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I. Introducción

El algodón (Gossypium hirsutum) es una planta perenne de distribución cosmopolita que, generalmente, es cultivado por los agricultores como una planta anual (1). El cultivo enfrenta serias limitantes sanitarias que ocasionan pérdidas de rendimiento y producción. En Sudamérica, las principales limitantes sanitarias son el picudo del algodonero Anthonomus grandis y el gusano cogollero Spodoptera frugiperda (2). Hasta inicios de los noventa, el desarrollo económico de colombia estuvo íntimamente ligado al sector agrícola, como principal fuente de divisas, y el cultivo del algodón era una de las principales actividades generadoras de riqueza y empleo rural (3). Los inadecuados manejos fitosanitarios ocasionaron incrementos considerables en la presencia de las poblaciones de A. grandis y S. frugiperda; estas plagas son uno de los factores responsables en la reducción de la superficie sembrada de algodón en el país en las últimas décadas. El picudo es la plaga más virulenta del país, se considera un evento de endemia en las regiones productoras (4-6). La región caribe colombiana es una de las más afectadas, con la presencia de la plaga tanto en la parte seca (departamentos de la Guajira, magdalena, Atlántico, bolívar norte y centro, cesar y Sucre) como en sus zonas húmedas (departamentos de córdoba, bolívar sur y cesar) (2).

El departamento de córdoba es el primer productor de algodón a nivel nacional; el 19 % de su territorio es apto para las actividades agrícolas, del cual los cultivos transitorios ocupan el 79.6 %, distribuidos en maíz, arroz y algodón (7). El cultivo de algodón ocupa aproximadamente 30.000 ha y es responsable de la generación de un significativo número de empleos directos e indirectos. El Valle del Sinú es la zona productora de algodón en córdoba; se encuentra bajo la influencia de la zona de convergencia intertropical, que define dos temporadas de lluvia durante el año. Los agricultores prefieren el establecimiento de los cultivos de algodón durante el segundo período de lluvias, comprendido entre los meses de septiembre y octubre (8). El Valle del Sinú se caracteriza por presentar precipitaciones entre los 1000 y los 2000 mm y temperaturas iguales o superiores a los 28 ºc. La cuenca del Sinú y sus afluentes es de especial relevancia para el territorio, y, en consideración a la fertilidad de sus suelos, de gran importancia económica, especialmente, para la cadena del algodón (9).

El desarrollo de cultivos transgénicos, específicamente la inserción de los genes cry provenientes de Bacillus thuringiensis para el control de lepidópteros, coleópteros y otras plagas (10), es una de las estrategias más efectivas en el control de plaga tanto en el aspecto económico como ambiental (Tabla I). La inserción del gen cry en el genoma de la planta permite la producción de una proteína cristalina inocua para la planta, pero tóxica para los insectos. Este efecto provoca una reducción en la población de los insectos capaces de atacar esta planta, y, en consecuencia, una disminución del número de aplicaciones de insecticidas para su control y de los costos de producción e incremen- tos en el rendimiento (11). Los genes cry insertados en el algodón permiten el control de lepidópteros y, junto con los genes de tolerancia a herbicidas, son las principales características de los variedades de algodón transgénicas comerciales (12).

Ninguna de las variedades transgénicas comerciales con- tiene genes de resistencia a A. grandis o S. frugiperda. Sin embargo, varias proteínas cry exhiben actividad biológica contra estas plagas (Tabla I) y al menos una de ellas, la proteína cry1Ia12, ha sido insertada en plantas de algodón, confiriendo resistencia parcial a estas plagas (11, 13).

En este contexto, es necesario considerar alternativas técnicas y económicas que permitan disminuir las pérdidas y los crecientes costos de producción asociados al manejo de plagas, y permitir en el largo plazo la viabilidad de este cultivo. Una de las opciones técnicas por considerar es el desarrollo e incorporación en el sistema productivo de cultivares transgénicos con resistencia a A. grandis y S. frugiperda, las plagas más limitantes del cultivo. en este momento el control químico es la única opción disponible, llegando con frecuencia a ser necesario emplear hasta 15 aplicaciones por ciclo de cultivo. Además de los costos económicos, el uso masivo de insecticidas requerido para controlar la plaga tiene un enorme impacto ambiental en la región y en la salud de los trabajadores rurales dedicados a este cultivo.

