Un nuevo estudio con apoyo de IA revela que el aumento de CO₂, el calor y la sequía podrían incrementar la producción de soja, aunque reduciendo componentes nutricionales clave.
Un nuevo estudio publicado en Food Research International examinó cómo tres importantes presiones climáticas —mayor dióxido de carbono, aumento de las temperaturas y sequía— podrían afectar la calidad de la soja.
Mediante un modelo predictivo con apoyo de inteligencia artificial, basado en datos verificados experimentalmente, los investigadores descubrieron que la soja expuesta a estas presiones combinadas podría producir más granos, pero con menor calidad nutricional. El estudio estimó un aumento del 50 % en la producción de soja, junto con reducciones en el contenido de almidón y proteína.
Analizando las presiones climáticas en conjunto
El estudio fue liderado por científicos del Laboratorio de Fisiología Ecológica Vegetal (LAFIECO) del Departamento de Botánica del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo, en Brasil.
Los investigadores examinaron los efectos combinados del dióxido de carbono elevado, las altas temperaturas y la sequía. Esto es importante porque los cultivos en el campo rara vez están expuestos a un solo factor de estrés a la vez. En cambio, las plantas suelen enfrentarse a varias presiones relacionadas con el clima a la vez.
El equipo descubrió que la soja expuesta al impacto combinado presentaba una reducción del 20 % en el contenido de almidón y del 6 % en el de proteínas. También observaron un aumento significativo en el contenido de aminoácidos.
“Ese aumento de aminoácidos fue inesperado. Ni siquiera conocemos su efecto en los animales. Necesitamos comprender los efectos del triple impacto en el metabolismo de las proteínas, lo cual es fundamental para la soja utilizada en la alimentación animal. Hemos observado que las proteínas disminuyen en escenarios de cambio climático drástico. Además, la semilla pierde almidón, lo que significa menos energía”, resume Marcos Buckeridge, coordinador de LAFIECO.
Por qué importa la calidad de la soja
La soja se utiliza ampliamente en alimentos, piensos y productos industriales, por lo que los cambios en la composición de la semilla son importantes tanto para la agricultura como para la nutrición.
Una reducción en las proteínas puede afectar el valor de la soja utilizada en la alimentación animal. Un menor contenido de almidón también significa que la semilla puede contener menos energía almacenada. Al mismo tiempo, el marcado aumento de aminoácidos plantea nuevas preguntas sobre cómo el estrés climático altera el metabolismo de la soja y cómo esos cambios pueden afectar a los animales que consumen piensos a base de soja.
Según Buckeridge, los datos pueden ayudar a mejorar los modelos predictivos utilizados para comprender cómo la agricultura mundial podría verse afectada por el cambio climático.
Más frijoles, pero diferentes frijoles
Un mayor nivel de dióxido de carbono a veces actúa como fertilizante para las plantas. Puede ayudarlas a crecer más rápido y producir más semillas, según un comunicado de prensa.
Buckeridge explica que el CO₂ elevado también puede ayudar a las plantas a sobrellevar la sequía porque los estomas de las hojas se cierran ligeramente. Los estomas son pequeñas aberturas que se encuentran principalmente en las hojas y que permiten el intercambio de gases y la pérdida de agua. Cuando se cierran parcialmente, la planta aún puede absorber dióxido de carbono, pero pierde menos agua.
“Provoca que la planta crezca más rápido, lo que permite la producción de más semillas. ¿Y qué ocurre cuando también hay sequía? Descubrimos que el CO₂ protege a la planta contra los efectos de la sequía. Incluso una sequía moderada provoca que la planta produzca menos semillas. Pero con altos niveles de dióxido de carbono, los estomas de las hojas se cierran ligeramente [los estomas son microestructuras cruciales para el intercambio de gases y la transpiración, que se encuentran principalmente en las hojas y se abren durante el día en presencia de luz]. En otras palabras, la planta captura el dióxido de carbono que necesita para sus procesos, pero pierde menos agua. Ese es el efecto protector del CO₂ contra la sequía”.
En algunos casos, el CO₂ elevado también puede ayudar a compensar el daño causado por las altas temperaturas. Sin embargo, el estudio sugiere que cuando se combinan las tres presiones, el resultado no es simplemente positivo o negativo. En cambio, la planta cambia la forma en que utiliza y almacena el carbono.
Un cambio en la composición de las semillas
Los investigadores descubrieron que la soja expuesta a las presiones climáticas combinadas producía más granos, pero estos tenían un perfil nutricional diferente.
Según Buckeridge, un menor contenido de almidón sugiere que la planta podría estar destinando el carbono capturado a la formación de paredes celulares en lugar de almacenarlo como almidón en la semilla. Esto significa que las legumbres podrían contener más fibra y menos energía almacenada.
