CIMMYT y COLPOS validan tecnologías para reducir pérdidas de nitrógeno en agricultura

Investigaciones sobre variedades de trigo con Inhibición Biológica de la Nitrificación (BNI) y tecnología Raizotrón permiten observar cómo sistemas radicales más extensos y profundos podrían mejorar la captura de nitrógeno en el suelo y reducir pérdidas de fertilizante en agricultura.

La agricultura moderna enfrenta un problema silencioso debajo del suelo. Aunque el nitrógeno sintético sostiene buena parte de la producción mundial de alimentos, una proporción considerable del fertilizante aplicado en campo nunca es aprovechada por los cultivos.

Parte del nitrógeno aplicado en agricultura se pierde hacia la atmósfera en forma de óxido nitroso (N2O), un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global casi 300 veces superior al CO2 en un periodo de 100 años. Otra parte se desplaza fuera de la zona donde las raíces pueden absorberlo, contaminando cuerpos de agua y alterando el equilibrio biológico del suelo.

En México y Centroamérica, la eficiencia en el uso de nutrientes se mantiene entre 30% y 50%, lo que significa que una proporción importante del fertilizante aplicado nunca llega realmente a la planta.

El comportamiento del nitrógeno dentro del suelo explica parte del problema. El amonio, una de las formas en que el nitrógeno está disponible para los cultivos, permanece relativamente estable en el suelo. Sin embargo, microorganismos lo transforman rápidamente en nitrato mediante un proceso conocido como nitrificación.

A diferencia del amonio, el nitrato es altamente soluble y puede desplazarse fácilmente fuera de la rizósfera, la zona inmediata que rodea las raíces. Durante esa transformación también se libera N2O como subproducto, mientras parte del nitrato puede seguir transformándose en formas gaseosas de nitrógeno que generan emisiones adicionales.

El problema tiene además una dimensión estratégica. México importa entre 60% y 80% de sus fertilizantes, en un contexto global donde la producción de nitrógeno depende fuertemente del gas natural y de cadenas de suministro vulnerables a tensiones geopolíticas.

Frente a este escenario, CIMMYT desarrolla investigaciones enfocadas en mejorar la eficiencia en el uso de nitrógeno mediante variedades de trigo con capacidad de Inhibición Biológica de la Nitrificación (BNI). Estas variedades fueron desarrolladas mediante cruzas entre trigo (Triticum aestivum) y Leymus racemosus, un pariente silvestre del trigo capaz de aportar mecanismos naturales asociados con la inhibición biológica de la nitrificación en el suelo.

A los 45 días después de siembra, las variedades BNI comenzaron a mostrar sistemas radicales más extensos, densos y ramificados que los observados en materiales convencionales. Las diferencias fueron particularmente visibles entre los 20 y 40 centímetros de profundidad, una zona clave para la dinámica y captura de nitrógeno en el suelo.

Uno de los principales desafíos científicos consiste en demostrar cómo este mecanismo funciona dentro de sistemas agrícolas reales y cómo modifica la interacción entre raíces, microbiología y dinámica de nutrientes. Gran parte de lo que ocurre debajo de la superficie permanece invisible para la agricultura convencional y muchos métodos de análisis requieren extraer raíces o alterar físicamente el entorno biológico del suelo.

Para estudiar estos procesos, CIMMYT y el Colegio de Postgraduados (COLPOS) utilizan la plataforma de Cámara Dual Raizotrón, una tecnología desarrollada y patentada por investigadores del COLPOS que permite observar y comparar en tiempo real el desarrollo radical sin alterar el entorno biológico del suelo. Las imágenes de raíces son capturadas, escaneadas y analizadas mediante software especializado capaz de medir diferencias estructurales entre variedades.

A diferencia de los métodos convencionales, que requieren extraer y lavar raíces para analizarlas, el sistema permite monitorear continuamente el crecimiento radical mientras se preservan las interacciones entre humedad del suelo, temperatura, actividad microbiológica y disponibilidad de nutrientes. Esta capacidad resulta especialmente relevante en investigaciones sobre BNI, donde los procesos de nitrificación dependen de comunidades microbianas altamente sensibles a perturbaciones físicas del suelo.

La plataforma integra mediciones de pH, conductividad eléctrica, análisis nutricionales y caracterización microbiológica, mientras algoritmos desarrollados en Python permiten cuantificar crecimiento radical, biomasa y dinámica de desarrollo. Este enfoque permite correlacionar expresión genética, comportamiento de raíces y actividad microbiológica dentro del mismo sistema experimental.

