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Nature Food volumen 4, páginas 148–159 (2023)Citar este artículo

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Las prácticas sostenibles que reducen la pérdida de alimentos son esenciales para mejorar la seguridad alimentaria mundial. Presentamos una plataforma de tratamiento de semillas 'envolver y plantar' para proteger los cultivos de los patógenos transmitidos por el suelo. Desarrolladas a partir de los abundantes desechos disponibles de la cosecha de bananas y cajas de cartón corrugado viejas recicladas a través de pulpa libre de químicos, estas envolturas de semillas biodegradables similares al papel exhiben integridad ajustable y biodisponibilidad de fracciones cargadas. Estas envolturas se utilizaron para el control de nematodos en piezas de semillas de ñame (Dioscorea cayenensis-rotundata) en Benin, un importante productor de este cultivo básico en el "cinturón de ñame" del África subsahariana. Nuestras envolturas de semillas cargadas con abamectina de volumen ultrabajo (1/100 ≤ formulación comercial) controlaron de manera constante las poblaciones de nematodos del ñame (Scutellonema bradys) y aumentaron considerablemente el rendimiento en varios lugares durante 2015-2018. Se observó una reducción sustancial en la pérdida de peso y el agrietamiento de los tubérculos después de la cosecha después de 3 y 5 meses de almacenamiento, lo que contribuyó a aumentar el valor, la nutrición y la preferencia de las partes interesadas por la envoltura y el tratamiento de la planta.

El sector agrícola debe adoptar enfoques holísticos para la producción de alimentos, ya que el suministro mundial de alimentos debe mejorarse de manera sostenible para una población en crecimiento exponencial. Esto es especialmente relevante en regiones dominadas por la agricultura a pequeña escala, por ejemplo, África subsahariana (SSA)1,2,3. Se espera que la población de SSA aumente casi tres veces para 2100 (ref. 3); sin embargo, su productividad agrícola no está a la altura4. Esto se debe a los cambios climáticos desfavorables, la baja fertilidad del suelo, el cultivo continuo, la presión de patógenos y, en gran medida, la deficiencia de conocimientos y recursos de los pequeños agricultores, que representan alrededor del 80 % de la población5,6,7,8,9. Entre varios cultivos de tubérculos y raíces, el ñame (Dioscorea rotundata y D. alata) es extremadamente valioso en África occidental y tiene un impacto en el destino económico de millones de pequeños agricultores10,11,12,13,14. Varios factores climáticos, culturales y edáficos dictan el rendimiento y la calidad del cultivo de ñame11; lo que es más importante, entre el 17 y el 50 % de la cosecha se pierde anualmente debido a los nematodos parásitos de las plantas (PPN)13,15,16,17.

Los PPN, especialmente el nudo de la raíz (Meloidogyne spp.), el ñame (Scutellonema bradys) y la lesión (Pratylenchus spp.)13,14,18, juegan un papel importante en la reducción del valor de los cultivos de ñame principalmente debido a la falta de opciones de control disponibles y asequibles6,9 ,11. El nematodo del ñame S. bradys es probablemente el parásito más importante debido a su presencia ubicua en las plantaciones de ñame14. Al ser un endoparásito migratorio (ocurre en raíces y tubérculos, así como en el suelo) del ñame, comúnmente se transporta regionalmente con pedazos de semilla de ñame18,19. Su reproducción continua en el ñame almacenado conduce a la pérdida de productos alimenticios valiosos y también contribuye a la densidad de población de nematodos en el momento de la siembra porque el stock de semillas de ñame proviene de tubérculos almacenados e infestados13,19,20. Si bien la densidad previa a la siembra de PPN se correlaciona negativamente con el rendimiento del cultivo, en el patosistema ñame-Scutellonema, la densidad inicial de nematodos a menudo resulta de nematodos en pedazos de semillas21,22 en lugar de en el suelo al momento de la siembra.

La protección temprana de PPN es fundamental para el éxito del cultivo. Un método de aplicación de nematicidas es a través del tratamiento de semillas, reduciendo la cantidad de ingrediente activo (AI) en comparación con las aplicaciones al voleo o en hileras, exponiendo el PPN a una mayor concentración de AI solo en la zona de la raíz del cultivo y reduciendo sustancialmente los efectos no objetivo y impacto ambiental23. Al explorar varias opciones para un agente de entrega biodegradable y rentable, nuestros estudios anteriores indican atributos prometedores de matrices similares al papel desarrolladas a través de una ruta libre de químicos a partir de desechos de cosecha de banano (Musa acuminata) como una plataforma para la entrega controlada y dirigida de moléculas pequeñas8 ,24,25. Además de su abundancia, rentabilidad, composición y durabilidad24,26,27,28,29, la estructura jerárquica porosa abierta tridimensional única y la densidad comparativamente baja hacen de la fibra de banano (BF) un sustrato ideal para cargar moléculas pequeñas. Aquí, presentamos una plataforma única de 'envoltura y planta' (W&P) para generar de manera sostenible matrices biodegradables de liberación controlada como envolturas de semillas/piezas de semillas. Para afinar la resistencia del BF y el perfil de liberación, utilizamos materiales de embalaje de cartón corrugado (OCC) viejos y reciclados desarrollados a partir de uno de los tipos de papel más consumidos: el cartón30,31,32,33,34,35. Después de determinar una composición adecuada, utilizamos estas matrices con y sin volúmenes ultrabajos de un nematicida abamectina (Abm) como envolturas de semillas de ñame en múltiples ensayos de campo en tres distritos diferentes de Benin de 2015 a 2018. Benin es uno de los cinco principales ñame. países productores de África Occidental (el 'cinturón del ñame') que producen ~92% del ñame a nivel mundial10. Suponiendo que el control temprano de la temporada podría traducirse en una reducción de las pérdidas posteriores a la cosecha causadas principalmente por S. bradys12,22,36,37, también evaluamos la calidad del tubérculo en términos del factor de reproducción de S. bradys, el peso del tubérculo y la pudrición seca y el grado de agrietamiento después de 3 años. y 5 meses de almacenamiento.

