Factores que determinan la capacidad de rendimiento y la productividad final
La producción de cultivos es esencialmente un sistema muy simple impulsado por la fotosíntesis, elementos clave para el cual son la intercepción de la radiación fotosintéticamente activa, el uso de esa energía en la reducción del dióxido de carbono y otros sustratos; la incorporación de los asimilados a nuevas estructuras vegetales –biosíntesis y crecimiento– y el mantenimiento de la planta como unidad viva. Lograr un alto rendimiento es conceptualmente simple: maximizar el alcance y la duración de la intercepción de radiación utiliza la energía de captura en una fotosíntesis eficiente: dividir los nuevos asimilados de manera que proporcionen proporciones óptimas de hojas, tallos, raíces y estructuras reproductivas; y mantenerlos a un costo mínimo.
Aunque este esquema es esencialmente sencillo, los detalles son extremadamente complejos y los aspectos dinámicos de la partición particularmente intratables. La caña de azúcar pertenece al género Saccharum y es una gramínea, como la mayoría de los cultivos de cereales del mundo. Sin embargo, en lugar de almacenar almidón en las cabezas de las semillas como los cultivos de granos, la caña de azúcar ha evolucionado para almacenar azúcar, sacarosa, en el tallo. Los cultivos se pueden dividir básicamente en dos categorías principales en términos de su crecimiento y desarrollo. Los cultivos de desarrollo secuencial primero desarrollan la capacidad fotosintética y los órganos que son económicamente útiles, y luego la capacidad fotosintética se utiliza para llenar las partes económicamente útiles. Por otra parte, los cultivos de desarrollo simultáneo desarrollan la capacidad fotosintética y llenan simultáneamente las partes económicamente útiles, al menos durante un período considerable de su crecimiento y desarrollo.
Los cultivos de cereales son típicos de los cultivos de desarrollo secuencial y tienen esencialmente dos fases de crecimiento distintas: vegetativa y reproductiva, dividiéndose esta última en pre-espiga y post-espiga. La capacidad de rendimiento en estos cultivos se determina principalmente en el período previo al escabezado, mientras que el rendimiento final se determina en el período posterior al espigado. Durante la fase vegetativa, el área foliar se acumula: después de la inducción de la floración y el comienzo de las fases reproductivas, se desarrollan los primordios foliares restantes seguidos de la inflorescencia. Al espigarse, el crecimiento de las hojas ha cesado esencialmente y comienza el crecimiento del grano.
La planta de caña de azúcar se compone de tallos, hojas, raíces y flores. Cada uno tiene un papel importante en el crecimiento de los cultivos, la maduración de estos y la producción de nuevas variedades. Se propaga vegetativamente por esquejes de tallo que contienen una o más yemas. La yema produce un tallo primario en la germinación y cada tallo se compone de nudos, con una yema, una o más filas de yemas de raíz –primordios– y un anillo de crecimiento –meristemo intercalar–, separados por tejido de almacenamiento interganglionar.
El anillo de crecimiento es el sitio de elongación celular activa y, en los entrenudos jóvenes, es suave y «cursi» ya que las células se alargan rápidamente con muy poco engrosamiento de la pared celular. En los entrenudos viejos, la elongación celular ha cesado, el engrosamiento de la pared celular es completo y el anillo es duro y, a menudo, difícil de ver. Los entrenudos son los órganos de almacenamiento de azúcar de la planta y varían en longitud desde menos de 10 mm hasta más de 300 mm según la edad y las condiciones de crecimiento experimentadas. Los tallos de la caña de azúcar normalmente alcanzan unos 2-3 m de altura en la temporada de crecimiento normal.
Las hojas son los «motores» fotosintéticos de la planta
A través del proceso fotosintético, las hojas producen el azúcar que se almacena en los tallos. Las hojas están unidas a los nudos y forman dos rangos alternos a cada lado del tallo. Constan de dos partes, una cuchilla y una funda, separadas por una unión de cuchilla. El tamaño y el número de hojas aumentan a partir de la germinación y hay alrededor de 10 por tallo en la madurez. Las hojas se vuelven más largas y anchas a medida que la planta se desarrolla, hasta que se establece un tamaño de hoja estable. El ancho de la hoja está fuertemente correlacionado con el diámetro del tallo y varía de aproximadamente 20 mm a 60 mm en variedades comerciales. La longitud de las hojas depende de la variedad y las condiciones de crecimiento, pero suele estar entre 0.9 m y 2.0 m en las hojas maduras. La estructura del dosel varía con la variedad, pero las dos hojas más jóvenes suelen ser verticales, y las hojas más viejas se vuelven progresivamente más horizontales.
