Alternativas agronómicas para la siembra de maíz y otros cultivos ante condiciones de estrés ambiental (sequía, altas temperaturas, baja fertilidad del suelo, alta salinidad)

La microbiología agrícola busca reemplazar a los agroquímicos por microorganismos o sus productos como agentes de control biológico, debido a que el uso de tecnologías de la revolución verde tiene efectos negativos sobre el ambiente, los productores y sus familias, los consumidores y la salud de los cultivos. Sin embargo, el conocimiento actual acerca de las interacciones benéficas planta-bacteria en ambientes complejos es limitado e insuficiente, para lograr el éxito esperado de los productos biológicos. Las milpas son agroecosistemas tradicionales donde se cultivan diversas variedades de maíz nativo con otras especies asociadas; no se utiliza riego, ni labranza y aunque su aplicación va en aumento, comúnmente no se utilizan agroquímicos; por esto, la milpa representa una fuente de conocimiento sobre prácticas sustentables. Recientemente, se han descrito cambios en las comunidades microbianas de los sistemas agrícolas a causa de la modernización y a la domesticación de las plantas. En la milpa, también se han identificado interacciones benéficas planta-bacteria que parecen haberse perdido en los cultivos modernos. En esta revisión, discutimos las estrategias clásicas y modernas de la microbiología agrícola que pueden ser aplicadas en el estudio de la milpa. El establecimiento de la milpa como modelo de estudio de las interacciones planta-bacteria puede resultar en la generación del conocimiento necesario para disminuir el uso de agroquímicos en los sistemas agrícolas modernos, así como evitar su creciente uso en las milpas. Palabras clave: agroecosistema milpa, microbiología agrícola, comunidades bacterianas.

Research on agricultural microbiology aims at replacing agrochemicals with microorganisms or their natural products as biological control agents, since the use of technologies from the green revolution have had negative effects on the environment, on farmers and their families, the consumer, and on crop health. However, our current understanding about the beneficial microbe-plant interactions that mediate plant health in complex, natural settings is insufficient to achieve the success of these biological products. Milpas are traditional agroecosystems where several maize landraces are produced, together with other associated species. Technologies from the green revolution such as agrochemicals are largely absent in milpas, and therefore they represent a source of traditional knowledge on sustainable practices for agriculture. Recent studies show that modernization, as well as plant domestication cause disturbances in microbial communities from agroecosystems. Furthermore, unique beneficial bacteria-plant interactions occur in milpas, which may have been lost in modern agroecosystems. In this review, we discuss classic and modern research strategies from agricultural microbiology that can be applied in the study of milpas. Adopting milpas as a model habitat for microbe-plant interactions could result in the generation of knowledge that leads to decrease the use of agrochemicals in modern agroecosystems, as well as avoiding their growing use in milpas.

Este documento explora cómo los agricultores sudamericanos se adaptan al clima mediante el cambio de cultivos. Desarrollamos un modelo logit multinomial de la elección de cultivos de los agricultores. Al estimar el modelo entre 949 agricultores en siete países, encontramos que tanto la temperatura como la precipitación afectan los cultivos que eligen los agricultores sudamericanos. Los agricultores eligen frutas y verduras en lugares más cálidos y trigo y papas en lugares más frescos. Es más probable que las fincas en lugares más húmedos cultiven arroz, frutas, papas y calabazas, y en lugares más secos, maíz y trigo. El calentamiento global hará que los agricultores sudamericanos cambien el maíz, el trigo y las papas por calabazas, frutas y verduras. Las predicciones del impacto del cambio climático en los ingresos netos deben reflejar no solo los cambios en los rendimientos por cultivo, sino también el cambio de cultivos.

This paper explores how South American farmers adapt to climate by changing crops. We develop a multinomial logit model of farmer's choice of crops. Estimating the model across 949 farmers in seven countries, we find that both temperature and precipitation affect the crops that South American farmers choose. Farmers choose fruits and vegetables in warmer locations and wheat and potatoes in cooler locations. Farms in wetter locations are more likely to grow rice, fruits, potatoes, and squash and in dryer locations maize and wheat. Global warming will cause South American farmers to switch away from maize, wheat, and potatoes towards squash, fruits and vegetables. Predictions of the impact of climate change on net revenue must reflect not only changes in yields per crop but also crop switching.

