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Los cultivos genéticamente modificados son clave para una agricultura con baja emisión de carbono

Los cultivos transgénicos pueden mejorar la eficiencia fotosintética en los cultivos, solo en EEUU podría aumentar los rendimientos en un 15%. Con múltiples mejoras, los rendimientos podrían aumentar en un revolucionario 60%, con una disminución concomitante de las emisiones del sistema alimentario mundial.

The Breakthrough Institute / 20 de julio, 2021.-  A medida que los gobiernos y las industrias trabajan hacia un futuro con cero emisión de carbono, el sistema alimentario sigue siendo una fuente obstinada de un tercio de las emisiones globales totales. Si bien algunas tecnologías nuevas finalmente están impulsando la producción de carbono en la dirección correcta, una tecnología infrautilizada se destaca como un agente clave contra el cambio climático: los cultivos genéticamente modificados.

En 2018, las emisiones de gases de efecto invernadero del sistema alimentario mundial totalizaron 16 mil millones de toneladas equivalentes de CO2 por año (GtCO2e/año), y de las emisiones del sistema alimentario mundial, una cuarta parte (aproximadamente 4 GtCO2e/año) proviene de conversiones de ecosistemas naturales en tierras de cultivo. Nuestra investigación muestra que la modificación de cultivos clave en los Estados Unidos con solo un nuevo rasgo modificado genéticamente podría aumentar los rendimientos en un 15%, lo que reduciría las emisiones del sistema alimentario mundial derivadas de la conversión de la tierra en un 5%, o 214 millones de toneladas equivalentes de CO2 por año (MtCO2e/año). Con la adición de otros dos rasgos en cultivos modificados genéticamente (GE), ese aumento de rendimiento podría cuadriplicarse al 60%, lo que provocaría reducciones drásticas de las emisiones a escala mundial.

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Históricamente, los aumentos de rendimiento de los cultivos han desempeñado un papel crucial en la limitación de la conversión de tierras y las emisiones asociadas; sin ellos, el uso de la tierra para la producción de cereales se habría expandido 6 veces más de lo que lo se hizo. Las mejoras en la genética de los cultivos han contribuido aproximadamente a la mitad de las ganancias de rendimiento históricas, lo que hace que el crecimiento del rendimiento sea una forma poderosa de reducir las emisiones.

El aumento del rendimiento de los cultivos mediante el uso de la ingeniería genética para mejorar la genética de los cultivos tiene un gran potencial, pero en gran medida pasado por alto, para reducir la huella climática de la agricultura. Según algunas estimaciones, las mejoras dramáticas en el fitomejoramiento, incluida la ingeniería genética, podrían reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) agrícolas mundiales en casi 1 Gt CO2e/año para 2050, principalmente al aumentar los rendimientos.

Históricamente, la mayoría de los cultivos transgénicos comercializados en los Estados Unidos no fueron diseñados explícitamente para aumentar los rendimientos, pero eso está cambiando. Una aplicación de larga data de la ingeniería genética en la agricultura ha sido mejorar la fotosíntesis en plantas de cultivo porque la fotosíntesis es un determinante clave de los rendimientos de los cultivos. El fitomejoramiento ha dado lugar a enormes mejoras agrícolas, pero la fotosíntesis es un proceso que no se puede mejorar mucho con el mejoramiento convencional. Hasta hace relativamente poco tiempo, mejorar la fotosíntesis en cultivos de campo era hipotético. Pero tres estudios publicados entre 2016 y 2020 a través del proyecto Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), financiado por la National Science Foundation, muestran aumentos en el rendimiento de los cultivos del 15 al 40% a partir de diferentes rasgos obtenidos por ingeniería genética que mejoran la fotosíntesis al mejorar la adaptación a la luz cambiante, desintoxicando los subproductos fotosintéticos y agregando maquinaria celular. Todas estas características combinadas podrían aumentar el rendimiento de los cultivos en un revolucionario 60%, en comparación con los aumentos de rendimiento anual promedio de 1 a 3% en el maíz, la soja y el trigo de Estados Unidos desde la década de 1960 (Figura 1).