Las raíces son los órganos responsables de absorber el agua y los nutrientes del suelo necesarios para el crecimiento de las plantas. También proporcionan soporte estructural a la planta. Hay dos tipos principales de raíces en la caña de azúcar. Los esquejes de tallo en germinación producen raíces escogidas de los primordios en el nudo. Estas raíces mantienen el esqueje durante la germinación, pero no apoyan directamente el brote en crecimiento. Las raíces de los brotes se producen a partir de los primordios de las raíces de los nudos jóvenes en el nuevo brote. Están directamente conectados al sistema vascular del brote y apoyan el crecimiento de la nueva planta, haciéndola independiente del esqueje original. Algunas raíces de la caña de azúcar pueden extenderse hasta más de 2 m de profundidad en un perfil de suelo favorable y ayudar a anclar la planta, pero comúnmente las raíces más activas se encuentran a menos de 0.5 m de la superficie del suelo.
Aunque la caña de azúcar se propaga asexualmente con fines comerciales, muchas variedades florecen y producen semillas. Las flores nacen en una panícula de ramas abiertas, comúnmente llamada flecha. Cada flor contiene anteras, que transportan el polen masculino, y la célula embrionaria femenina con su estigma, por la que crece el polen para fertilizar el óvulo. La emergencia de las anteras se produce como una ola por la flor, que dura hasta 12 días y, por lo general, precede a la aparición del estigma por 1-2 días. La polinización cruzada de flores de diferentes variedades de alto rendimiento o variedades con características específicas deseables produce nuevas variedades para la industria.
Las hojas de la planta son las centrales eléctricas para la producción de azúcar. Las hojas contienen células con clorofila que catalizan reacciones fotosintéticas en las que la energía de la luz se utiliza para combinar el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos (azúcares). Las células que contienen clorofila están cerca de los poros (estomas) en la superficie de la hoja. Los estomas permiten que el dióxido de carbono del aire ingrese a la planta y que el agua de la planta se evapore a la atmósfera. La apertura de los estomas está controlada por la turgencia de la planta. Si la evaporación de la hoja excede la velocidad a la que la planta puede llevar agua del suelo a las hojas, los estomas se cierran hasta que se puede restablecer el equilibrio.
También cierran por la noche para reducir la pérdida de agua en un momento en el que no se puede realizar la fotosíntesis. Las células que contienen clorofila también son adyacentes a los haces vasculares de la hoja. Estos paquetes contienen las tuberías tanto para el movimiento del agua como para el transporte del azúcar.
El agua y los nutrientes del suelo ingresan a los haces vasculares en la raíz y fluyen a través de la planta hasta las hojas. Aquí el agua se utiliza en la fotosíntesis para mantener la turgencia de la planta. Los azúcares producidos por la fotosíntesis se cargan en las células del floema, una parte del haz vascular que se ocupa específicamente del transporte de azúcar y se transporta para apoyar la producción y expansión de nuevas hojas, vainas y tallos que se producen en la zona de crecimiento en el ápice del tallo.
También se transportan por la planta para apoyar la producción y el crecimiento de raíces bajo tierra. Los azúcares son los componentes básicos para el crecimiento y el almacenamiento, y proporcionan la energía (respiración) necesaria para impulsar estos procesos. Sin embargo, no todos los azúcares se requieren de inmediato, y cualquier exceso se almacena en los entrenudos. Aquí se puede removilizar para apoyar el crecimiento cuando las condiciones no favorecen la fotosíntesis activa. Con el tiempo, el exceso de azúcar residual permanece en las células entrenudos y contribuye al proceso de maduración.
El rendimiento final de azúcar es una función del crecimiento del tallo para proporcionar un gran volumen de almacenamiento y la maduración para llenar este volumen con azúcar. En el crecimiento de la caña de azúcar se producen cinco fases:
- Germinación,donde se establece la planta y se inician los macollos;
- Crecimiento temprano durante el cual se establece el dosel de la hoja y se produce el máximo crecimiento o elongación del órgano de almacenamiento (el tallo);
- Maduración, cuando la elongación del tallo se ralentiza y domina el almacenamiento o maduración del azúcar;
- Floración, donde cesa el crecimiento vegetativo y se produce una flecha (flor);
- Soaring, donde se cosechan los tallos y el rebrote de los cultivos se produce a partir de brotes subterráneos en los tallos cortados.
Si bien es conveniente para la discusión, algunas de estas fases se superponen considerablemente y los entrenudos basales del tallo pueden llenarse de azúcar mientras que la parte superior del tallo aún está creciendo activamente. El azúcar es un combustible almacenado para la planta de caña, por lo que tanto el almacenamiento como la movilización de sacarosa ocurren continuamente a medida que la planta responde a períodos de restricción de crecimiento o períodos de crecimiento activo.