Creamos matrices biodegradables sin aditivos químicos simplemente deshidratando una suspensión de BF picado (Fig. 1a, b) y OCC (Fig. 1c, d) individualmente o mezclados en varias proporciones de BF: OCC de la siguiente manera: BF, BF solamente; BO82, 80:20; BO64, 60:40; BO46, 40:60; BO28, 20:80; y OCC, solo OCC. El aumento de la tosquedad y las estructuras fibrosas distintivas con un mayor contenido de BF en las hojas de prueba (hojas circulares con un diámetro de 15,2 a 16,5 cm; Fig. 1a complementaria) se puede atribuir a la falta de un tratamiento químico fuerte que normalmente se usa para disolver las fibras. . Si bien el contenido de lignina aumenta ligeramente con el aumento de la fracción de OCC (Fig. 1b complementaria), la ausencia de picos adicionales en los espectros de espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier de los híbridos indica que OCC no introduce un nuevo grupo funcional (Fig. 1c complementaria).

a, b, Fotografía del pseudotallo de banano (a) y secciones transversales SEM representativas de papel BF (b; se escanearon tres muestras de diferentes papeles BF con cinco aumentos diferentes para verificar la reproducibilidad de los datos). c, d, Fotografía de cajas OCC (c) y SEM de sección transversal de papel OCC (d; se escanearon tres muestras de diferentes papeles OCC con cinco aumentos diferentes para verificar la reproducibilidad de los datos). e, Fotografías que muestran trozos de papeles BF e híbridos (BO82, BO64, BO46 y BO28) retirados del suelo después de 4, 5, 6 y 7 semanas. f–i, Gráficos de tensión-deformación de papel fabricado con BF, BO82, BO64, BO46, BO28 y OCC antes de enterrar en el suelo (f) y después de 1 (g), 2 (h) y 3 (i) semanas de incubación con raíces de plantas de tomate vivas en el suelo. Los recuadros muestran fotografías del BF correspondiente después de retirarlo del suelo. j, Gráfico que muestra los módulos de Young acumulados de los papeles BF, BO82, BO64, BO46, BO28 y OCC antes y después de la incubación en suelo durante 1, 2 y 3 semanas. k, Imágenes SEM de alto y bajo aumento que muestran partículas de suelo que cubren la superficie y el interior hueco de una fibra de banano de papel BF enterrada en el suelo durante 21 días.

Datos fuente

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de secciones de superficie BF (datos extendidos Fig. 1a) y OCC (datos extendidos Fig. 1b) muestran una morfología análoga con fibras sueltas, que surgen de la fabricación similar de las hojas de prueba. Sin embargo, las secciones transversales de las hojas de prueba correspondientes muestran un fuerte contraste en la morfología de la fibra y el patrón de empaquetamiento (Fig. 1b, d). Mientras que BF abunda en fibras huecas sueltas, OCC carece completamente de fibras tubulares huecas y abunda en estructuras en capas. Cuando se combinan en diferentes proporciones, los híbridos resultantes exhiben una pérdida gradual en la cantidad de fibras huecas de banano a medida que aumenta el contenido de OCC (Datos extendidos, Fig. 1c–f). Además de su rentabilidad y facilidad de disponibilidad, utilizamos OCC con BF para ajustar la resistencia y el perfil de liberación de las matrices híbridas, porque la morfología en capas aportada por OCC30,33 podría facilitar la unión y la uniformidad del papel BF.

Si bien la morfología de la fibra y la composición del papel pueden ayudar a dictar las propiedades de liberación de la carga, el grado de protección brindado a la semilla en germinación sin comprometer el crecimiento de la raíz es otro parámetro crítico para seleccionar la matriz para las pruebas de campo. Nuestras investigaciones preliminares han demostrado la relación del índice de estallido (cantidad mínima de presión requerida para romper por gramo de papel) con el perfil de penetración de la raíz de la envoltura de semillas24. El papel BF muestra un índice de explosión de 3,8 kPa m2 g−1 (Datos ampliados Fig. 1g), casi 3,5 veces menor que el índice de explosión del papel OCC (13,4 kPa m2 g−1). Esta diferencia en la fuerza se puede atribuir a la extensión de la unión debido al empaquetamiento y la naturaleza de las fibras en cada uno de los papeles, es decir, las fibras más compactas mejoran la unión de hidrógeno en el papel OCC, mientras que las fibras huecas sueltas reducen la fuerza del BF. papel38,39,40. Curiosamente, con la adición de BF, la fuerza de los híbridos BO disminuye sustancialmente, por ejemplo, hay una reducción del 61 % en el índice de explosión OCC después de agregar un 20 % de BF en BO28, lo que indica el papel de las fibras huecas de plátano comparativamente más débiles en la reducción de la fuerza. de fibras OCC. Una interacción de liberación de morfología-resistencia-carga junto con la biodegradabilidad dicta el rendimiento final y el destino de una matriz W&P en un entorno de campo.

Evaluamos la fuerza y ​​la integridad de varias matrices incubándolas en suelo con una planta de tomate en crecimiento durante el período de estudio (Datos extendidos Fig. 2a-e). Tenga en cuenta que el tomate solo se usó como un bioindicador simple de la capacidad de las raíces de las plantas para penetrar a través de varias composiciones de papel. Los papeles con mayor contenido de BF (BF, BO82, BO64) comenzaron a perder su resistencia (Fig. 1f-j, y datos extendidos Fig. 2f) dentro de las primeras tres semanas, con una clara pérdida en la integridad y resistencia de la fibra cuando se mantienen en el suelo por períodos más largos (Fig. 1e-k y Tabla Suplementaria 1). El valor más bajo del módulo de Young de las muestras con mayor contenido de BF (indicativo de una mejor flexibilidad) se puede atribuir al mayor diámetro de los BF (Fig. 1b)41, lo que lleva a una menor área disponible para la unión de fibras en comparación con las fibras OCC. Las imágenes SEM de muestras extraídas del suelo después de tres semanas (datos extendidos Fig. 2g-l) muestran la formación de distintas grietas y pérdida en la morfología de la fibra. BO82 y BO64 apuntan como una envoltura viable que pierde gradualmente su integridad en el suelo mientras permanece intacta durante el período de crecimiento temprano. Por el contrario, el papel desarrollado a partir de BF solo se desintegra rápidamente. También notamos que incluso el interior de la fibra hueca del banano se cubre con partículas de tierra después de tres semanas (Fig. 1k). Este recubrimiento puede acelerar aún más el proceso de degradación debido a la gran superficie disponible para los microorganismos del suelo. Curiosamente, también notamos estructuras similares a esporas en BF, BO82 y BO64 después de tres semanas (que se muestran como puntas de flecha en Datos extendidos Fig. 2g-i), que indican el entorno de apoyo proporcionado por BF para el crecimiento de microorganismos del suelo que pueden facilitar la biodegradación de Matrices enriquecidas con BF en suelo. Si bien varios estudios han indicado recientemente que la descomposición de las lignocelulósicas en el suelo es una acción sinérgica de varios parámetros, incluidas diversas familias de enzimas secretadas por diferentes microorganismos del suelo, la composición de las lignocelulósicas y la naturaleza del suelo42,43, un bajo contenido de lignina en nuestro polímero sintético- los híbridos BF libres tomados junto con la gran superficie (aportada por la luz hueca) expuesta a la biota del suelo pueden contribuir a su biodegradación en un plazo razonable.

