La inteligencia artificial aplicada a la investigación del cultivo de trigo

La herramienta se posiciona como un aliado estratégico del agro uruguayo, optimizando la producción, la sostenibilidad y catapultando competitividad en diferentes mercados

Ing. Agr. (Dr.) Alberto Artola

Fitomejorador de sorgo, trigo, maíz, avena, canola y especies forrajeras

En un mundo de vertiginoso avance en ciencia, tecnología e innovación, no podemos correr la liebre de atrás. El mundo tecnológico actual no es para lentos. De nuestra velocidad de reacción y adaptación a los nuevos desafíos tecnológicos dependerá el tipo de agro que desarrollemos en Uruguay.

La inteligencia artificial (IA) es una herramienta tecnológica con un potencial sin precedentes, que se posiciona como un aliado estratégico para el agro uruguayo, abriendo un abanico de posibilidades para optimizar la producción, fortalecer la sostenibilidad y catapultar la competitividad del sector en el exterior. Esta tecnología transformadora está revolucionando las prácticas agrícolas tradicionales, impulsando la productividad, la eficiencia, la competitividad y la resiliencia del sector al cambio climático. 

Podemos suponer el inicio de una nueva era en nuestro campo. Esta tecnología de crecimiento exponencial, y con potencial para cambios profundos, está lista para convertirse en un aliado invalorable de nuestra producción agropecuaria, impulsando la productividad, la sostenibilidad y la competitividad.

La IA puede ayudar a aumentar la productividad de los cultivos y la ganadería a través de diversas herramientas. Puede analizar imágenes de drones y satélites, así como datos de sensores, para detectar plagas y enfermedades en tiempo real, permitiendo a los productores tomar medidas preventivas y controlar los ataques de manera más eficiente.

También puede analizar datos históricos de productividad, clima y suelo para predecir el rendimiento de los cultivos, con alta precisión, permitiendo a los productores tomar decisiones de manejo de forma anticipada. La IA puede utilizarse para identificar genes y variantes genéticas asociadas con características deseables, como la resistencia a enfermedades, la tolerancia al estrés climático, el alto contenido nutricional y la calidad del grano o la carne.

Permite también implementar sistemas de agricultura de precisión que recopilan y analizan datos en tiempo real sobre los cultivos, permitiendo a los productores tomar decisiones más seguras y oportunas para optimizar el manejo de sus lotes de producción.

La IA tiene además la capacidad de analizar datos de sensores, imágenes de campo y datos históricos para determinar la cantidad y el momento óptimo para regar y fertilizar los cultivos, reduciendo el uso de recursos y mejorando la eficiencia de la producción.

Por otra parte, puede contribuir a una producción agropecuaria más sostenible a través de la reducción del uso de agroquímicos, optimizar el uso de fertilizantes y pesticidas, reduciendo su impacto ambiental y mejorando la salud del suelo y del agua.

También puede ayudar a los productores a adoptar prácticas agrícolas sostenibles, como la agricultura de precisión, la rotación de cultivos, la siembra directa y el manejo integrado de plagas, mejorando la salud del ecosistema y la resiliencia del agro al cambio climático.

La gestión eficiente del agua es otra de las posibilidades que ofrece la IA, permitiendo optimizar su uso, reduciendo el consumo de este recurso escaso y valioso; y por otra parte puede contribuir al desarrollo de sistemas de agricultura regenerativa, que restauran la salud del suelo, aumentando la biodiversidad y mejorando la resiliencia de los ecosistemas agrícolas.

La IA también puede ayudar a fortalecer la competitividad del sector agropecuario uruguayo, a través del desarrollo de nuevos productos y servicios, como plataformas de agricultura de precisión, herramientas de análisis de datos y sistemas de gestión de la cadena de suministro. Además de brindar la posibilidad de impulsar una mejora de la eficiencia logística, reduciendo costos y permitiendo una distribución más eficaz de los productos.

Es importante destacar que la IA no reemplaza el conocimiento y la experiencia de los productores, sino que a través de su sinergia se convierte en una herramienta complementaria, para potenciar su capacidad y optimizar la toma de decisiones.

Investigación y desarrollo

En el agro uruguayo la gran mayoría de las empresas posee un departamento de investigación y desarrollo (I+D), pero lamentablemente para el país la tecnología generada por la investigación proviene en su gran mayoría del exterior. Esta situación implica dependencia externa y costos de producción más altos a  que si tuviéramos una tecnología generada en Uruguay.