Sin embargo, el desarrollo de cultivares transgéni- cos para control de A. grandis y S. frugiperda se encuentra en diferentes niveles de avance, y las proteínas transgénicas evaluadas experimental- mente ofrecen únicamente resistencia parcial a estas plagas (Tabla I). el propósito de este estudio es estimar el efecto en el sistema productivo del algodón en el Valle del Sinú, de la incorporación de materiales transgénicos de algodón expresando proteínas cry con efecto tóxico sobre A. grandis y S. frugiperda. Para alcanzar este propósito, fueron planteados los siguientes objetivos específicos: 1) desarrollar escenarios de desarrollo tecnológico para la generación de cultivares transgénicos de algodón conteniendo proteínas transgénicas activas contra Anthonomus grandis y Spodoptera frugiperda, con base en la evidencia experimental disponible, especialmente la relacionada con las toxinas cry; y, 2) estimar el impacto en la estructura de costos de producción de la incorporación de estos nuevos materiales transgénicos.

En este enfoque, fueron propuestos cuatro escenarios de desarrollo tecnológico en los que se describen cultivares transgénicos que contienen proteínas cry con diferentes niveles de control sobre A. grandis y S. frugiperda.

II. Materiales y métodos

A. Consolidación de información en taller con productores

La estructura de costos que se presenta en la Tabla II fue elaborada a partir de la información provista en encuestas sobre el sistema productivo de algodón desarrollado en el caribe colombiano. Fueron entrevistados 45 agricultores ubicados en los municipios de Valencia, cereté, San Pelayo, cotorra, lorica, los Palmitos, codazzi, bosconia, la Paz, Aguachica, San Juan y Villanueva. La estructura de costos obtenida inicialmente fue validada en un taller desarrollado con 20 agricultores a mediados del 2016, en el municipio de cereté –centro de Investigación corpoica-Turipaná–. El consenso de estos agricultores permitió estimar la estructura tipo de los costos de producción basada en la optimización de las labores y la obtención de los mayores rendimientos posibles.

B. Diseño y análisis de escenarios

Los escenarios para la evaluación de daño por plagas (A. grandis y S. frugiperda) en el cultivo de algodón se diseñaron teniendo como base principal el máximo daño que pueden llegar a ocasionar las plagas en el cultivo. Basado en el número de aplicaciones de cada plaga, la proporción de daño provocado por A. grandis es al menos 6 veces mayor que el ocasionado por S. frugiperda. Tal relación se ha mantenido constante para todos los escenarios, con el control de A. grandis como el objeto principal de análisis. En los escenarios se ha asumido un rendimiento fijo de 2 t fibra ha-1, que es el máximo rendimiento alcanzado en la región, y como cultivar-tipo, una variedad transgénica con genes de resistencia a lepidópteros (variaciones de cry1 y cry2) y de tolerancia a herbicidas.

En el Valle del Sinú, el no control del picudo durante una temporada de siembra estándar lleva a pérdida total de la productividad, lo que obliga a los agricultores a hacer aplicaciones semanales de insecticidas. Datos de campo revelan una acumulación lineal de individuos de picudo una vez que la producción de botones ha comenzado; bajo esta consideración, se utilizó una relación lineal entre las aplicaciones de insecticidas, la mortalidad y el nivel daño (Tabla III). Tal relación se extrapoló al efecto de las proteínas cry, aunque su carácter residual provoca mayor número de muertes en las generaciones posteriores. Los escenarios dos a cuatro se crearon con base en la información reportada para expresión in-planta de la proteína cry1Ia12, una mortalidad del 60 % para A. grandis y del 40 % para S. frugiperda. los escenarios se describen a continuación y en la Tabla III.