La difusión de moléculas pequeñas (por ejemplo, AI) en una matriz de fase sólida está dictada por varios factores, incluidas las interacciones entre la matriz y el difusor, así como las vías acuosas (sorción y difusión) determinadas por la naturaleza y el contenido de agua en el matriz. Una tasa más alta de flujo de agua en BF y BO82 (Fig. 2a) se puede atribuir a su baja densidad y alta porosidad (indicada por la baja resistencia del aire en Datos extendidos Fig. 1h) y la abundancia de fibras tubulares huecas que actúan como una carretera para moléculas de agua44,45. Además, el análisis termogravimétrico de las matrices muestra una gran cantidad de agua difícil de eliminar (ligada y atrapada46) (56,5 mg g-1) y volátiles (15,4 mg g-1) por gramo en BO82 en comparación con alto OCC. -papeles de contenido, que exhiben un alto contenido de agua débilmente unida (agua libre, indicada por la pérdida de peso entre 25 y 50 ° C; Fig. 2a complementaria). Generalmente, el agua difícil de eliminar en una matriz es responsable de la difusión de moléculas disueltas/suspendidas dentro de las fibras, mientras que el agua libre (atrapada dentro de la estructura porosa41) afecta fenómenos superficiales como la adsorción y el secado. El contenido comparativamente más alto de agua difícil de eliminar junto con un flujo de agua más rápido en papeles con alto contenido de BF (BF y BO82) indica su tendencia a absorber y difundir rápidamente moléculas pequeñas (pesticidas, nutrientes) disueltas/suspendidas en agua, lo que facilita la aspersión y difusión de la IA en las envolturas de semillas.

a, Agua sorbida y tasa de movimiento del agua por varias matrices (n = 5, las barras de error indican la desviación estándar de los valores medios de cantidad (%) y tasa de agua sorbida por BF, OCC y varios híbridos). b, Contenido de Abm fuertemente y débilmente ligado, en BF, OCC y papel híbrido (n = 3, las barras de error representan la desviación estándar de los valores medios de Abm fuertemente y débilmente adsorbidos en las respectivas matrices). c, Termograma ITC que muestra el calor liberado como resultado de las interacciones entre Abm con OCC, BF, lignina y celulosa.

Datos fuente

Para una biodisponibilidad a más largo plazo de las PPN, la matriz debe liberar AI (aquí Abm) lentamente para garantizar una exposición continua a la población de nematodos, especialmente durante el período de crecimiento temprano. Además, el exceso de Abm se une al suelo y provoca la pérdida de biodisponibilidad24,25. Como se muestra en la Fig. 2b, el contenido de Abm fácilmente disponible disminuye con el aumento del contenido de OCC en los híbridos, mientras que BF muestra la cantidad máxima (32 % de la carga total) de Abm fácilmente disponible. Los papeles OCC y BO28 no muestran ningún Abm débilmente unido detectable, que no es el atributo deseado para controlar las poblaciones de PPN durante los primeros períodos de crecimiento de la planta.

Para desacoplar las interacciones de Abm con los componentes de BF y OCC, y los principales bloques de construcción de lignocelulósicos (celulosa y lignina), se realizaron mediciones preliminares de calorimetría de titulación isotérmica (ITC) (Fig. 2c y Fig. 2b complementaria). Todos los experimentos muestran interacciones exotérmicas de Abm con BF, OCC, lignina y celulosa. Los termogramas ITC entre Abm y OCC y la lignina muestran una unión similar en dos pasos, donde un cambio de calor pronunciado inicial pasa a cambios de calor más pequeños con cada titulación, lo que indica la saturación de los sitios de unión. Por el contrario, BF muestra interacciones de múltiples pasos con Abm, mostrando la unión de Abm en varios sitios de BF. Cuando se comparan los calores de las interacciones, la celulosa libera solo 6.9 μJ de calor, que se puede asignar a los abundantes grupos -OH en la celulosa que conducen a interacciones más débiles con la molécula Abm hidrofóbica (estructura en la Fig. 2c complementaria). OCC, por el contrario, libera ~ 28 μJ de calor, lo que indica una unión más fuerte con Abm, mientras que BF y la lignina exhiben un grado similar de unión con Abm, como lo indican valores similares de calor de interacción de 23 μJ y 21 μJ, respectivamente. Tomados en conjunto, el grado de unión de Abm y la forma de la isoterma (Fig. 2b, c) indican que múltiples factores están involucrados en el dictado del perfil de liberación de estas matrices. Mientras que un contenido más alto de OCC mejora la fuerza y ​​la unión de AI de la matriz, BF brinda una difusión más rápida de moléculas disueltas/suspendidas y la flexibilidad mecánica adecuada necesaria para una envoltura de semillas. Además, la estructura fibrosa hueca de BF aumenta el área superficial disponible para la adsorción y difusión de moléculas de carga (AI) disueltas/suspendidas en agua.

Los estudios realizados en las secciones anteriores indican que BO82 es un candidato adecuado en términos de equilibrio en biodegradabilidad, liberación, absorción de agua y resistencia. Para las pruebas de campo, se preparó un rollo de papel de 25,4 cm de ancho (denominado BP) deshidratando una suspensión fibrosa al 0,3-0,5 % en peso que constaba de BF y OCC en una composición de 80:20 (Fig. 3a-d). La orientación aleatoria de la fibra suelta y la morfología de la fibra hueca se verificó mediante tomografía de rayos X y micrografías SEM (datos extendidos, Fig. 3a, b), mientras que el índice de estallido, la porosidad y el rendimiento mecánico se optimizaron para mantenerse dentro de un rango similar al BF y BO82 (Datos extendidos Fig. 3c y Tabla complementaria 2). La penetración de raíces de tomate a través de un papel intacto (Fig. 3e) indicó un equilibrio en la fuerza y ​​el perfil de penetración de raíces. Curiosamente, notamos que BP reveló abundantes esporas de microorganismos del suelo después de un mes en el suelo (Fig. 3f). Esta observación indica su propensión a biodegradarse a compuestos de bajo peso molecular a través de la actividad de micro y macroorganismos47.

a–d, Fotografías que muestran la producción de papel en una máquina Fourdrinier a partir de una suspensión de fibras de la caja de entrada (a), que se distribuye uniformemente y se deshidrata para producir una hoja fibrosa húmeda en la sección de alambre (b) y, al eliminar más agua en las secciones de prensa y secadora (c), se convierte en un rollo de papel (d). e, Fotografía de papel de plátano con raíces de tomate penetradas después de permanecer en el suelo con una planta de tomate durante 21 días. f, imágenes SEM de alto y bajo aumento de la sección de la superficie del papel de plátano mantenido en el suelo durante 28 días. Las puntas de flecha en la micrografía inferior y las áreas rodeadas en la parte superior indican la presencia de esporas de microorganismos del suelo. g, Gráfico que muestra la distribución de datos y la desviación estándar en el valor medio de biodisponibilidad de Abm de BF, OCC, BO82 y BP después de permanecer en el suelo durante 25 días (n = 3).