Los sistemas de raíces extensamente ramificados pueden capturar eficientemente los recursos del suelo aumentando su superficie de absorción en el suelo. Las raíces laterales son las raíces formadas a partir de células pericíclicas de otras raíces que pueden ser de cualquier tipo. Como consecuencia, las raíces laterales proporcionan una mayor relación superficie/volumen y son importantes para la adquisición de agua y nutrientes. Los descubrimientos de estudios recientes han comenzado a arrojar luz sobre cómo los sistemas de raíces de las plantas responden a los cambios ambientales para mejorar la captura de los recursos del suelo. En esta Mini Revisión, nos enfocaremos principalmente en la distribución espacial de las raíces laterales del maíz y su plasticidad de desarrollo en respuesta a la disponibilidad de agua y nutrientes.

Extensively branched root systems can efficiently capture soil resources by increasing their absorbing surface in soil. Lateral roots are the roots formed from pericycle cells of other roots that can be of any type. As a consequence, lateral roots provide a higher surface to volume ratio and are important for water and nutrients acquisition. Discoveries from recent studies have started to shed light on how plant root systems respond to environmental changes in order to improve capture of soil resources. In this Mini Review, we will mainly focus on the spatial distribution of lateral roots of maize and their developmental plasticity in response to the availability of water and nutrients.

Los cultivos de cereales, específicamente maíz, trigo y arroz, tienen un papel destacado en la alimentación de la población mundial. En el contexto de una población en crecimiento y un aumento potencial de la demanda de alimentos en los próximos años, la producción de cereales es ciertamente necesaria. Al mismo tiempo, la producción de estos cultivos enfrenta varios estreses abióticos y bióticos . Salinidad, un estrés abiótico líder en la agricultura mundial, reduce significativamente el crecimiento, el rendimiento y la producción general de cereales y, si no se gestiona mediante esfuerzos sucesivos, la seguridad alimentaria mundial será incierta en el futuro. Por lo tanto, el empleo de enfoques sostenibles para lograr los objetivos de las demandas de alimentos de una población en aumento necesita una atención enfocada. La integración de métodos agronómicos y biotecnológicos puede gestionar los efectos drásticos inducidos por la salinidad en los cultivos, lo que conduciría a una mayor productividad de los cultivos. En esta revisión, nos enfocamos en el empleo de técnicas de priming de semillas como posibles enfoques de manejo del estrés salino en tres cultivos de cereales principales (maíz, arroz y trigo).

Cereal crops specifically maize, wheat, and rice have a prominent role in feeding the world's population. In the context of a growing population and a potential increase in food demand in coming years, yield output of cereals is certainly necessary. Concurrently, the production of these crops is challenged with several abiotic and biotic stresses. Salinity, a leading abiotic stress in global agriculture, significantly reduce growth, yield and overall production of cereals and if not managed through successive efforts, global food security will be uncertain in the future. Thus, employment of sustainable approaches in achieving the targets of food demands of increasing population needs focused attention. Integration of agronomic and biotechnological methods can manage salinity induced drastic effects on crops which would lead to increased crop productivity. In this review, we focus on employing seed priming techniques as possible salt stress management approaches in three major cereal crops (maize, rice, and wheat).

La escasez de agua es un problema importante que limita la expansión de las áreas verdes y los paisajes. Usar agua de mar como fuente alternativa de agua potable no es una idea novedosa, pero es necesario resolver el problema del estrés salino. La salinidad tiene un impacto negativo en el crecimiento y el valor estético de las plantas ornamentales. Para superar estos desafíos, las semillas de Lathyrus odoratus fueron hidroimprimadas y haloprimadas con silicio (Si) y nanopartículas de silicio (SiNP), y expuestas a niveles de agua de mar. El agua de mar redujo notablemente la germinación de semillas y el crecimiento de Lathyrusplántulas, pero se demostró que el cebado de halo alivia significativamente sus efectos negativos. En términos generales, los SiNP aumentaron el porcentaje de germinación, redujeron los pigmentos fotosintéticos y la disminución de carbohidratos y mejoraron las relaciones hídricas, a pesar de tener un efecto negativo en la velocidad de germinación. El halo-priming incrementó significativamente el contenido de prolina y las actividades de ciertos compuestos enzimáticos (SOD, APX y CAT) y no enzimáticos (fenólicos y flavonoides), que influyeron positivamente en el estrés oxidativo (menor acumulación de MDA y H 2 O 2 ), resultando en plántulas con más tolerancia al estrés salino. El cebado de halo con Si o SiNP mejoró los contenidos de Si y K + , y la relación K + /Na + , asociado con una reducción en Na+ acumulación. En general, el cebado de halo con Si o SiNP aumentó la tolerancia al estrés salino de las plántulas de Lathyrus , lo que se confirmó mediante tratamientos con agua de mar al mejorar el porcentaje de germinación, el crecimiento de las plántulas y la activación de la maquinaria antioxidante, que desintoxica las especies reactivas de oxígeno (ROS).