1) Escenario 1. este escenario representa la situación actual del cultivo, en la cual, sin aplicación de insecticidas (5), el tamaño posible de la población de A. grandis alcanza el máximo, provocando pérdida total del cultivo. Su control requiere por lo menos 10 aplicaciones de insecticidas durante el ciclo total del cultivo para el manejo de A. grandis, y dos aplicaciones para S. frugiperda. Algunos agricultores reportan haber llegado a usar entre 15 y 20 aplicaciones para control de A. grandis. Las proteínas transgénicas disponibles en el mercado no tienen efecto alguno sobre A. grandis, y un efecto parcial sobre S. frugiperda, limitándose al control de otros lepidópteros (14-18).

2) Escenario 2. en este se logra realizar un control significativo del daño generado por las plagas men- cionadas, gracias a la inserción del gen cry1Ia12, provocando mortalidad y efectos detrimentales en las larvas de S. frugiperda y A. grandis (11). esta proteína ha sido evaluada in planta sin que se cuente con datos experimentales en pruebas de campo abierto.

3) Escenario 3. este escenario considera que un incremento en la resistencia parcial a estas plagas requiere fundamentalmente la inserción en la plan- ta de una de estas tres proteínas: cry1Ia, cry1ba6 y Cry8Ka. Estas manifiestan tener una composición similar al contener el gen cry y una alta toxicidad en las plagas objeto de estudio, cuando fueron usa- das como proteínas de origen bacteriano (19-24). esta nueva generación de transgénicos resistentes al picudo contendría apiladas dos proteínas cry.

4) Escenario 4. el último escenario hipotético considera un desarrollo tecnológico sin ninguna evi- dencia experimental disponible para A. grandis. en este escenario, el daño causado por el picudo (A. grandis) es reducido en su totalidad, y el del gusano cogollero (S. frugiperda) en una cuarta parte, aproximadamente. Esto significa un uso mínimo de insecticidas y el más bajo costo posible de manejo de plagas (Tabla I). este escenario solo es posible creando una proteína sintética de alta especificidad para A. grandis y con suficiente efecto tóxico contra la población de S. frugiperda (25–27).

Una variante de la proteína Cry2A fue modifica- da sintéticamente para incrementar su actividad entomocida (26); se denomina cry2Aa (D42/K63F/ K64P) y fue obtenida por eliminación de 42 residuos de aminoácidos del extremo N-terminal del péptido seguido por el reemplazo de residuos lys por aminoácidos no polares en la región putativa transmembranal, incluyendo la introducción de Pro. Estos cambios incrementan la toxicidad de la proteína de 4.1 a 6.6 veces contra tres lepidópteros plagas. cry2Aa (D42/K63F/K64P) representa una nueva generación de proteínas transgénicas modificadas sintéticamente con alta actividad tóxica específica, lo que permite que, aunque sea expresada en bajos niveles dentro de la planta, estos sean efectivos para el control del insecto objetivo. La incorporación de esta proteína en plantas de tabaco otorga resistencia completa contra Spodoptera littoralis y niveles significativos de resistencia a Helicoverpa almigera, para los cuales la proteína original cry2A no tiene efecto alguno (27).

IV. Resultados y discusión

A. Costos de producción para el cultivo del algodón

La tecnología comercializada por monsanto como bollgard II® en el caso del Valle del Sinú tiene un valor por kg de semilla de $49 000 coP. Estas semillas transgénicas tienen un costo por hectárea de $735 000 coP, mientras que en sus contrapartes convencionales es de $225 000 coP, una diferencia de $510 000 coP por hectárea. las aplicaciones de agroquímicos representan el 47 % del total de los costos por hectárea, con $2 565 900 coP.