Datos fuente

Para comprender el impacto del entorno del suelo en la biodisponibilidad de AI, comparamos la bioactividad de Abm de BP, OCC, BF y BO82 (Fig. 3g) en bioensayos de Caenorhabditis elegans24,49, después de enterrar las matrices cargadas de Abm en suelo para varios intervalos. La retención extendida de bioactividad mostrada por BP indica que la formulación de W&P secuestró parcialmente el Abm, limitando su interacción con el ambiente del suelo. Estos resultados, junto con los estudios de sorción de agua demostrados en la sección anterior, sugieren que, en comparación con OCC y BF, la mayor parte del Abm aplicado en BP se asocia con la matriz a través del agua atrapada (difícil de eliminar), en lugar de permanece en la superficie y, por lo tanto, se libera lentamente independientemente de los ciclos de hidratación (datos extendidos, Fig. 3d) y el entorno del suelo. Además, nuestros estudios preliminares indican una mayor estabilidad ultravioleta (UV) de Abm48,49, que de otro modo sería fotolítico, cuando se carga en BP (Fig. 3 complementaria), lo que apunta hacia la naturaleza estable en almacenamiento de la matriz BP-Abm.

Establecimos ensayos de campo en fincas en los condados de Savè y Glazoué en Benín en 2015 (Datos ampliados, Fig. 4). Todos los ensayos mostraron una mejora considerable en el peso y la calidad del tubérculo usando el tratamiento W&P en comparación con la práctica convencional de los agricultores (FP: sin BP, sin Abm; Fig. 4a–e y video complementario). La Figura 4f también muestra un aumento impresionante en el rendimiento, es decir, 28–57 % con BP cargado con Abm (BP–Abm) y 27–53 % con BP sin tratar como envolturas de semillas. Las parcelas de control (FP) fueron las de menor rendimiento y peor calidad en todos los casos. En 2016, se observó un aumento del rendimiento para los tratamientos BP-Abm y BP solo en todos los ensayos en las regiones de Savè y Glazoué (Fig. 4g). Sin embargo, se notan diferencias más pequeñas entre los tratamientos FP y W&P debido a las fuertes lluvias (Datos extendidos, Fig. 5) y la inundación de los campos. En 2017, observamos un aumento sustancial en el rendimiento de los cultivos tratados (BP-Abm y BP) de los mismos campos en Savè y Glazoué (Fig. 4h). También se incluyeron en el estudio seis campos del condado de Savalou; notamos un aumento del 9% al 22% en el rendimiento después de los tratamientos W&P. En 2018, los seis ensayos realizados en Savalou muestran un aumento del 16% al 40% en el rendimiento en comparación con FP (Fig. 4i). En particular, los ensayos de campo realizados en casi todos los lugares muestran un aumento general del rendimiento de 2015 a 2018; por ejemplo, para los tratamientos BP-Abm, el rendimiento aumentó de 13,2 toneladas métricas por hectárea (t ha−1) en 2015 a 15,2 t ha−1 en 2018 con aumento concomitante en la calidad del tubérculo.

a–e, Fotografías que muestran papel rociado con Abm en el sitio de césped de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (a), una semilla de ñame envuelta en papel (b), cosecha en campos de ñame (c), tubérculos sanos obtenidos después del tratamiento con W&P BP–Abm (d) y tubérculos producidos usando FP. (mi). f–i, Gráficos que muestran la distribución de datos y la desviación estándar en el valor medio (mostrado como etiquetas individuales para cada barra) en el rendimiento de cultivos de ñame en t ha−1 en Glazoué (Gl-1, Gl-2, Gl-3, Gl-4, Gl-5), Savè (Sa-1, Sa-2, Sa-3, Sa-4, Sa-5) y Savalou (Sv-1, Sv-2, Sv-3, Sv-4, Sv-5, Sv-6) como resultado de los ensayos de campo realizados en 2015 (f), 2016 (g), 2017 (h) y 2018 (i; n = 5 para cada tratamiento (FP, BP-Abm y BP) en cada campo). j–m, Parcelas que muestran la población de S. bradys por gramo de cáscara de tubérculo en el momento de la cosecha en Glazoué, Savè y Savalou a partir de ensayos de campo realizados en 2015 (j), 2016 (k), 2017 (l) y 2018 (m; n = 3 para las cáscaras extraídas de cada tratamiento (FP, BP-Abm y BP) en cada parcela). Las letras de las siglas se refieren a los nombres de la comarca, mientras que los números indican el número de la explotación en la respectiva comarca, es decir, Glazoué, Save y Savalou, que formaron parte de este estudio. FP = práctica de los agricultores (sin envoltura, sin Abm); BP = solo papel; BP–Abm = papel cargado en Abm. Las barras de error en todos los gráficos indican la desviación estándar de las medias aritméticas.

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Los patrones de lluvia variaron ampliamente durante el estudio de 4 años (Datos extendidos Fig. 5). Se observó una tendencia general de que una menor precipitación condujo a mayores diferencias de rendimiento entre las parcelas tratadas y FP. Esto fue particularmente notable durante la temporada 2015 (Fig. 3 y Datos extendidos Fig. 5). Las precipitaciones fueron mucho más intensas durante las temporadas 2016-2018 y, en algunos casos, los campos se inundaron durante un período. Por ejemplo, las fuertes lluvias de agosto de 2016 en Savè provocaron inundaciones. En Glazoué, las lluvias en 2016 fueron sustancialmente más altas que en 2015, y cayeron lluvias muy intensas justo después de la siembra en 2017. Además, una fuerte lluvia de septiembre también provocó inundaciones (Datos ampliados, Fig. 5). El daño de los nematodos a los sistemas de raíces puede interferir con la capacidad de absorber agua en el suelo, pero a menudo se puede compensar suministrando un exceso de agua. Es probable que las menores diferencias en rendimiento entre tratamientos observadas durante las estaciones más húmedas se deban a este fenómeno. La lluvia justo después de la siembra puede haber resultado en la dilución de la microdosis de Abm que ya se llevaba en el tratamiento W&P, haciéndolo menos efectivo con el tiempo. A pesar de los menores aumentos de rendimiento en los años más húmedos, la mejora en la calidad del ñame con los tratamientos W&P fue sustancial en todos los ensayos46,47.

El análisis estadístico de los datos (Datos ampliados, Fig. 6 y Tabla complementaria 3) indica que los rendimientos de ñame aumentaron en todos los años (P ≤ 0,01) con los tratamientos W&P en comparación con FP (Fig. 5a). Aunque BP-Abm fue generalmente superior al papel sin tratar (BP), la diferencia entre los dos a menudo era indistinguible (Datos extendidos Fig. 6a, b), lo que sugiere que BP solo proporcionó una clara ventaja sobre FP. Estudios previos han demostrado que BP interfiere con las comunicaciones químicas entre el huésped y el nematodo al unirse a los exudados de la raíz del huésped y afectar la capacidad del nematodo para localizar la raíz10. La pudrición seca fue mayor (P ≤ 0.01) en los tratamientos FP que en W&P (Datos extendidos Fig. 6c). Destaca aquí la diferencia en la calidad de los tubérculos (peso, tamaño y sanidad); los agricultores indicaron que el tratamiento BP-Abm siempre dio como resultado tubérculos más largos y más grandes que parecían libres de infección por PPN (Fig. 4d, e). En todos los ensayos de campo, se observó una reducción considerable en las poblaciones de nematodos del ñame en las cáscaras de tubérculos en comparación con FP (Fig. 4j-m). Cuando se comparó con BP solo y controles (FP), el tratamiento con BP-Abm en la siembra resultó en reducciones considerables en las poblaciones finales de nematodos. Observamos una reducción del 80% en las poblaciones finales de nematodos del ñame en las cáscaras de los tubérculos (Fig. 4j-m). Esto no solo fue en gran parte responsable de la alta calidad de los tubérculos, sino que también indica riesgos sustancialmente reducidos de daño y pérdida de tubérculos poscosecha debido a este nematodo. La variación en las poblaciones finales de nematodos fue consistentemente baja en todos los ensayos durante los 4 años de ensayos de campo.