En pocas palabras, lo que hacemos es emplear paquetes tecnológicos importados y adaptarlos a nuestras condiciones de producción. Esta dependencia externa en ciencia, tecnología e innovación sería posible disminuirla si tuviéramos una investigación agropecuaria distinta.

Esto no significa incrementar los recursos económicos, humanos e infraestructura actuales, sino tener una mayor eficiencia en su uso, e ir un paso adelante de las necesidades futuras de la producción agropecuaria. O sea, hacer funcionar las neuronas de forma creativa y romper la inercia. Salvo en casos excepcionales, como el cultivo de arroz, siempre corremos la liebre de atrás. Perdimos el tren en el cultivo de soja, de maíz, de sorgo, de canola y de girasol, entre otros. 

Mejoramiento genético en trigo

Ingresando en nuestro objetivo principal, que es el mejoramiento genético de trigo, podemos afirmar que actualmente, además de los métodos de mejoramiento clásicos, hay tres de reciente aparición, que se destacan por su potencia y eficacia: la transgénesis, la edición génica y la IA. 

La transgénesis es la integración de un ADN extraño en el genoma de una planta; mientras que la edición génica modifica la función de ciertos genes en forma precisa y eficiente, sin agregar ADN extraño al genoma de la planta.En estas dos nuevas metodologías de mejoramiento genético el país pedalea lentamente. En este artículo me referiré a la IA, que es de reciente aparición, como herramienta en el mejoramiento genético de cultivos. Por lo tanto, debemos subirnos al tren de la IA si no queremos correr de atrás la liebre.

En definitiva, la IA está revolucionando el panorama del breeding en el cultivo de trigo, ofreciendo un conjunto de herramientas sin precedentes para acelerar el desarrollo de variedades más productivas, resistentes y sostenibles. 

Al aprovechar el poder de la IA los investigadores pueden desarrollar nuevas variedades de plantas, que sean más resistentes a las enfermedades, más tolerantes al estrés climático y más productivas. 

A continuación planteamos cuatro ejemplos del empleo de esta herramienta. En primer lugar la IA puede automatizar tareas repetitivas, como el análisis de datos fenotípicos y genómicos, la identificación de marcadores genéticos y la selección de líneas prometedoras. 

Esto ayuda a los investigadores a identificar genes y variantes genéticas que están asociados con características deseables, como resistencia a enfermedades, tolerancia a la sequía y mayor rendimiento, reduciendo significativamente el tiempo y el costo del programa de mejoramiento genético, permitiendo obtener nuevas variedades de trigo en un plazo más corto.

En segundo lugar, la IA se puede usar para predecir el rendimiento de los cultivares, la resistencia a las enfermedades y otras características importantes. Esto ayuda a los mejoradores a tomar decisiones más seguras sobre qué líneas de cruzamiento seguir y cómo seleccionar las mejores cruzas para la siguiente generación.

El tercer ejemplo es que la IA permite optimizar el uso de recursos en el proceso de mejora genética, reduciendo la necesidad de ensayos de campo a gran escala y permitiendo una selección más eficiente de líneas prometedoras. Esto se traduce en un menor impacto ambiental y en un uso más eficiente de la tierra y del agua.

Y el cuarto ejemplo es que la IA también se puede usar para diseñar nuevas variedades de cultivos con características específicas, como mayor resistencia a la sequía o al calor, o mayor contenido de nutrientes. Esto se hace mediante el uso de algoritmos para identificar combinaciones de genes que son más probables que produzcan las características deseadas.

IA y el Mejoramiento genético

En el caso específico del mejoramiento genético por resistencia a enfermedades en el cultivo de trigo, la IA está revolucionando el panorama, ofreciendo un conjunto de herramientas para desarrollar variedades más resistentes y duraderas. 

Es importante destacar que la IA no reemplaza al mejoramiento genético tradicional, sino que se convierte en una herramienta complementaria para potenciar su capacidad y optimizar el proceso de desarrollo de variedades resistentes. La sinergia entre la IA y la experiencia del fitomejorador son claves para lograr un avance significativo en el control de las enfermedades. 

A continuación planteamos tres de los aspectos más destacados de esta sinergia. El primero es la identificación precisa de genes y mecanismos de resistencia. La IA permite analizar grandes conjuntos de datos genómicos y fenotípicos para identificar genes y variantes genéticas asociadas con la resistencia a enfermedades específicas. Esto facilita la selección de progenitores con mayor probabilidad de transmitir resistencia a sus descendientes.

