Agricultura
Avanzando la Agricultura con IA y Ingeniería Genética – El Futuro del Cultivo
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Creando Nuevos Cultivos Alimentarios
Since the dawn of agriculture, mankind has turned wild weeds into domesticated crops, which have higher nutritional content, better taste, are easier to harvest, and have larger seeds.
Sin embargo, la mejora moderna de los cultivos alimentarios ha resultado en una selección de rasgos como una respuesta más fuerte a fertilizantes, pesticidas y riego, lo que genera variedades más frágiles que dependen de sistemas agrícolas de alto insumo.
El cambio climático, la erosión del suelo, las especies invasoras y las malezas han creado una fuerte presión sobre estos cultivos sobreseleccionados.
Este proceso de domesticación también era lento y “a ciegas”, con rasgos nuevos descubiertos y seleccionados aleatoriamente durante décadas, si no siglos.
La mayoría de los cultivos del mundo provienen de un puñado de “eventos de domesticación” en unas pocas regiones, dejando mucho por domesticar.
Por ahora, los nuevos procedimientos de selección y mejora de cultivos por parte de empresas agrícolas se han centrado en añadir rasgos como resistencia al estrés hídrico o resistencia a plagas y enfermedades a los cultivos modernos, con resultados mixtos.
El principal problema es que muchos de estos rasgos deseables identificados en especies silvestres son multigénicos, creados por muchos genes, a menudo decenas o incluso cientos, lo que hace que la modificación genética de los cultivos cultivados sea casi imposible.
Una opción emergente se llama “domesticación de novo”. La idea es que, en lugar de tomar cultivos modernos de alto rendimiento e intentar hacerlos tan resistentes como las malezas silvestres, ¿por qué no tomar malezas silvestres ya resistentes y volverlas tan productivas como los cultivos modernos?
Nuevos Cultivos y Nuevos Problemas
Creando Nuevas Fuentes Alimentarias
Los rasgos deseables en una variedad de cultivo cultivado tienden a ser menos complejos, a menudo determinados por uno o unos pocos genes. Además, estas características genéticas generalmente se comprenden bien.
Por lo tanto, el enfoque de domesticación de novo tiene el potencial de producir nuevos tipos de cultivos que podrían mostrar resistencia a cambios ambientales y un rendimiento y características suficientemente buenos como alimento.
Especialmente cuando se consideran nuevas herramientas como CRISPR, que permiten una edición genética muy específica y controlada, incluyendo la adición y eliminación de un gen, o la edición de bases específicas de un gen existente. Dado que CRISPR está siendo aprobado ahora para terapias génicas en humanos, es probable que el marco legal para cultivos editados con CRISPR se abra en muchos países.
Los detalles técnicos de cómo podría hacerse se pueden encontrar en publicaciones científicas, por ejemplo, “Future-Proofing Agriculture: De Novo Domestication for Sustainable and Resilient Crops“.
Perdiéndose en las Malezas
Un problema que surge al convertir malezas en cultivos alimentarios es que, obviamente, los nuevos cultivos serán muy similares a las malezas. En el artículo “De novo domestication: what about the weeds?“, investigadores de la Universidad de Copenhague analizaron esta cuestión.
En él, admiten que el enfoque tradicional de los OGM para el manejo de malezas (resistencia a herbicidas) es insostenible y causa demasiada contaminación.
En su lugar, proponen que la tecnología robótica de desmalezado podría potenciarse mediante la ingeniería genética para crear un sistema de manejo de malezas mucho más respetuoso con el medio ambiente.
Cuando la Robótica Avanzada se Encuentra con la Edición Génica Avanzada
Robots Desmalezando Campos
Los cultivos de novo (y potencialmente, también las variedades de cultivos existentes modificadas) podrían ser alterados para facilitar su identificación por parte de los robots desmalezadores.