a, rendimiento de ñame en t ha−1 según la influencia de los tratamientos de W&P para ensayos de campo de 2015–2018 (lsd = 0,34, α = 0,01). b, datos estadísticos que muestran la influencia de los tratamientos BP-Abm, BP y FP en ensayos de campo de 2015 a 2018 sobre la densidad de población de S. bradys por gramo de cáscara de ñame en la cosecha y 3 meses después de la cosecha (lsd = 1,41 y 2,95, respectivamente) , α = 0,01). c–e, Parcelas que muestran la población final de S.bradys (Pf) después de almacenar los tubérculos (producidos después de los tratamientos FP, BP y BP–Abm) durante 3 y 5 meses en las regiones de Glazoué (c), Savè (d) y Savalou (e) (n = 3 para cada tratamiento). Los números 3 y 5 después de cada año en las etiquetas del eje x indican el tiempo de almacenamiento en meses. Los tubérculos recolectados de diferentes sitios se almacenaron en el mismo granero de ñame, por lo que el experimento de capacidad de almacenamiento se realizó en las mismas condiciones climáticas para evitar la influencia en los resultados. f–h, Fotografías que muestran tubérculos de ñame almacenados para evaluar el peso del tubérculo, la calidad y la población de S. bradys (f), recipientes porosos etiquetados individualmente llenos de tubérculos de ñame producidos después del tratamiento y FP (g) y tubérculos sin cáscara para el muestreo (h) . El análisis de datos en los paneles ayb consiste en ANOVA unidireccional para un diseño de bloques completos al azar con tres tratamientos y cinco repeticiones. Se hizo un análisis combinado como para un diseño factorial con tres tratamientos (BP-Abm, BP y FP), cinco repeticiones, 26 fincas y 4 años sin ajustes. Todo el análisis de datos se realizó utilizando el procedimiento de modelos lineales generales del software PC/SAS (Instituto SAS). La separación de medias se realizó mediante la prueba t de la relación k de Waller-Duncan. Los recuadros están delimitados por el cuartil 1 (inferior, percentil 25) y el cuartil 3 (percentil 75), bigotes como mínimo (cuartil 1 − 1,5 × rango intercuartílico) y máximo (cuartil 3 + 1,5 × rango intercuartílico), mediana definida por la línea en la caja (rango intercuartílico), la media representada por X y los valores atípicos representados por puntos. Las barras de error en los paneles a–e indican la desviación estándar de las medias aritméticas (que se muestran como etiquetas respectivas).

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El ñame también se considera un cultivo comercial generador de ingresos porque puede comercializarse, almacenarse y consumirse durante los 'meses de hambre' cuando la producción de otros cultivos no es posible11. Los tubérculos sanos de los ñames almacenados también se utilizan como semillas para la próxima cosecha. Mantener la salud de los tubérculos después de la cosecha es un desafío crítico, con alrededor de 1 millón de toneladas de ñame que se pierden anualmente durante el almacenamiento50. Si bien varios factores desempeñan un papel en la pérdida posterior a la cosecha, el nematodo del ñame se considera un contribuyente importante, que causa la pudrición seca y predispone a los tubérculos a infecciones fúngicas y bacterianas14,20.

El peso del tubérculo de ñame en la cosecha aumentó con los tratamientos W&P (Fig. 5a; P ≤ 0.01) de 2016 a 2018 con una mejora sustancial sobre FP (diferencia menos significativa (lsd) = 31.2, α = 0.01). Después de 3 meses de almacenamiento, el peso del tubérculo disminuyó, con pesos promedio de tubérculo de los tratamientos BP-Abm > BP > FP (lsd = 26.5, α = 0.01). El porcentaje de pérdida de peso de los tubérculos se vio afectado por los tratamientos W&P (datos extendidos, Fig. 6a,b; P ≤ 0,01). Los tubérculos de FP perdieron un mayor porcentaje de peso en comparación con los tratamientos BP-Abm, mientras que el porcentaje de pérdida de peso de BP fue mayor que el de BP-Abm (lsd = 0.81, α = 0.01).

En las tres regiones, notamos una reducción considerable en la población final de S. bradys en las cáscaras de tubérculo tratadas (BP-Abm y BP solo) en comparación con FP (Fig. 5b). El análisis estadístico de los datos de almacenamiento del tubérculo indica que los tratamientos W&P dieron como resultado una densidad de población de S. bradys más baja (P ≤ 0.01) por gramo de cáscaras en la cosecha que FP (Fig. 5b y Tabla complementaria 4). El tratamiento BP-Abm tuvo densidades de población de nematodos notablemente más bajas que BP sin tratar, que también fue más baja que FP (lsd = 1.41, α = 0.01). Si bien el factor de reproducción y el número de S. bradys en las cáscaras de tubérculos de ñame aumentaron en los tubérculos después del almacenamiento (Fig. 5b-e), las diferencias de tratamiento en la densidad de población aún estaban presentes (P ≤ 0.01). FP tuvo números mayores que los tratamientos BP, que a su vez fue mayor que el tratamiento BP-Abm (lsd = 2.95, α = 0.01).

Después de 5 meses de almacenamiento, se observó una multiplicación de 2,5 a 3 veces en la población de S. bradys en los tubérculos producidos con el tratamiento FP, mientras que la multiplicación de la población fue de 1,5 a 2 veces para los tubérculos producidos con el tratamiento BP-Abm, colocados en condiciones y duraciones similares (Fig. 5c-e). Combinado con las poblaciones iniciales más bajas en los tubérculos tratados con W&P al comienzo del almacenamiento, se trata de una reducción impresionante en la carga de nematodos del ñame. La pérdida de peso de los tubérculos durante el almacenamiento puede estar parcialmente asociada con la pérdida de humedad del secado de los tubérculos a temperaturas ambiente altas (25–30 °C). Sin embargo, el principal contribuyente a la pérdida de peso de los tubérculos de ñame durante el almacenamiento es S. bradys, que compromete en gran medida la calidad, el valor alimentario y la comerciabilidad de los tubérculos. En comparación con los controles (FP), los tubérculos tratados muestran una menor pérdida de peso en almacenamiento durante 3 y 5 meses (Datos ampliados, Figs. 6a–b y 7a–c). También observamos una reducción en la pudrición seca y el agrietamiento en los tubérculos tratados con W&P durante 3 y 5 meses de almacenamiento en las tres regiones (Datos extendidos, Figs. 6c y 7d–f).