El segundo es la aceleración del desarrollo de variedades resistentes. La IA puede automatizar tareas repetitivas, como el análisis de datos, la identificación de marcadores genéticos y la selección de líneas prometedoras. Esto reduce significativamente el tiempo y el costo del proceso de mejora genética, permitiendo obtener nuevas variedades resistentes en un plazo más corto.

Y el tercero es que la IA facilita el desarrollo de variedades con resistencia a múltiples enfermedades, lo que aumenta la durabilidad de la resistencia y reduce el riesgo de que esas variedades sucumban a nuevas razas de patógenos.

A continuación mencionaré algunos ejemplos concretos. El proyecto “Wheat Durable Disease Resistance”, del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA, por sus siglas en inglés) utiliza IA para identificar genes de resistencia a enfermedades fúngicas, como el mildiu y la roya del trigo. 

La Universidad de Edimburgo utiliza IA para analizar grandes conjuntos de datos genómicos y de campo, para identificar genes que confieren resistencia a enfermedades como el mildiu y la roya del trigo.

La empresa Corteva Agriscience está utilizando IA para desarrollar nuevas variedades de trigo que sean más resistentes a las royas del trigo. Y la Universidad de Queensland utiliza IA para analizar grandes conjuntos de datos genómicos y de campo para identificar genes que confieren resistencia a las royas del trigo. 

La empresa Bayer Crop Science emplea la plataforma Precision Breeding, que utiliza IA para desarrollar nuevas variedades de trigo que sean más resistentes a enfermedades fúngicas, como el fusarium graminearum. Y el proyecto “Wheat Improvement for Tomorrow”, del Centro International de Mejoramiento de Maíz y Trigo (Cimmyt) utiliza IA para identificar genes que confieren resistencia a enfermedades como el fusarium graminearum y la roya del trigo.

La IA en Uruguay

En el año 2020 nuestro programa de mejoramiento genético de trigo comenzó a emplear la IA en la generación de resistencia genética a las royas. En aquel momento la variabilidad genética del programa se había reducido. En consecuencia, debíamos incrementar la variabilidad genética a través de cruzamientos. Para realizar dichos cruzamientos teníamos que seleccionar los parentales adecuados. Los criterios fueron los clásicos: potencial de rendimiento de grano, resistencia a enfermedades y calidad panadera.

En la selección por resistencia a enfermedades utilizamos la herramienta tecnológica IA. Nos enfocamos en las tres royas que predominan en nuestro agro: de la hoja, estriada y del tallo. 

La IA nos seleccionó 16 parentales con genes de resistencia a las tres royas. Se efectuaron los cruzamientos en 2021 y se obtuvieron 70 cruzas, que al año siguiente se sembraron, esa fue la generación F1 y el año pasado sembramos las F2 (poblaciones segregantes). 

La segregación de dichas F2 nos permitió comprobar el gran potencial de esta nueva metodología en el mejoramiento genético por resistencia a las royas. Las lecturas mostraron la eficacia de la IA en la selección de los parentales; en el 99% de las F2 obtuvimos lecturas de 0 a 2R.

El empleo de cultivares de trigo con resistencia a enfermedades presenta una serie de ventajas. Una es la reducción del uso de fungicidas, que contribuye a la protección del medio ambiente, al minimizar la contaminación del suelo, del agua y no afecta la biodiversidad, que puede tener efectos negativos en los ecosistemas, la flora y fauna silvestre, así como en la salud humana.

El hecho de no emplear fungicidas para controlar las royas en el cultivo de trigo también lleva a la reducción de los costos de producción y dependencia externa a estas moléculas.

El uso excesivo de fungicidas puede provocar el desarrollo de resistencia en las poblaciones de patógenos. La evolución de la resistencia a los fungicidas es un proceso similar al de la resistencia al glifosato en malezas. 

Ante la presión de selección que genera el uso continuo de fungicidas, los hongos que sufren mutaciones, recombinaciones genéticas, logran biotipos que presentan tolerancia al fungicida y, por lo tanto, tienen mayor probabilidad de sobrevivir y reproducirse. Con el tiempo, la población de hongos se vuelve cada vez más resistente al fungicida. 

Nota de Revista Verde N°114