Figura 1. Aumento histórico de los rendimientos de maíz en EE. UU. El punto más alto (conectado por la línea de puntos) representa un aumento de rendimiento del 15% con respecto a los niveles de 2017. Datos de FAOSTAT.

Si aplicamos solo una mejora desarrollada por el proyecto RIPE a la fotosíntesis con el menor aumento de rendimiento [1] a los cinco cultivos transgénicos más cultivados en los EE. UU., las emisiones evitadas podrían totalizar 214 millones de toneladas equivalentes de CO2 por año (MtCO2e/año). Si esta mejora fotosintética también se adoptara en la mitad de la superficie de trigo de EE. UU., asumimos una menor adopción porque actualmente no se cultiva trigo transgénico en EE. UU., las emisiones evitadas podrían totalizar 221 MtCO2e/año.

Figura 2. Emisiones globales totales evitadas por el cambio de uso de la tierra (arriba) y emisiones totales de EE. UU. evitadas por los insumos de producción (abajo) por cultivo.

De este total de 221 MtCO2e/año en emisiones evitadas, la Figura 2 anterior muestra que la gran mayoría se debe a las emisiones evitadas por el cambio de uso de la tierra, con solo pequeños aumentos o disminuciones en las emisiones de producción. Las emisiones evitadas por el cambio de uso de la tierra se basan en la suposición, incorporada en la Calculadora de beneficios de carbono que usamos de Searchinger et al. (2018), que el aumento de la producción de cultivos en un lugar conduce a una disminución proporcional en la producción y al cambio de uso de la tierra relacionado en otros lugares. Debido a que los EE. UU. típicamente tienen rendimientos de cultivos más altos que el promedio mundial (Figura 3), aumentar la producción de EE. UU. mediante el cultivo de cultivos transgénicos con rendimientos más altos da como resultado una reducción neta de la superficie de tierras agrícolas y las emisiones mundiales.

Proyectamos que las emisiones de producción, por otro lado, no cambiarían mucho. Estos incluyen las emisiones asociadas con los insumos para la producción, incluida la aplicación de fertilizantes, el uso de energía en el campo y la producción de fertilizantes y pesticidas. Dado que las emisiones de producción se miden por salida, solo aumentan si los niveles de entrada más altos no conducen a mayores rendimientos. El único cultivo cuyas emisiones de producción aumentarían es la soja porque el cultivo en los EE. UU. tiene mayores emisiones por bushel que el promedio mundial debido al alto uso de fertilizantes. La Figura 2 también muestra que los diferentes cultivos contribuyen con cantidades muy diferentes de ahorro de emisiones totales, debido principalmente al área total en la que se cultivan en los EE. UU. y, en segundo lugar, a la diferencia entre los rendimientos promedio de los EE. UU. y el promedio mundial para ese cultivo.

Figura 3. Rendimientos promedio de maíz por país en todo el mundo en 2017. Datos de FAOSTAT.

Sin duda, nuestro análisis tiene limitaciones. Al utilizar la calculadora de beneficios de carbono de Searchinger et al. (2018), asumimos una relación 1: 1 entre el aumento de la producción de cultivos en los EE. UU. y la disminución de la producción de cultivos en otros lugares. Si bien aumentar los rendimientos en un lugar generalmente reduce la necesidad de convertir nuevas tierras de cultivo en otro lugar (porque la demanda y la producción de cultivos globales están aumentando), es difícil predecir cómo responderá el uso de la tierra a los aumentos de rendimiento de los cultivos en una situación particular porque los resultados varían. Sin embargo, incluso bajo el supuesto conservador de que solo la mitad del aumento de la producción agrícola en los EE. UU. conduce a una disminución de la producción agrícola en otros lugares, el potencial de mitigación sigue siendo grande con 109 MtCO2e/año.