Para evaluar la percepción de los agricultores sobre la tecnología W&P y su comerciabilidad, se realizaron tres estudios principales en las regiones de Savè, Savolou y Glazoué (video complementario). Una relación costo-beneficio promedio del 79,3 % para los ñames producidos después de los tratamientos BP-Abm en comparación con el 59,93 % generado a través de FP indica que la producción de ñame mediante el tratamiento W&P es económicamente rentable en términos de costos de producción fijos y variables51. El margen neto de 1 112 080 francos de la Comunidad Financiera Africana por hectárea (FCFA ha−1) generado por el tratamiento BP-Abm es un 153,7 % superior al de FP (723 498 FCFA ha−1), mientras que los ñames tratados solo con BP generaron un margen neto de 768.515 FCFA ha−1. En general, los agricultores recibieron un precio mucho más alto por los tubérculos tratados con W&P que por los tubérculos producidos por FP, debido a su mejor calidad y apariencia51. Lo que queda por ver es el costo de comercializar esta tecnología. Esta es una vía que se está explorando con el compromiso de hacer que esta tecnología sea lo más económica y accesible posible para los pequeños agricultores.

También evaluamos el efecto del tratamiento BP-Abm en las cualidades organolépticas de los tubérculos de ñame mediante el examen de atributos como la vegetatividad, la cosecha, el procesamiento de alimentos y la palatabilidad de los tubérculos de ñame producidos mediante el tratamiento W&P52. Los altos índices de valoración del ñame hervido y machacado producido a través del tratamiento W&P proporcionaron un fuerte apoyo por parte de los consumidores para la adopción de la tecnología W&P para una mejor producción de ñame en África Occidental52. La respuesta de varias partes interesadas, incluidos agricultores, procesadores de alimentos a base de ñame y comerciantes, se registró en función de las etapas vegetativa, de cosecha y de procesamiento de tubérculos del ñame tratado con W&P versus FP. En Savalou y Savè, la calidad sensorial/organoléptica de los alimentos derivados de tubérculos tratados con BP-Abm y los aspectos nematológicos y agronómicos representaron componentes clave de la preferencia de los interesados ​​en la adopción de esta innovación relacionada con la producción de ñame. En Glazoué, sin embargo, los descriptores nematológicos y agromorfológicos fueron más importantes en la selección de BP para la producción de ñame52. En general, el estudio muestra la preferencia de los interesados ​​en el ñame de la región central de Benin por el tratamiento W&P BP-Abm, en función de la calidad de los tubérculos y los alimentos derivados (por ejemplo, la harina).

En resumen, hemos desarrollado una plataforma robusta y flexible para la protección sostenible de cultivos para pequeños agricultores mediante el reciclaje de desechos de la cosecha de banano y cajas de cartón corrugado viejas a través de una ruta sencilla y libre de químicos. Los ensayos de campo en tres regiones diferentes de Benin mostraron un aumento considerable en el rendimiento y la calidad de los cultivos producidos a partir de tubérculos tratados con papel de banano cargado con Abm o sin tratar. Las reducciones considerables en los factores de reproducción del nematodo del ñame (S. bradys) en las cáscaras de los tubérculos después de períodos de almacenamiento de tres y cinco meses indican la eficacia de la plataforma W&P para reducir las pérdidas poscosecha. Además, el papel de plátano cargado con Abm proporcionó la mayor protección contra la podredumbre seca y el agrietamiento, seguido del papel de plátano solo. Además de la liberación prolongada, la fuerza ajustable, la integridad del suelo y la fotólisis AI reducida, la tecnología W&P es un tratamiento de fase sólida que no requiere equipo adicional para su aplicación. Un solo tratamiento con un volumen ultrabajo de AI (1/100 o menos de una formulación comercial) reduce los gastos y minimiza los efectos no deseados. Las percepciones de los agricultores y los consumidores sobre la tecnología W&P, la calidad de los alimentos y la preparación de la harina de ñame revelaron una fuerte preferencia por los ñames tratados con papel de banano Abm, y el papel de banano solo también superó la práctica de los agricultores en términos de calidad y almacenamiento. En el futuro, esta plataforma podrá modificarse estructuralmente, como bolsas, resbalones y bandejas de plántulas para escalabilidad, facilidad de aplicación y entrega de IA. La naturaleza ajustable de nuestros envoltorios de semillas también es una característica prometedora para la entrega de otras fracciones de producción de cultivos, como macro y micronutrientes, productos biológicos o insecticidas y fungicidas, con aplicación a pequeñas granjas, productores orgánicos y productores potencialmente a gran escala.

La fibra de banano (Musa acuminate) se obtuvo de la Unidad Agroindustrial de la Universidad Earth, Costa Rica. Las cajas OCC se adquirieron en la planta piloto de papel del estado de Carolina del Norte. Abm (97%) fue suministrado por Alfa Aesar. La cepa N2 de Caenorhabditis elegans (tipo salvaje) se obtuvo del Centro de Genética de Caenorhabditis. La acetona de grado reactivo (99,5 %) y el acetonitrilo de grado de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) (99,8 %) se adquirieron de Millipore Sigma. El tinte de rodamina B (≥95 %) se adquirió de Millipore Sigma y se usó sin más purificación. Para la medición del contenido de lignina, Fisher Scientific proporcionó solución de tiosulfato de sodio (0,2 N), solución de yoduro de potasio (1 N), ácido sulfúrico (4 N), solución de permanganato de potasio (0,1 N) e indicador de almidón. Se utilizó agua desionizada (DI) (pH 5,77 ± 0,13) durante todos los experimentos, excepto durante la fabricación de papel y la pulverización para las pruebas de campo.

Para preparar hojas de prueba a partir de lechadas de fibras híbridas y BF, OCC, las fibras se remojaron en agua por separado o en varias composiciones (Tabla complementaria 1) durante la noche y se diluyeron hasta una consistencia del 1,57 % antes de batirlas en el batidor de valle durante 3 min, según la Asociación Técnica de el método estándar T200 de la industria de la pulpa y el papel (TAPPI). Se usó un molde de hojas de prueba estándar de laboratorio británico para preparar al menos diez hojas de prueba circulares por composición (15,88 cm de diámetro con un gramaje de 70 gm-2) a partir de la pulpa, siguiendo el método estándar TAPPI T205. Después de seleccionar la composición final para la matriz W&P, OCC y BF se mezclaron y se convirtieron en una suspensión de pulpa con una consistencia de 1,57 % cortando mecánicamente (refinando) las fibras en agua durante 3 min en un batidor de valle. Se utilizó una máquina de papel Fourdrinier de 30,48 cm para preparar un rollo de papel de 25,4-30,48 cm de ancho (Fig. 3a–d). La suspensión de fibra preparada se almacenó en el tanque durante la noche. Luego, esta suspensión se transformó en una lámina a través de una caja de entrada abierta (Fig. 3a) para distribuir uniformemente la suspensión en la sección de alambre para la deshidratación inicial (Fig. 3b). El agua se eliminó aún más de la banda húmeda en la sección de prensa, seguido de secado mediante cilindros calientes en la sección de secado, similar al proceso en las máquinas de papel a escala industrial. El papel se enrollaba continuamente en un rollo (Fig. 3d). El gramaje objetivo (peso por área de superficie) fue de 70 a 80 gm−2. El papel (hojas y rollos de papel) se acondicionó a 23 °C y una humedad relativa del 50 % antes de probar la densidad, la resistencia al aire (método Gurley), la resistencia al estallido y el contenido de lignina, siguiendo las pruebas TAPPI T410, T460, T810 y T236, respectivamente. .