Dentro de las plagas que afectan el cultivo del algodón y que son controladas por insecticidas, el picudo del algodonero es la más importante; su control representa el mayor valor entre los insecticidas usados, con un valor de $503 400 coP del total del costo de insecticidas, que en este caso son $869 400 coP. Los fertilizantes, por su parte, son el segundo mayor rubro con participación en los costos de insumos, por detrás de los insecticidas, con $550 000 coP. el fertilizante urea representa el 64 % del total de los costos de fertilizantes, con $350 000 coP; seguido del control de malezas, con $427 000 coP, y de enfermedades, con $214 500 coP (Tabla II).

Los altos costos totales en que se incurre en el cultivo de algodón están influenciados, principalmen- te, por el incremento en el uso de insumos para el control de plagas, enfermedades y malezas, siendo esta una de las razones por la que gran parte de los agricultores usan semilla genéticamente modifica- da. la resistencia a plagas y la tolerancia a herbicidas facilitan el manejo del cultivo y disminuyen los costos al reducir aplicaciones y mano de obra.

B. Escenarios tecnológicos para el control del picudo (A. grandis) y el gusano cogollero (S. frugiperda) usando plantas genéticamente modificadas para expresar proteínas Cry activas contra estas plagas

Una vez establecida la estructura de costos para el cultivo de algodón en el Valle del Sinú, se evaluó el efecto de incorporar genes transgénicos cry (plantas bt) con actividad sobre A. grandis y S. fru- giperda. La eliminación de los riesgos asociados al mal manejo de plagas permitiría alcanzar el máximo rendimiento actual, establecido en 2 t fibra/ha, de manera rutinaria y, así, contribuir al cierre de la actual brecha de rendimiento. Los agricultores de algodón en el Valle del Sinú son en su mayoría pequeños y no propietarios de la tierra, y, en con- secuencia, se encuentran expuestos a iliquidez; en estas condiciones, cada decisión de manejo del cultivo no está solo condicionada a valoración técnica, sino a la disponibilidad de dinero para llevarla a cabo en los tiempos propuestos. Estas condiciones son extrapolables a las decisiones de desarrollar o no una aplicación para controlar A. grandis o S. frugiperda, y en múltiples ocasiones la decisión es excluyente con relación a otras decisiones de manejo del cultivo.

Cuatro escenarios para la incorporación de estas variedades transgénicas fueron evaluados con base en los siguientes parámetros: rendimiento, supervivencia, mortalidad, daño esperado y número de aplicaciones. el costo del manejo de plagas, en jornales e insumos agrícolas (insecticidas) empleados en el cultivo, fue agregado con el propósito de obtener los costos totales (total manejo de plagas y costo total de una hectárea de algodón) y el porcentaje de participación (costos para manejo de plagas y costos totales). es evidente una diferenciación de costos en los cuatro escenarios (Tabla IV). en resumen, en el primer escenario la supervivencia de las dos plagas es del 100 %, siendo necesario realizar hasta 12 aplicaciones de insecticidas para evitar pérdidas de rendimiento en el cultivo. El segundo escenario describe el desarrollo de transgénicos expresando la proteína cry1Ia12, que limita la supervivencia de las plagas al 40 % y 60 %, respectivamente para para picudo y gusano cogollero; las aplicaciones en este escenario se reducen a 5.20 durante la época de cultivo. En el tercer escenario, la incorporación de varias proteínas cry tóxicas provoca que la supervivencia del picudo se reduzca considerablemente, hasta a un 20 %, y la del gusano cogollero a un 46.64 %, con un número de aplicaciones alrededor de 2.93. El cuarto escenario planteado requiere del diseño de una nueva hipotética proteína cry que sea capaz de controlar totalmente el picudo y disminuir el daño por gusano cogollero a un 33.30 %, siendo necesarias una sola aplicación (0.66) (Tabla III).

