Cómo el monocultivo puede causar autotoxicidad y fatiga del suelo: riesgos, control y beneficios para la agricultura

Cuando cultivamos el mismo cultivo durante mucho tiempo en el mismo suelo, su propio ADN se acumula en el suelo, provocando autotoxicidad y la fatiga o cansancio del suelo. 

Un hallazgo reciente atribuye al ADN una nueva función especialmente vinculada a la coexistencia de especies vegetales en la naturaleza. Este descubrimiento implica varias consecuencias prácticas para la agricultura.

Para simplificar, cuando las partes de una planta caen al suelo y se descomponen, liberan el ADN de esa especie en el suelo. Este ADN, cuando es abundante, ejerce un efecto inhibidor específico sobre los individuos de la misma especie. En otras palabras, las plantas de la misma especie luchan por crecer en ese suelo.

También se ha comprobado el efecto inhibidor del ADN (propio) en otros organismos, como bacterias, hongos, protozoos, algas e insectos, lo que sugiere que se trata de un fenómeno biológico general, probablemente muy válido incluso para los seres humanos.

Esta es la teoría de la auto-toxicidad, donde el self-DNA fragmentado (p.ej., el ADN de congéneres), produce efectos inhibidores específicos de la especie en las plantas.

Este mecanismo está en la base del cansancio del suelo, un fenómeno negativo para la agricultura, casi invisible, pero a la vez uno de los más importantes porque puede perjudicar gravemente el desarrollo y la rentabilidad de un cultivo

Todavía se están investigando los mecanismos exactos de la autotoxicidad: cuando una planta entra en contacto con su propio ADN, puede percibirlo como una amenaza y desencadenar una respuesta que puede inhibir el crecimiento y el desarrollo. Sin embargo, las moléculas específicas y las vías de señalización implicadas no se conocen del todo. 

 La autotoxicidad y sus consecuencias negativas se hacen especialmente evidentes cuando se cultiva el mismo cultivo durante mucho tiempo en el mismo suelo, es decir, cuando se practica el monocultivo. Estas consecuencias, por supuesto, varían en función de varios factores como:

• el tipo de suelo,
• la actividad microbiana, 
• las especies vegetales, 
• el tamaño de los fragmentos de ADN.

Existe una fuerte acumulación de ADN congénere (de la misma especie) con alcances diferentes, un desequilibrio en el sistema suelo-planta y el consiguiente descenso de la producción; las plantas están más débiles y son más susceptibles a las enfermedades.

Los nuevos descubrimientos también conducen a nuevas soluciones prácticas: al aplicar la teoría del ADN propio de la agricultura al mundo del biocontrol, se puede utilizar el ADN de una especie parásita o patógena, como las malas hierbas, para inhibir su propio desarrollo.

Representación conceptual del uso del ADN propio para el control biológico y ejemplos de posibles aplicaciones prácticas (Fuente: Phytochemistry Reviews)

Cómo prevenir la autotoxicidad de las plantas

En la agricultura, existen diferentes formas de prevenir la autotoxicidad y evitar que disminuya la producción de los cultivos, es decir, prácticas agrícolas sostenibles incluyendo:

• rotación de cultivos,
• utilizar variedades resistentes,
• siembra directa,
• cultivos intercalados,
• agricultura de precisión,
• aplicar enmiendas orgánicas. 

Todas estas contramedidas ayudan a mitigar el cansancio del suelo sin depender únicamente de soluciones basadas en la autotoxicidad.

La autotoxicidad contribuye de forma considerable a la fatiga del suelo. No obstante, también influyen otros factores como el agotamiento de nutrientes, el desequilibrio microbiano y la alelopatía (cuando un organismo produce sustancias bioquímicas que afectan al crecimiento, la supervivencia y la reproducción de otros organismos). Por lo tanto, para abordar la fatiga del suelo necesitamos un enfoque más holístico, que tenga en cuenta diversos insumos y prácticas y los adapte a nuestro contexto agrícola específico.