Water shortage is a major problem limiting the expansion of green areas and landscapes. Using seawater as an alternative source of potable water is not a novel idea, but the issue of salt stress needs to be resolved. Salinity has a negative impact on growth and the aesthetic value of ornamental plants. In order to overcome these challenges, Lathyrus odoratus seeds were hydro-primed and halo-primed with silicon (Si) and silicon nanoparticles (SiNPs), and exposed to seawater levels. Seawater markedly reduced seed germination and growth of Lathyrus seedlings, but halo-priming was shown to significantly alleviate its negative effects. Broadly, SiNPs increased the germination percentage, reduced photosynthetic pigments and carbohydrates decrease, and enhanced water relations, despite having a negative effect on germination speed. Halo-priming significantly increased the proline content and the activities of certain enzymatic (SOD, APX and CAT) and nonenzymatic (phenolic and flavonoids) compounds, that positively influenced oxidative stress (lower MDA and H2O2 accumulation), resulting in seedlings with more salt stress tolerance. Halo-priming with Si or SiNPs enhanced the Si and K+ contents, and K+/Na+ ratio, associated with a reduction in Na+ accumulation. Generally, halo-priming with Si or SiNPs increased Lathyrus seedlings salt stress tolerance, which was confirmed using seawater treatments via improving germination percentage, seedlings growth and activation of the antioxidant machinery, which detoxifies reactive oxygen species (ROS).

El agroecosistema marceño se basa en la agricultura tradicional en las zonas inundables de los planicies aluviales de Tabasco, México. En el sistema marceño, el maíz nativo, llamado “mején”, se cultiva durante la estación seca aprovechando la humedad residual del suelo. En la madurez fisiológica, el mején es tolerante a las inundaciones. Para estimar el área potencial donde se puede implementar el marceño, caracterizamos y delimitamos las áreas donde se practica, utilizando sistemas de información geográfica (SIG), y determinamos las variables bioclimáticas de los sitios donde se encuentran 16 especies de plantas silvestres asociadas al manejo del marceño. También analizamos áreas de agricultura y ganadería en relación con las inundaciones cíclicas. Esta información se utilizó para generar un modelo de probabilidad de ocurrencia marceño a través de MaxEnt, el cual se superpuso a un modelo de elevación (LiDAR) geoprocesado con GIS. El marceño se observó en 203 localidades en ocho municipios de Tabasco (~2% del área del estado), en elevaciones de 1 a 7 m. El área calculada con potencial para la implementación del marceño es de alrededor del 18.4% del área estatal. La implementación de este agroecosistema en un área más amplia podría ser una alternativa para el desarrollo de la agricultura local y una estrategia para la conservación y restauración ecológica de los humedales.

The marceño agroecosystem is based on traditional agriculture in the flooded areas of the alluvial plains of Tabasco, Mexico. In the marceño system, the native maize, called “mején”, is cultivated during the dry season using residual soil moisture. At physiological maturity, mején is tolerant to flooding. To estimate the potential area where marceño may be implemented, we characterized and defined the areas where it is practiced, using geographic information systems (GIS), and determined the bioclimatic variables of the sites where 16 species of wild plants associated with the management of the marceño grow. We also analysed areas of agriculture and livestock in relation to the cyclical floods. This information was used to generate a probability model of marceño occurrence through MaxEnt, which was superimposed on an elevation model (LiDAR) geoprocessed with GIS. The marceño was observed in 203 localities across eight municipalities of Tabasco (~2% of the state area), at elevations of 1–7 m. The calculated area with potential for implementation of the marceño is about 18.4% of the state area. The implementation of this agroecosystem on a wider area might be an alternative for local agriculture development and a strategy for ecological conservation and restoration of wetlands.