Por supuesto, los cultivos transgénicos pueden mitigar los impactos climáticos de la agricultura a través de mecanismos más allá del aumento de los rendimientos, y los dos no son mutuamente excluyentes. Otro objetivo perseguido durante mucho tiempo por el fitomejoramiento es lograr que más cultivos, en particular cultivos de cereales, puedan fijar su propio nitrógeno, como lo hacen los cultivos de leguminosas como la soja, los garbanzos y las lentejas a través de una relación simbiótica con las bacterias que extraen el gas nitrógeno del aire. y convertirlo en una forma que las plantas puedan usar (la producción de fertilizantes nitrogenados sintéticos también extrae nitrógeno gaseoso del aire, pero mediante un proceso industrial). Más cultivos fijadores de nitrógeno podrían disminuir la necesidad de aplicación de fertilizantes y las emisiones relacionadas de óxido nitroso, un potente gas de efecto invernadero, así como la escorrentía de fertilizantes que contamina las vías fluviales. Incluso los cultivos mejorados para una mayor eficiencia en el uso del nitrógeno (es decir, cómo las plantas absorben, asimilan y asignan el nitrógeno) podrían lograr una parte de este impacto. Un aumento del 1% en la eficiencia del uso de nitrógeno en la producción de cultivos de cereales solo en Brasil podría reducir la aplicación de fertilizantes nitrogenados en más de 20.000 toneladas (en comparación con casi 2 millones de toneladas en total aplicadas a los cultivos de cereales en Brasil en 2011).

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Para beneficiarse plenamente de las aplicaciones agrícolas de la biotecnología, los EE. UU. y otros países deben asegurarse de que las regulaciones mitiguen adecuadamente el riesgo sin sofocar innecesariamente la innovación y la comercialización de tecnologías útiles. Es probable que todas las mejoras fotosintéticas se logren utilizando transgénicos, que implican la inserción de ADN externo a la especie de una planta o del grupo de cruzamiento natural; y si bien la nueva regla 2020 SECURE para la regulación de la biotecnología en los EE. UU. es una mejora dramática para los rasgos no-transgénicos, la regulación de los rasgos obtenidos por transgenia no ha mejorado sustancialmente. [2] La regla SECURE primero categoriza el nivel de riesgo potencial de un rasgo obtenido por ingeniería genética basado en la forma en que fue diseñado en lugar de las características reales de la planta resultante, que es inconsistente con los factores que influyen en el riesgo. Al solucionar este problema, el USDA asignaría mejor los recursos y reduciría la carga regulatoria innecesaria sobre los rasgos de bajo riesgo. Los cambios regulatorios similares en otros países permitirían un beneficio más global de la tecnología transgénica en la agricultura.

Para maximizar el potencial ambiental de la biotecnología, los países también deben permitir la importación de alimentos transgénicos comestibles para el ser humano, como el trigo. El trigo se utiliza principalmente para el consumo humano, mientras que la soja, el maíz, el algodón, la canola y la remolacha azucarera transgénica se destinan principalmente a piensos, productos no alimentarios y/o productos altamente procesados ​​para el consumo humano (que contienen poco o ningún material genético restante) . Las regulaciones en muchos países impiden la importación de cultivos transgénicos para consumo humano, lo que ha obstaculizado la comercialización de trigo transgénico incluso en los EE. UU. Un trigo transgénico podría comercializarse y cultivarse para el consumo humano a nivel nacional, pero esto pondría en peligro las exportaciones de trigo. Recientemente, Argentina aprobó la comercialización del primer trigo transgénico del mundo, pero solo después de confirmar que Brasil, que compra casi el 50% de las exportaciones de trigo de Argentina, aceptaría el producto para la importación. Estos ejemplos de trigo transgénico demuestran que se necesita un cambio regulatorio global para amplificar el beneficio global de los cultivos transgénicos.

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A pesar del mayor beneficio potencial de la adopción de cultivos transgénicos a escala global, los beneficios climáticos son claros incluso con la adopción de mejoras fotosintéticas que mejoran el rendimiento en los EE. UU., demostramos que el uso de la ingeniería genética para mejorar la eficiencia fotosintética en los cultivos solo en los EE. UU. podría aumentar los rendimientos en al menos un 15% y, por lo tanto, disminuir las emisiones del sistema alimentario global de la conversión de la tierra en un 5%, o 214 MtCO2e/año. Con múltiples mejoras en la eficiencia fotosintética, los rendimientos podrían aumentar en un revolucionario 60%, con una disminución concomitante de las emisiones del sistema alimentario global. Otros rasgos transgénicos que reducen las emisiones, como la fijación de nitrógeno y una mayor eficiencia en el uso del nitrógeno, dejan muy claro que los cultivos transgénicos son herramientas poderosas para hacer que la agricultura sea más amigable con el clima.