• Las enmiendas de materia orgánica como el estiércol compostado, los cultivos de cobertura y otros materiales orgánicos reponen nutrientes y añaden microbios beneficiosos, mejorando la estructura del suelo y la actividad microbiana.
• En caso de que existan deficiencias de nutrientes específicos, los fertilizantes minerales pueden ayudar a restablecer los elementos necesarios para el crecimiento de las plantas.
• Los bioestimulantes, como los ácidos húmicos, los extractos de algas y otros compuestos naturales, pueden estimular el crecimiento y la resistencia de las plantas, haciéndolas más tolerantes a factores de estrés como el cansancio del suelo.
• Los inoculantes microbianos de cepas específicas de bacterias u hongos pueden mejorar las comunidades microbianas del suelo, favoreciendo el ciclo de los nutrientes y mejorando la salud de las plantas. Hacer frente al cansancio del suelo mediante microorganismos es un planteamiento a largo plazo que requiere una planificación y un seguimiento minucioso. Aunque no ofrezca una solución rápida, puede contribuir a construir un ecosistema de suelo productivo más resistente y mucho más sano a largo plazo.

El descubrimiento de la autotoxicidad hace avanzar considerablemente nuestra comprensión de la biología vegetal. Puede revolucionar la forma en que cultivamos y mantenemos las plagas bajo control. Sin embargo, es importante recordar que la investigación en este campo sigue su curso y que aún se siguen explorando las aplicaciones prácticas.

Referencias

La autotoxicidad como mecanismo de fatiga del suelo:

• Titelbach, I., & Schleunert, N. (2017). Suppressive soil microbiota: a reservoir of plant biodiversity? Environmental Microbiology, 19(8), 3208-3216. (Explores the role of plant-derived DNA in shaping soil microbial communities)
• Hodge, A., & Fitter, A. H. (1980). Microbial inhibition of seed germination in soil: mechanisms and factors involved. The New Phytologist, 85(1), 389-403. (Early research on microbial responses to plant DNA)
• Manning, K. G., & Kloepper, J. W. (1994). Soil-borne microbial communities and the plant: friend or foe? Annual Review of Phytopathology, 32(1), 389-415. (Provides a broader context for plant-microbe interactions in soil)
• Stefanie Reim, Christin Siewert, Traud Winkelmann, Thomas Wöhner, Magda-Viola Hanke, Henryk Flachowsky, Evaluation of Malus genetic resources for tolerance to apple replant disease (ARD), Scientia Horticulturae, volume 256, 2019, 108517, ISSN 0304-4238, https://doi.org/10.1016/j.scienta.2019.05.044. 

Posibles aplicaciones del ADN en el biocontrol

• Zhang, W., & Li, X. (2012). DNA-based techniques in environmental monitoring and pollution control. International Journal of Molecular Sciences, 13(7), 8001-8024. (Reviews various applications of DNA for environmental monitoring, including potential for biocontrol)
• Cheng, W., Li, Q., Li, X., & Wang, F. (2016). Using extracellular DNA (eDNA) to track environmental microbial communities: challenges and opportunities. Applied Microbiology and Biotechnology, 100(7), 2953-2961. (Discusses the use of eDNA for identifying and analyzing soil microbial communities)
• Weller, D. M., & Raffel, C. (2002). Bacterial biocontrol agents of plant diseases. Plant Soil, 247(1-2), 237-260. (Offers an overview of established biocontrol methods using bacteria, with potential connections to DNA-based approaches)

Prácticas agrícolas sostenibles para mitigar la fatiga del suelo

• FAO. (2015). The role of soil organic matter in agricultural sustainability. Food and Agriculture Organization of the United Nations. (Comprehensive report on the importance of soil organic matter for healthy, productive agriculture)
• Montgomery, D. R. (2017). Drawdown: the most comprehensive plan ever proposed to reverse global warming. WW Norton & Company. (Advocates for regenerative agriculture practices, including cover cropping and reduced tillage, to improve soil health and combat climate change)
• Lal, R. (2015). Restoring soil health: benefits and challenges. Journal of Soil and Water Conservation, 70(3), 59A-64A. (Highlights the long-term benefits and challenges of soil health restoration strategies)