Actualmente lo es, y es poco probable que la tasa de aumento del CO2 atmosférico sea rápida o lo suficientemente grande como para aumentar la producción hasta el potencial genético obtenido en CO2 elevado. Por lo tanto, será necesario aumentar el potencial genético de crecimiento y rendimiento de los cultivos cuando el suministro de N satisfaga la demanda, pero las formas de hacerlo no están claras. Aumentar la eficiencia fotosintética por unidad de N o de luz no es una tarea trivial. Se desconocen los cambios que se producen en el metabolismo básico durante las mejoras conseguidas por el fitomejoramiento y no se puede saber qué limitaciones se han superado para mejorar el potencial genético de rendimiento. En gran medida, han consistido en aumentar la capacidad de crecimiento de los granos, disminuyendo al mismo tiempo el crecimiento vegetativo y manteniendo la capacidad del metabolismo del C y del N para abastecer a los granos, y en prolongar el periodo de crecimiento. Las mejoras en el metabolismo básico de C y N no están documentadas. El análisis de los aspectos metabólicos y fisiológicos de las respuestas de las plantas al suministro de N y a la temperatura muestra la interacción de muchos procesos que determinan la respuesta de las plantas al N. Esta información es importante para guiar el desarrollo de métodos para mejorar la aplicación del N a los cultivos, en la mejora genética y para evaluar el potencial de la manipulación genética para mejorar la eficiencia del uso del N y el potencial de rendimiento genético. La apreciación de las interacciones genotipo-ambiente es esencial. El análisis sugiere que el aumento de la captación de N requerirá cambios en los sistemas radiculares y en la afinidad de los transportadores de

. El aumento de la eficiencia del uso del N en la fotosíntesis requeriría alteraciones sustanciales en el metabolismo fotosintético. La mejora del potencial de rendimiento genético será una tarea importante y a largo plazo, que probablemente no se logrará con la tecnología de ingeniería genética actual. Una combinación de cría de selección y métodos moleculares puede proporcionar formas de mejorar la eficiencia del uso del N y el potencial genético.

Agradecimientos

Mi agradecimiento a los editores de la edición especial por su invitación y su indulgencia durante la elaboración del manuscrito. También merecen un agradecimiento especial todos mis colegas, no nombrados pero no olvidados, que contribuyeron durante muchos años a este trabajo.