Se utilizó un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (Verios FE1) para caracterizar la morfología de varias muestras, que se volvieron conductoras recubriéndolas con una capa de oro de 10 nm antes de la caracterización, mientras que el voltaje de aceleración se mantuvo en 2,0 kV. Por lo general, se escanearon tres secciones transversales de diferentes muestras de cada tipo de papel con cinco aumentos diferentes para verificar la reproducibilidad de los datos. Los datos de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier se recogieron utilizando un espectrómetro Perkin Elmer Frontier, equipado con una etapa de reflexión total atenuada de diamante/ZnSe. Sesenta y cuatro escaneos se realizaron en cada caso mientras se accedía a los datos a través del software OMNIC. Se utilizó un analizador termogravimétrico SDT de TA Instruments para medir el contenido de agua libre y difícil de eliminar de cada muestra mediante análisis termogravimétrico. Se calentó una muestra de 10–12 mg a una velocidad de 10 °C min−1 para determinar la pérdida de peso a 50, 90 y 120 °C. El rendimiento mecánico de las muestras se examinó utilizando un accesorio de análisis mecánico dinámico en un reómetro híbrido HR-3 de la serie Discovery de TA Instruments. Se sujetaron muestras rectangulares con una longitud de 30 mm y un ancho de 10 mm en los dos extremos con un espacio de carga fijado en 15 mm y una tasa de tracción constante de 3 mm min-1. La fuerza mínima de registro para eliminar cualquier holgura de las muestras se fijó en 0,1 N. El grosor de cada muestra se midió con un calibre de tornillo micrométrico. Se evaluaron al menos tres especímenes de cada muestra y se promediaron para todas las muestras.

Para estimar el grado de unión entre las matrices y AI (Abm en este caso), sonicamos una pieza de matriz de 1 cm2 cargada con 10 ppm de Abm en 10 ml de agua DI durante 5 min. El mismo trozo de papel se transfirió posteriormente a 10 ml de acetona y se agitó vigorosamente durante 30 min para asegurar la disolución completa de Abm. El análisis HPLC de las alícuotas nos dio una estimación del AI débilmente unido liberado en agua DI en los primeros 5 min y el Abm fuertemente adherido que se recogió en acetona. Todos los experimentos se realizaron por triplicado. Para comprender la naturaleza de las interacciones entre Abm y los componentes de las matrices híbridas (BF y OCC) y sus componentes básicos (lignina y celulosa), se realizó ITC a través de un calorímetro de titulación isotérmica de TA Instruments (NanoITC, TA Instruments) a 298 K. A 2,5 La solución de Abm × 10-6 M en DI:acetona (proporción 95:5 por volumen) se valoró en una celda de 170 ml que inicialmente contenía las dispersiones de valorante (BF, OCC, lignina o celulosa) (0,001 % en peso) en el mismo solvente (DI:acetona) mediante 20 inyecciones de 2,45 µl cada una. Las inyecciones fueron preprogramadas y realizadas automáticamente a intervalos de 250 s con una velocidad de agitación de 350 rpm. El intervalo de tiempo entre inyecciones se eligió para asegurar que se lograra el equilibrio termodinámico antes de la siguiente inyección. La línea de base antes de la primera inyección y después de la final se recolectó durante 100 s. Se realizó un experimento de dilución de la solución Abm en el disolvente (DI:acetona en una proporción de 95:5 por volumen) para recopilar datos sobre el calor de dilución del valorante. La dependencia del calor de interacción con la relación Abm:valorante se obtuvo calculando el área de los picos obtenidos en cada inyección. Cada experimento de titulación se realizó por triplicado.

Se utilizó una lámpara UV INTELLI-RAY 400 con una intensidad de 50 mW cm−2 para exponer tres réplicas de muestras Abm solamente (en papel de copia), BP-Abm, Abm-BF y Abm-OCC a la luz UV durante 30, 60 , 120 y 180 min (Fig. 3 complementaria). El contenido de Abm se mantuvo alrededor de 10 ppm por gramo de muestra. Las muestras se agitaron en acetona durante 1 hora para asegurar la disolución completa de Abm, que se determinó mediante HPLC.

El estudio de campo se llevó a cabo de 2015 a 2018 en la zona de transición Guinea-Sudán de Benin (centro de Benin, África Occidental) en tres distritos: Glazoué (sitio de Houin), Savalou (sitio de Agbadogo) y Savè (sitio de Gobé) . Los experimentos se llevaron a cabo durante tres años consecutivos en un total de 16 campos de agricultores en Glazoué (Gl-1, Gl-2, Gl-3, Gl-4 y Gl-5) y Savè (Sa-1, Sa-2, Sa-3, Sa-4 y Sa-5), y durante dos años consecutivos en Savalou (Sv-1, Sv-2, Sv-3, Sv-4, Sv-5 y Sv-6). Las siglas se refieren a los nombres de las diversas fincas que formaron parte de este estudio. El clima en el que se realizaron los ensayos es el de la sabana húmeda tropical de Guinea-Sudán, con un régimen de transición entre una distribución de lluvia bimodal (sur de Benin) y una distribución de lluvia unimodal (norte de Benin). La precipitación media anual en la zona de transición es de 900 a 1.200 mm con variaciones estacionales y una distribución desigual, exacerbada por el aumento del cambio climático. La mayoría de los suelos de esta región se clasifican como suelos ferruginosos tropicales53 con una textura franco-arenosa (Tabla complementaria 5). Los sitios de Agbadogo y Gobé están ubicados en tierras bajas (suelos moderadamente bien drenados), mientras que Houin está ubicado en una meseta (suelos bien drenados).

Las actividades de campo se llevaron a cabo en la zona agroecológica de la sabana subhúmeda, una de las principales regiones productoras de ñame de Benin (Datos ampliados, Fig. 4a). Se tomaron muestras de suelo para la evaluación preliminar de los niveles de infestación de nematodos. Después del análisis de la muestra, se seleccionó el campo con la mayor densidad de población de nematodos. Por lo tanto, se seleccionaron un total de diez campos (cinco por ubicación) para el ensayo. Los campos se limpiaron de vegetación y se hicieron montículos siguiendo las prácticas de cultivo de ñame. Los montículos se etiquetaron de acuerdo con el diseño del experimento (Datos extendidos Fig. 4b-d). Cada ensayo de campo se organizó en un diseño de bloques completos al azar con cinco repeticiones y tres tratamientos (Datos extendidos Fig. 4e): las parcelas, separadas por 2 m, acomodaron cuatro filas de seis montículos. En cada campo, el ensayo se organizó en un diseño de bloques completos al azar con cinco repeticiones y tres tratamientos (Datos extendidos Fig. 4d): (1) papel de plátano + Abm (BP-Abm); (2) papel de plátano solo (BP); y (3) control sin tratar (conocido como práctica de los agricultores, FP), en el que se sembraron semillas de ñame sin papel de plátano. Cada envoltura de BP-Abm (15,25 × 20,25 cm2) contenía 10 µg de Abm. Esto dio como resultado parcelas con Abm a razón de 1,0 g ha−1 o 4,54 ppb.