“En otras palabras, el alto contenido de dióxido de carbono provoca una desviación del metabolismo normal de la legumbre. La sequía causa una segunda desviación y la temperatura una tercera. Al combinar las tres, obtenemos una cuarta desviación. Esto significa que el proceso no es lineal, lo cual es uno de los hallazgos más importantes de nuestro último trabajo publicado. Las vías de los factores de estrés son diferentes. La temperatura y la sequía actúan a través de vías de estrés distintas, metabólicamente hablando. Ya lo sabemos y lo hemos publicado. Por eso es importante comprender su efecto en combinación con un alto contenido de CO₂.”
Este hallazgo es importante porque demuestra que la combinación de factores climáticos adversos puede producir resultados impredecibles al analizar cada factor por separado.
Cómo se realizó el estudio
Cuando los investigadores analizaron cada factor climático individualmente, observaron que el aumento del dióxido de carbono incrementó la producción de frijoles hasta en un 142 %. Las altas temperaturas redujeron el rendimiento en un 91 %, mientras que la sequía lo redujo en un 60 %.
Para estudiar el triple efecto combinado del CO₂ elevado, las altas temperaturas y la sequía, el equipo utilizó modelos predictivos basados en datos de estrés dual validados experimentalmente. Estos experimentos analizaron el CO₂ elevado junto con altas temperaturas, y el CO₂ elevado junto con la sequía.
“Realizar el experimento con todos los tratamientos y controles simultáneamente sería una tarea enorme. Tendríamos que considerar grupos de control para las combinaciones de CO₂ alto con temperatura y sequía, CO₂ alto con temperatura pero sin sequía, CO₂ alto con sequía sin temperatura, y no tengo espacio en el sistema. Tengo cámaras que elevan la temperatura y puedo crear sequía artificialmente eliminando el agua de las plantas. Estos experimentos ya se han probado y han dado excelentes resultados, lo que nos permite comprender cómo los diferentes tipos de estrés afectan a las plantas de forma individual y combinada”, explica Buckeridge.
Los investigadores utilizaron cámaras abiertas que permiten controlar los niveles de dióxido de carbono y la temperatura. En algunos tratamientos, las plantas se expusieron a niveles de dióxido de carbono dos veces superiores a los del aire ambiente, mientras que las temperaturas se elevaron hasta 5 °C. La sequía se simuló reduciendo el riego.
El equipo utilizó una variedad de soja de la EMBRAPA (Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria), denominada MG/BR-46 Conquista.
Uso de IA para predecir impactos combinados
Para estimar el impacto combinado de las tres presiones, los científicos utilizaron herramientas de IA entrenadas con resultados de experimentos previos.
Se emplearon modelos lineales generalizados para estimar los efectos de los factores climáticos individualmente y en combinación. También se utilizaron enfoques de aprendizaje automático, como XGBoost y CatBoost, para predecir el triple efecto.
“El modelado con IA fue capaz de predecir los resultados de dos factores de estrés en el frijol, como se verificó en el experimento. Esto nos lleva a creer que también podemos confiar en los resultados obtenidos del modelado para el triple impacto”.
Este enfoque permitió a los investigadores explorar un escenario climático complejo que sería difícil de probar completamente en un solo experimento.
¿Qué sigue?
El siguiente paso del grupo es identificar los genes involucrados en las respuestas de la soja a diferentes tipos de estrés climático y comprender mejor cómo estas presiones modifican el metabolismo de la planta.
“Con ese conocimiento, podremos rediseñar la planta para que produzca la misma cantidad de proteína con una menor pérdida de almidón, por ejemplo. En última instancia, será posible preparar la semilla para una mejor adaptación al cambio climático”.
Los investigadores también quieren comprender cómo estos hallazgos podrían mejorar los modelos utilizados para predecir los impactos del cambio climático en los cultivos.
“Es probable que otras especies se comporten de manera similar. Ya hemos realizado el experimento de doble efecto en la caña de azúcar. Ahora, necesitamos probar la temperatura y ejecutar la simulación con IA”, explica Buckeridge.
Por qué es importante para la agricultura
El estudio sugiere que las futuras condiciones climáticas no solo pueden afectar la cantidad de soja que se produce, sino también su composición.
Para los agricultores, los mejoradores y los usuarios de piensos, esta distinción es importante. En ciertos escenarios climáticos, un cultivo puede producir más semillas, pero si estas contienen menos proteínas o energía, el valor total de la cosecha podría verse afectado.
Los hallazgos resaltan la necesidad de variedades de cultivos que puedan mantener tanto el rendimiento como la calidad nutricional ante el aumento del CO₂, el calor y la sequía. También demuestran cómo la modelización con apoyo de IA puede ayudar a los investigadores a comprender mejor los riesgos climáticos complejos antes de que se manifiesten plenamente en el campo.