Esto podría ser una ventaja para los robots agrícolas, un tema que discutimos en nuestro artículo “Investors Should Take Note: Robotics Is Taking Over Farming“, donde presentamos una variedad de robots desmalezadores:
- Ecorobotix robot combina visión artificial con pulverización de precisión para reducir hasta un 95 % el volumen de pesticida y herbicida usado.
- Naio Technologies tiene como objetivo eliminar por completo los herbicidas del campo, con un robot autónomo de 5 toneladas que recorre el campo y corta o arranca las malezas con pequeñas cuchillas. Utiliza LIDAR, guía GPS y visión artificial para conducirse solo y distinguir cultivos de malezas, sin necesidad de supervisión.
- Blue River Technology, socio del gigante de equipos agrícolas John Deere. Utiliza aprendizaje automático y visión artificial para identificar cada planta en el campo. Así, el robot puede eliminar la maleza pero también adelgazar los cultivos, como la lechuga, aumentando el rendimiento total sin intervención humana.
Visión Inteligente
Este último uso de visión artificial por Blue River es una tendencia creciente entre las empresas de robótica agrícola, con otras siguiendo la misma estrategia, como Vision Robotics, Ekobot, Carbon Robotics y Aigro.
En general, aprovechan los avances realizados en IA que también se utilizan para coches autónomos, robots de entrega, etc.
El problema es que incluso los humanos pueden tener dificultades para distinguir algunas malezas de los cultivos. Por lo tanto, incluso con el aprendizaje automático y redes neuronales más avanzados, la identificación visual simple puede tener problemas para reconocer correctamente el objetivo.
Este problema será aún más serio para las estrategias de domesticación de novo, con malezas modificadas que se ven muy similares a las malezas silvestres originales, incluso más que los cultivos convencionales.
En teoría, estos problemas podrían resolverse desarrollando algoritmos más eficientes o potentes. Sin embargo, aún no se sabe si esto es realmente factible. Las modificaciones genéticas podrían ser la solución.
Etiquetado de Cultivos De Novo
A diferencia del ojo humano, la visión artificial puede analizar fácilmente una amplia gama del espectro electromagnético, abarcando el visible (380–780 nm), el infrarrojo cercano (780–2500 nm), el infrarrojo medio (2500–25 000 nm) y el infrarrojo lejano (25 000–300 000 nm).
Cuando se combinan, se conoce como visión “hiperespectral”. Esta ya es una tecnología utilizada para analizar cultivos, usando imágenes hiperespectrales de drones o satélites para detectar problemas como estrés hídrico, plagas y enfermedades, calidad del suelo, etc.
Fuente: Imechyperspectral
Los nuevos cultivos y plantas editadas genéticamente podrían ser diseñados para tener un perfil hiperespectral diferente al de sus parientes silvestres. Esta diferencia podría ser utilizada por los robots para decidir instantáneamente cuál es la maleza y cuál el cultivo deseado.
La ingeniería genética también podría usarse para modificar la forma de las hojas, haciendo que los cultivos domesticados de novo sean aún más fáciles de identificar.
Fuente: Cell
La ventaja de este enfoque es que un cambio en el perfil hiperespectral es poco probable que altere la adaptabilidad ambiental de la planta. Por lo tanto, es un cambio que probablemente no sea detectable de manera significativa, excepto por los robots desmalezadores.
Por último, los cambios en los perfiles hiperespectrales pueden lograrse con modificaciones de un solo gen, y ya se realizan rutinariamente en laboratorios de biología vegetal, por lo que no requieren nuevos avances tecnológicos: los investigadores daneses enumeran no menos de 17 modificaciones genéticas conocidas que logran los resultados deseados.
¿El Mejor Enfoque?
La bioingeniería de cultivos ha sido un tema de debate durante muchos años. El uso más común de esta tecnología, añadir rasgos de resistencia a herbicidas, no ha ayudado a que la práctica sea más popular, ya que se ha vinculado al aumento del uso de herbicidas, incluido el potencial cancerígeno RoundUp.