La investigación es coordinada por la Dra. Njeri Karanja, científica asociada y especialista en dinámica del nitrógeno en suelos agrícolas a escala de campo en CIMMYT, en colaboración con el Dr. Simon Fonteyne, líder de investigación agronómica para América Latina en CIMMYT, y especialistas en edafología y pioneros de la tecnología de Cámara Dual Raizotrón en el COLPOS, el Dr. Vicente Espinosa y el M.C. Juan Espinosa.

Esta primera fase del proyecto está enfocada en evaluar diferencias estructurales entre variedades de trigo BNI y no BNI, incluyendo longitud, diámetro, densidad y ángulo de raíces durante el crecimiento vegetativo.

Los ensayos comenzaron mostrando patrones similares durante las primeras etapas de desarrollo. Sin embargo, conforme avanzó el crecimiento, las variedades BNI comenzaron a desarrollar sistemas radicales más extensos, densos y altamente ramificados en comparación con materiales convencionales.

La tecnología de Cámara Dual Raizotrón permite observar y comparar el desarrollo radical sin extraer raíces ni alterar las interacciones biológicas del suelo. Las imágenes son analizadas mediante software especializado para evaluar diferencias estructurales entre variedades, incluyendo longitud, densidad y ángulo de raíces.

Las diferencias fueron particularmente evidentes entre los 20 y 40 centímetros de profundidad a los 45 días después de siembra, donde las raíces ocuparon zonas clave asociadas con la dinámica del nitrógeno después del riego. Una mayor exploración del suelo en estas capas incrementa el contacto entre raíces y nutrientes, mejorando la absorción de nitrógeno por la planta y aumentando la probabilidad de que el nitrógeno permanezca disponible antes de perderse fuera del sistema agrícola.

Estas observaciones son fundamentales para comprender el potencial de cultivos con BNI mejorado en eficiencia en el uso de nitrógeno, así como otros mecanismos asociados, incluyendo tolerancia a sequía.

La Dra. Njeri Karanja, científica asociada y especialista en dinámica del nitrógeno en suelos agrícolas a escala de campo en CIMMYT, participa en investigaciones sobre variedades BNI orientadas a mejorar la eficiencia en el uso de nitrógeno y reducir pérdidas de fertilizante en agricultura.

La investigación también permite analizar cómo estas variedades modifican la rizósfera y de qué manera esas transformaciones influyen sobre microorganismos asociados al ciclo del nitrógeno, incluidas bacterias fijadoras.

Mejorar la eficiencia en el uso de nitrógeno representa una de las rutas más prometedoras para reducir costos de fertilización, disminuir pérdidas de nutrientes y reducir emisiones asociadas a la producción agrícola. En sistemas sometidos a degradación de suelo, volatilidad energética y presión climática, conservar más nitrógeno dentro del sistema suelo planta se vuelve una prioridad estratégica para la productividad y resiliencia de largo plazo.

La colaboración entre CIMMYT y COLPOS forma parte de una red global de experimentos de largo plazo que CIMMYT opera en distintas regiones del mundo para desarrollar y validar soluciones agrícolas frente a desafíos crecientes en fertilidad, degradación de suelos y cambio climático.

Estas plataformas funcionan como observatorios vivos de los sistemas agroalimentarios. Su valor científico radica en que permiten generar evidencia sobre procesos que no pueden entenderse mediante ciclos experimentales de corto plazo, incluyendo eficiencia en el uso de nutrientes, resiliencia productiva y respuesta biológica del suelo. Esa información ayuda a acelerar innovación agrícola basada en ciencia y reducir riesgos para la adopción de nuevas tecnologías.

Estas actividades son posibles gracias a una inversión estratégica del Gobierno de Estados Unidos orientada a fortalecer resiliencia agrícola, cadenas de suministro y seguridad alimentaria regional. El financiamiento busca acelerar investigación aplicada y sistemas agrícolas capaces de responder a sequías más frecuentes, menor disponibilidad de agua y mayores riesgos para la producción de alimentos.

Bajo esa visión, CIMMYT opera la ciencia agrícola como un bien público global: abierta, colaborativa y desarrollada junto con instituciones nacionales, universidades, sector privado y comunidades agrícolas. En regiones donde los eventos climáticos extremos comienzan a modificar los límites de producción, estas alianzas buscan fortalecer la capacidad de adaptación, reducir riesgos y sostener economías rurales vinculadas a la agricultura.