El segundo escenario plantea la incorporación en el sistema de cultivo de algodón de una nueva variedad transgénica bt, que expresa la proteína cry1Ia12. En bioensayos con botones florales provenientes de plantas de algodón expresando la proteína cry1Ia12 se ha observado una mortalidad del 60 % para A. grandis, y en bioensayos con hojas, una mortalidad del 40 % para S. frugiperda (28). Solo considerando la mortalidad provocada por la expresión de esta proteína en las plantas de algodón, la supervivencia y el porcentaje de daño (comparado con el nivel actual) esperado por A. grandis sería del 40 %, y por S. frugiperda, del 60 %, respectivamente. Bajo esas consideraciones, 5.20 aplicaciones se- rían necesarias para mantener los actuales niveles de daño de las plagas mencionadas. El daño final y la supervivencia de las siguientes generaciones de estas plagas en el cultivo pueden ser aún menores a los valores de supervivencia descritos experimen- talmente. Los individuos adultos alimentados con plantas transgénicas son significativamente mucho más pequeños y más débiles que los alimentados con material convencional (11, 13). este segundo escenario describe una tecnología que se encuentra disponible y validada técnicamente para el control del picudo in-planta, pero que aún no ha sido validada en pruebas de campo ni liberada en el mercado. En este escenario, los costos para el manejo de plagas se reducen en $496 160 coP (un 57.07 %), con un porcentaje de participación sobre los costos totales del 8.87 %. este escenario ha sido diseñado considerando una presión constante de las poblaciones de A. grandis y S. frugiperda provenientes de hospederos alternos.

Sin embargo, existe un segundo escenario alternati- vo, si consideramos que el algodón es el principal hospedero para estas plagas; tal afirmación es cierta para las poblaciones de A. grandis que sufren de diapausa en condiciones adversas, como en este caso, ausencia de una fuente apropiada de alimento; en el caso de S. frugiperda, el algodón no representa la única fuente de alimento, pero es el preferido si el cultivo vuelve a predominar en la región, como hace un par de décadas. En este contexto, la población original migra por completo hacia los campos de algodón al inicio de la temporada y es incapaz de seguirse multiplicando eficientemente en las nuevas variedades bt (Tabla V). La población de insectos que emerge de estos cultivos es cada vez más pequeña, hasta finalmente ser controlada por aplicaciones tempranas de insecticidas o el daño económico provocado ignorado (Figura 1). Bajo estas consideraciones, el escenario dos ofrece una reducción considerable en los costos de manejo de plagas, mientras la tecnología ya se encuentra validada experimentalmente y puede estar disponible en el mercado en el corto plazo.

Los escenarios tres y cuatro requieren una considerable inversión, y aunque técnicamente son factibles no existe evidencia experimental de su posible desarrollo en el corto plazo. En el tercer escenario planteado sería necesario emplear variedades que exhiben resistencia adi- cional, incorporando proteínas adicionales tóxicas a estas plagas. Esta variedad contendrá la proteína cry1Ia12 más una de las siguientes proteínas can- didato: cry1Ia, cry1ba6, cry8Ka y cry10Aa. En este escenario, varias configuraciones de plantas Bt son posibles. Las plantas bt con la tecnología boll- gard II® (cry1Ac + cry2Ab) son efectivas en el caribe colombiano para el control del gusano rosado colombiano (Pectinophora gossypiella) y de Heliothis. El gusano rosado colombiano, prácticamente, ha desaparecido de la región como efecto de la siembra predominante de materiales transgénicos bollgard II®, y ni siquiera es una amenaza para los cultivos convencionales (datos sin publicar). En consideración al control ejercido por esta tecno- logía y al efecto específico de cada proteína, la alternativa de planta más obvia contendría un api lamiento de múltiples genes transgénicos: cry1Ac + cry2Ab + cry1Ia12 + candidato cry complementario a cry1Ia12 y uno o dos genes de tolerancia a herbicidas. Una solución como esta ha sido previamente implementada comercialmente en el cultivo de maíz. una variedad de maíz expresando múltiples proteínas transgénicas fue liberada en el 2007 como una solución a múltiples problemas de plagas y control de malezas. Esta variedad contie- ne los genes: cry34Ab1 + cry35Ab1 + cry3Bb1 modificada para control de lepidoptera + cry1F + cry1A.105 + cry2Ab2 más 2 genes de tolerancia a herbicidas (glifosato y glufosinato) (29).