Al mismo tiempo, prácticamente todos los cultivos cultivados están genéticamente muy modificados respecto a sus ancestros silvestres; la única diferencia es que estas variaciones se lograron mediante mutaciones aleatorias en lugar de dirigidas.
Un problema observado con los OGM resistentes a herbicidas ha sido la propagación de malezas resistentes a herbicidas. Problemas similares podrían surgir con cultivos modificados para su perfil hiperespectral.
Esto, sin embargo, no debería distraer de la promesa de la domesticación de novo.
Este enfoque podría crear nuevos cultivos alimentarios más resistentes a la sequía, la salinización, olas de calor, enfermedades y plagas.
Incluso podría permitirnos crear nuevos cultivos básicos (como el trigo y el arroz) que no sean anuales sino perennes, que se regeneren cada año, capturen carbono y limiten la erosión del suelo, como por ejemplo African wild rice o el nuevo híbrido perenne de grano Kernza®.
Fuente: Frontiers
Empresas Innovadoras en Agricultura
1. Deere & Company
DE Gráfico de precios
Esta empresa cotizada es conocida por su maquinaria agrícola tradicional. También es líder en los equipos agrícolas más avanzados, desplegando tecnologías como IA, IoT, robots, aprendizaje automático, big data, etc., para tomar decisiones basadas en datos.
Fuente: Deere
Como se mencionó anteriormente, Deere también se asocia con startups como Blue River Technology, utilizando visión artificial para identificar cada planta en el campo.
Por lo tanto, es probable que los tractores/robots autónomos y la visión artificial, quizás aplicados a cultivos domesticados de novo, sean el futuro de John Deere, integrando sin problemas estas tecnologías en imágenes satelitales y otras soluciones impulsadas por IA.
3. Bayer Crop Science (BAYRY)
Bayer Crop Sciences, parte de Bayer Global (también una compañía farmacéutica), se centra en innovaciones relacionadas con semillas, rasgos y protección de cultivos.
Las innovaciones de Bayer han ayudado a sus científicos de biotecnología a realizar mejoras dirigidas dentro del ADN de las plantas.
Desde su fusión con Monsanto, también es líder en cultivos OGM y manejo de malezas. Esta fusión trajo el problema de costosos litigios por RoundUp, lo que provocó que el valor de la acción de la compañía se desplomara en los años posteriores a la fusión.
Controla la mayor parte del mercado tradicional de semillas OGM y también está trabajando en el uso de CRISPR para la próxima generación de semillas de maíz, soja, trigo, etc.
Los beneficios de la protección de cultivos, según Bayer, son enormes. El mecanismo de protección de cultivos salvaguarda alrededor del 30 % de los rendimientos agrícolas a nivel mundial, equivalente a 550 millones de toneladas de alimentos que podrían alimentar a más de 2 mil millones de personas.
Fuente: Bayer
Bayer está pasando de los OGM tradicionales a través de una asociación con Gingko Bioworks (DNA), una de las mayores compañías de biología sintética. La asociación se centra en desarrollar alternativas biológicas a los fertilizantes químicos mediante la edición genética de microorganismos.
Es líder en variedad de semillas y edición genética en plantas, con más de 500 nuevas variedades de cultivos en su cartera (y 250 nuevos registros de cultivos en 2022).
La compañía también es líder en la integración de tecnología en la agricultura. Por ejemplo, Bayer firmó una asociación con Microsoft (MSFT ) para combinar el sistema de gestión de datos Azur del gigante tecnológico con la experiencia de Bayer en el uso de datos de satélites, sensores de campo, drones, equipos de campo y sensores de suelo para crear granjas verdaderamente modernas y conectadas.
Fuente: Bayer
Gracias a su liderazgo en OGM (tanto tradicionales como de edición génica avanzada), la selección de variedades de plantas y la integración de big data en la agricultura, Bayer sería un candidato natural para acompañar el proceso de creación de cultivos domesticados de novo, así como la detección hiperespectral de malezas por robots agrícolas.