La agricultura india es muy vulnerable a los choques climáticos, como inundaciones, sequías y estrés por calor. En este documento, utilizando un enfoque de datos de panel dinámico, hemos evaluado el impacto del déficit de lluvia y el estrés por calor en la productividad agrícola y, posteriormente, evaluamos la efectividad de la diversificación de cultivos para mitigar sus efectos adversos. Los hallazgos muestran que tanto el déficit de lluvia como el estrés por calor dañan la productividad agrícola, y el daño aumenta con el aumento de su severidad. Sin embargo, encontramos la diversificación de cultivos como un importante ex antemedida de adaptación a los choques climáticos y sus beneficios de adaptación son más evidentes contra choques severos y en el largo plazo. Nuestros hallazgos refuerzan el papel dinámico de la diversificación de cultivos en la mejora de la resiliencia de los sistemas de producción agrícola a los choques climáticos.

Indian agriculture is highly vulnerable to climate shocks, such as floods, droughts and heat-stress. In this paper, using a dynamic panel-data approach we have assessed the impact of rainfall-deficit and heat-stress on agricultural productivity, and subsequently evaluated effectiveness of crop diversification in mitigating their adverse effects. The findings show that both rainfall-deficit and heat-stress damage agricultural productivity, and the damage increases with increase in their severity. Nevertheless, we find crop diversification as an important ex ante adaptation measure to climatic shocks and its adaptation benefits are more apparent against severe shocks and in the long-run. Our findings reinforce the dynamic role of crop diversification in improving resilience of agricultural production systems to climatic shocks.

El maíz de cajete es un grupo de variedades tradicionales, combinadas con una técnica de cultivo específica, que se ha utilizado en la región de la Mixteca Alta de Oaxaca, desde tiempos prehispánicos. Ha sido fundamental para el desarrollo agrícola y cultural de la región durante milenios. El maíz cajete se siembra antes del inicio de la temporada de lluvias. Al plantarlo en profundidad, aprovecha la humedad residual. Este trabajo busca analizar la historia de la agricultura del maíz cajete, así como sus cambios e innovaciones. Se realizó una exhaustiva revisión bibliográfica, se desarrolló un trabajo etnográfico, se analizaron los cambios y las perspectivas del maíz cajete. Las innovaciones recientes incluyen el cambio de las fechas de siembra y el uso de una pala en lugar de una coa (palo de excavación) en forma de media luna. Las principales ventajas del maíz cajete sobre el maíz de temporada son una mayor resistencia a la sequía y mayores rendimientos. La siembra de cajete es una actividad que fortalece los lazos comunitarios, porque es realizada por grupos de agricultores, basados en mecanismos de reciprocidad familiar y comunal, en los que las mujeres también juegan un papel importante. La persistencia del maíz cajete está asociada a su adaptación a la variabilidad de las precipitaciones y al hecho de que forma parte del patrimonio cultural de las comunidades mixtecas.

Cajete maize is a group of traditional varieties, combined with a specific cultivation technique, which has been used in the Mixteca Alta region of Oaxaca, since pre-Hispanic times. It has been fundamental for the agricultural and cultural development of the region for millennia. Cajete maize is planted before the start of the rainy season. By planting it deep, it takes advantage of residual humidity. This paper seeks to analyze the history of cajete maize agriculture, as well as its changes and innovations. An exhaustive literature review was carried out, ethnographic work was developed, and changes and the prospects of cajete maize were analyzed. Recent innovations include the change of sowing dates and the use of a shovel instead of a half-moon shaped coa (digging stick). The main advantages of cajete maize over seasonal maize are more resistance to drought and higher yields. Cajete sowing is an activity that strengthens community ties, because it is performed by groups of farmers, based on family and communal reciprocity mechanisms, in which women also play an important role. The persistence of cajete maize is associated with its adaptation to rainfall variability and to the fact that it is part of Mixtec communities’ cultural heritage.