Una solución óptima, en términos de expresión de proteínas, es disminuir al máximo el número de proteínas necesarias para el control de las pestes objetivo. en el caso de las proteínas cry1Ac + cr- y2Ab, esta última ofrece una toxicidad a insectos mucho menor que la cry1Ac, aunque su rango de insectos objetivo sea mayor (26). La proteína cry2Ab podría ser descartada si la proteína cry, complementaria a cry1Ia12, puede ejercer un efecto amplio sobre otras pestes objetivo. En esta variedad con tres genes Cry apilados estos tendrán los siguientes objetivos: cry1Ac ejerce un efecto principal de control sobre gusano rosado y Heliothis, cry1Ia12 controla A. grandis y S. frugiperda, mientras una tercera proteína provee de resistencia adicional general y con baja toxicidad sobre A. grandis, S. frugiperda, gusano rosado y Heliothis. La combinación de proteínas cry usando este enfoque, tal como la tecnología bollgard II®, ha de- mostrado ser efectiva en el control de las plagas objetivo y una estrategia adecuada para limitar el surgimiento de resistencia a las proteínas cry. En un ejemplo específico a las plagas aquí analizadas, previamente se ha demostrado que los individuos de gusano rosado resistentes a cry1Ac no son resistentes a cry2Ab y que la probabilidad de desarrollar resistencia combinada es bastante baja (30).

El último escenario planteado, o escenario ideal, está diseñado bajo la consideración de usar una variedad con resistencia completa a A. grandis, logrando eliminar por completo la presencia y supervivencia de esta plaga y el daño asociado. En el momento no existe ninguna evidencia experimen- tal de que esto sea posible o de que se están desa- rrollando trabajos de investigación para alcanzarlo (Tabla IV).

V. Conclusión y recomendaciones

En el Valle del Sinú, el manejo de las principales plagas del cultivo representa alrededor del 15 % de los costos totales de producción. cuatro escenarios de desarrollo tecnológico fueron considerados con base en la evidencia experimental disponible de proteínas cry. el escenario dos describe el desarrollo tecnológico más avanzado con el gen cry1Ia12 insertado en plantas. este escenario, el más probable de todos, reduciría los costos de manejo de plagas a cerca de la mitad del valor actual, y los costos totales en un 7 %. Sin embargo, este escenario requiere de las si- guientes medidas que faciliten su implementación:

a) la evaluación en ensayos de campo de los niveles de daño observados bajo condiciones controladas, b) el desarrollo de estrategias de refugios y control químico complementarias que garanticen el control efectivo de estas plagas y eviten el sugimiento de resistencia a la proteína cry1Ia12, c) la incorporación de los nuevos genes transgénicos en variedades regionales y d) la disponibilidad de semilla en el mercado.

Finalmente, es necesario clarificar algunos problemas de pasadas introducciones de materiales transgénicos. Los reportes de los agricultores coinciden en que la introducción en el Valle del Sinú de variedades con el gen cry1Ia12 no incrementó los rendimientos, sino que los disminuyó, especialmente en los primeros años. los problemas no estaban asociados a la tecnología transgénica per se, sino a los materiales vegetales en los cuales los genes se encontraban insertados. Las variedades transgénicas previamente incorporadas en el Valle del Sinú, que es una región tropical, son genotipos de algodón de climas secos subtropicales que fueron plantadas allí durante la estación húmeda. en este caso, la incorporación de los genes transgénicos en variedades regionales permitiría tener lo mejor de ambos mundos: una tecnología moderna para controlar A. grandis y la genética de materiales adaptados al trópico húmedo.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado con fondos del Ministerio de Agricultura y Desarrollo rural (mADr) (c07365. Desarrollo de estudio de prefactibilidad técnico-económica para la producción de variedades transgénicas con tolerancia al picudo del algodón) y el apoyo logístico del centro de Investigación Turipaná, y de la red de cultivos Transitorios y Agroindustriales - corporación colombiana de Investigaciones Agropecuarias (corPoIcA).

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