Métodos

Para calcular las posibles emisiones evitadas del cultivo de cultivos con mayor eficiencia fotosintética, utilizamos un aumento del 15% en el rendimiento de biomasa en la floración [3], como se muestra en los ensayos de campo de tabaco de Kromdijk et al. (2016). Dado que Kromdijk et al. (2016) midió la biomasa de la planta en la floración, asumimos un promedio de 50% de reparto del rendimiento del producto cosechado para nuestros seis cultivos, lo que significa que el aumento en el producto cosechado sería del 15%. Luego aplicamos este aumento de rendimiento a los cinco cultivos transgénicos más cultivados en los EE. UU. (soja, maíz, algodón, canola y remolacha azucarera). También aplicamos el aumento de rendimiento al trigo, pero asumimos la adopción en solo la mitad de la superficie de trigo, ya que el trigo transgénico no se cultiva ni se aprueba actualmente para la producción en los EE. UU. [4] Usamos la superficie de cultivo y los datos de rendimiento de FAOSTAT, y los datos de uso de fertilizantes de Zhang y col. (2015). Modelamos un escenario en el que un rasgo transgénico que aumenta el rendimiento de los cultivos en un 15% estaba disponible en 2017 y se adoptó al mismo ritmo que otros rasgos transgénicos en los EEUU. ese año, utilizando valores para el porcentaje de adopción de “Estado global de cultivos biotecnológicos/transgénicos comercializados en 2017 ”(ISAAA).

Al calcular las emisiones de producción utilizando la calculadora de beneficios de carbono de Searchinger et al. (2018), ingresamos valores específicos del sitio solo para la aplicación de fertilizantes, utilizando valores predeterminados para el uso de energía en el campo y la energía utilizada para producir fertilizantes y pesticidas; para la aplicación de fertilizantes, hicimos la suposición conservadora de que aumenta en proporción al aumento en el rendimiento del cultivo. Al calcular los beneficios de carbono para cada cultivo, usamos el costo de oportunidad de carbono predeterminado para cada cultivo con la tasa de descuento predeterminada del 4%; bajo el escenario en el que solo la mitad del aumento de la producción agrícola en los EE. UU. conduce a una disminución de la producción agrícola en otros lugares, redujimos el porcentaje de cultivos de reemplazo atribuidos a la intensificación al 50%.

Notas Finales

  1. Usamos el extremo inferior de los aumentos de rendimiento logrados a través de la investigación del Proyecto RIPE como una estimación conservadora. Los resultados variarán con diferentes rasgos en diferentes condiciones de cultivo, pero las ganancias de estos tres rasgos juntos probablemente estarían consistentemente por encima del 15%.
  2. Según los científicos de RIPE, los rasgos desarrollados a través del proyecto tardarán entre 15 y 20 años en pasar por el proceso regulatorio de EE. UU.
  3. Un aumento del 15% en la biomasa vegetativa, asumiendo que el rendimiento del 50% se divide en biomasa vegetativa y el 50% en biomasa reproductiva, da como resultado un aumento del 15% en la biomasa reproductiva: 0.5 vegetativo / 0.5 reproductivo = 0.15 aumento en vegetativo / x -> x = 0.15 aumento de la reproducción. En los cultivares de granos modernos, aproximadamente el 60% del rendimiento se divide en el grano, por lo que el 50% es un valor conservador razonable para el maíz y el trigo (Long et al., 2006). La partición del rendimiento en los cultivares de soja modernos se acerca al 60% (Koester et al., 2014). En los cultivares de canola modernos, la distribución del rendimiento es de alrededor del 40-50% (Zhang y Flottmann, 2016). La partición del rendimiento en la remolacha azucarera varía del 50 al 85%, dependiendo de cómo se calcule el rendimiento (De, Moore y Mikkelsen, 2019; Hoffmann, 2019). Para semilla de algodón, la distribución del rendimiento oscila entre el 55% y el 65% (Pabuayon, 2020; Makhdum, 2007).
  4. Después de 27 años de cultivos transgénicos comercializados en los EE. UU., Argentina está a punto de comercializar el primer trigo transgénico del mundo.
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