Los bioestimulantes son herramientas agronómicas que han ido ganando importancia en la reducción de aplicaciones de fertilizantes. Pueden mejorar el rendimiento de los sistemas de cultivo o prevenir pérdidas de rendimiento de cultivos bajo estrés abiótico. Los bioestimulantes pueden estar compuestos de materiales orgánicos e inorgánicos y la mayoría de los componentes aún se desconocen. La caracterización del mecanismo de acción molecular de los bioestimulantes se puede obtener utilizando el enfoque ómico, que incluye la determinación de los cambios transcriptómicos, proteómicos y metabolómicos en las plantas tratadas. Esta revisión reporta una visión general de los bioestimulantes, haciendo un balance de los estudios moleculares recientes que están contribuyendo a esclarecer sus mecanismos de acción. Los estudios ómicos pueden proporcionar una evaluación general de la respuesta de un cultivo, conectando los cambios moleculares con las vías fisiológicas activadas y el rendimiento con o sin condiciones de estrés. Las múltiples respuestas de las plantas tratadas con bioestimulantes deben correlacionarse con los cambios fenotípicos. En este contexto, también es crucial diseñar un plan experimental adecuado y análisis de datos estadísticos, para encontrar correlaciones robustas entre los tratamientos bioestimulantes y el rendimiento del cultivo.

Biostimulants are agronomic tools that have been gaining importance in the reduction of fertilizer applications. They can improve the yield of cropping systems or preventing crop yield losses under abiotic stresses. Biostimulants can be composed of organic and inorganic materials and most of the components are still unknown. The characterization of the molecular mechanism of action of biostimulants can be obtained using the omics approach, which includes the determination of transcriptomic, proteomic, and metabolomic changes in treated plants. This review reports an overview of the biostimulants, taking stock on the recent molecular studies that are contributing to clarify their action mechanisms. The omics studies can provide an overall evaluation of a crop’s response, connecting the molecular changes with the physiological pathways activated and the performance with or without stress conditions. The multiple responses of plants treated with biostimulants must be correlated with the phenotype changes. In this context, it is also crucial to design an adequate experimental plan and statistical data analysis, in order to find robust correlations between biostimulant treatments and crop performance.

Aunque muchas poblaciones indígenas y campesinas están particularmente expuestas a los impactos del cambio climático y son vulnerables, algunas comunidades están activamente respondiendo al clima cambiante y han demostrado innovación y resiliencia, utilizando una diversidad de estrategias para enfrentar las sequías, inundaciones, huracanes, etc. En este artículo argumentamos que los sistemas agrícolas tradicionales ofrecen una amplia gama de opciones y diseños de manejo que incrementan la biodiversidad funcional en los campos de cultivo, y por consiguiente, refuerzan la resiliencia de los agroecosistemas. Muchas de las estrategias agroecológicas tradicionales que reducen la vulnerabilidad a la variabilidad climática incluyen la diversificación de cultivos, el mantenimiento de la diversidad genética local, la integración animal, la adición de materia orgánica al suelo, la cosecha de agua, etc. Varios agroecólogos han descifrado los principios agroecológicos que subyacen a estas estrategias, los cuales se pueden modificar tomando diferentes formas tecnológicas (de acuerdo al tamaño de las fincas) para diseñar sistemas agrícolas modernos que se tornen cada vez más resilientes a los extremos climáticos

Although many indigenous and peasant populations are particularly exposed to the impacts of climate change and are vulnerable, many communities are actively responding to the changing climate and have demonstrated innovation and resilience, using a variety of strategies to deal with droughts, floods, hurricanes, etc. In this article we argue that traditional agricultural systems offer a wide range of options and management designs that increase the functional biodiversity in the crop fields, and therefore, reinforce the resilience of agroecosystems. Many of the traditional agroecological strategies that reduce vulnerability to climatic variability includes the diversification of crops, the maintenance of local genetic diversity, animal integration, the addition of organic matter to the soil, the harvesting of water, etc. Many agroecologists have deciphered the agroecological principles that underlie these strategies and that can be modified taking different technological forms (according to the size of the farms) to design modern agricultural systems so that they become increasingly resilient to the climatic extremes