Después de preparar los montículos para la siembra y etiquetarlos después de los tratamientos, se recolectaron muestras de suelo para estimar las densidades de población de nematodos antes de la siembra. Se extrajeron cuatro testigos de suelo por parcela de 5 a 30 cm de profundidad utilizando una llana manual, siguiendo un patrón de muestreo en zig-zag54. Los núcleos de suelo de la misma parcela se combinaron y mezclaron completamente antes de extraer una muestra compuesta de 250 cm3 para la extracción de nematodos utilizando la técnica de centrifugación descrita en la ref. 55. Los NPP recuperados en los campos pertenecían al menos a uno de los tres géneros más importantes: Scutellonema spp., Meloidogyne spp. y Pratylenchus spp. Los campos albergaron una densidad inicial de nematodos de al menos 500 nematodos por 250 cm3 de suelo.

Cada montículo se sembró con semilla única de ñame (cv. Klatchi del complejo Dioscorea cayenensis-rotundata) envuelto o no con papel de plátano, según el tratamiento. Se produjeron semillas de ñame para el primer año de ensayos en suelo libre de nematodos usando la técnica de miniset56. Durante los años siguientes, se compraron semillas de ñame de agricultores que habían sido capacitados previamente para la producción de semillas de ñame libres de nematodos. Brevemente, establecieron la plantación de ñame de semilla madre tratada, luego cosecharon tubérculos de julio a septiembre y mantuvieron las vides en los montículos. Los pequeños tubérculos generados por las raíces de estas vides de septiembre a diciembre se utilizaron como semilla limpia de ñame para los años siguientes. No se aplicaron fertilizantes, y los agricultores realizaron la siembra y otras operaciones culturales de acuerdo con las prácticas locales. La siembra se realizó al comienzo de la primera temporada de lluvias (8 a 11 de junio de 2015, 13 a 16 de mayo de 2016, 26 de abril a 29 de mayo de 2017, 8 de mayo de 2018) y los tubérculos se cosecharon de 7 a 8 meses después, cuando las vides estaban completamente secas. La FP típica es plantar la pieza de semilla de ñame en el montículo sin más insumos. Los FP varían entre fincas, pero el control de malezas se realiza mediante cultivo manual cuando ocurre, y no se agrega fertilizante a los montículos. No se emplean aplicaciones agroquímicas para el control de insectos o enfermedades. El cultivo de ñame requiere muy pocos insumos y requiere mucha mano de obra, y el manejo del cultivo se realiza manualmente.

La evaluación de la eficacia poscosecha de la tecnología W&P se inició en 2016 para estudiar el efecto de los tratamientos en el aumento de la población de nematodos, la disminución del peso del tubérculo de ñame y la calidad después del almacenamiento. Se cosecharon los tubérculos y se determinaron los rendimientos como los pesos acumulativos de todos los montículos y se expresaron en gramos por metro cuadrado. El efecto de W&P sobre la capacidad de almacenamiento de los tubérculos se evaluó después de períodos de almacenamiento de tres y cinco meses. Se recolectaron al azar dos tubérculos de parcelas individuales en el momento de la cosecha, se colocaron en bolsas de plástico y luego se almacenaron en un granero de ñame cubierto y abierto por los lados (Fig. 5f) para evaluar la acumulación de la población de nematodos y el daño a los tubérculos. Se registraron los pesos de dos tubérculos por parcela utilizados para los estudios de poscosecha antes y después del almacenamiento, y el porcentaje de pérdida de peso se calculó de la siguiente manera:

Los tubérculos recolectados de diferentes sitios se almacenaron en el mismo granero de ñame, por lo que el experimento de capacidad de almacenamiento se realizó en las mismas condiciones climáticas para evitar la influencia en los resultados. El sitio del experimento de capacidad de almacenamiento está ubicado en la región de sabana subhúmeda con un clima subecuatorial caracterizado por dos estaciones húmedas de mediados de marzo a mediados de julio y de mediados de septiembre a mediados de noviembre, alternando con dos estaciones secas. La precipitación media anual oscila entre 1.000 y 1.200 mm, y la temperatura media anual entre 25 y 30 °C.

Las densidades de población de nematodos se estimaron en la cosecha a partir de tubérculos y muestras de suelo. Para determinar las densidades de población de nematodos de los tubérculos, se extrajeron cáscaras de muestra (corteza externa) de un área de 5 × 5 cm2 en los cuatro lados de cada uno de los tres tubérculos con un pelador de cocina (modificado de la ref. 18; Fig. 5g, h y video complementario) . Luego se mezclaron completamente las cáscaras de los tubérculos de la misma parcela y se extrajeron 25 g de cáscaras para la extracción de nematodos utilizando la técnica de centrifugación. Para los nematodos del suelo, se recolectaron submuestras de suelo de las zonas de tubérculos en los montículos medios, y se extrajo una muestra compuesta de suelo de 250 cm3 por parcela y se procesó para la estimación de la población. A partir de entonces, los nematodos se identificaron morfológicamente y se contaron bajo un microscopio de disección Olympus CX31 con un aumento de ×20.

Los nematodos en tubérculos almacenados también se extrajeron de 25 g de cáscaras de ñame siguiendo el procedimiento descrito en el párrafo anterior. La acumulación de población de S. bradys durante el almacenamiento se determinó en la cosecha del ñame y después del almacenamiento. El factor de reproducción (Rf) para S. bradys durante el almacenamiento se calculó como:

Antes de retirar la piel, las muestras de tubérculos se sometieron a una evaluación visual de los síntomas de nematodos en la cosecha y después de 3 o 5 meses de almacenamiento. La gravedad de los síntomas de pudrición seca y agrietamiento se calificó en una escala de 1 a 5 de la siguiente manera: 1 = tubérculo limpio; 2 = 1–25% de la piel del tubérculo que muestra síntomas específicos (bajo nivel de daño); 3 = 26–50% de la piel del tubérculo que muestra síntomas específicos (nivel de daño bajo a moderado); 4 = 51–75% de la piel del tubérculo muestra síntomas específicos (nivel de daño moderado a severo); y 5 = 76–100 % de la piel del tubérculo que muestra los síntomas específicos (alto nivel de daño)28,57,58.

El análisis de datos para cada sitio consistió en un análisis de varianza (ANOVA) para un diseño de bloques completos al azar con tres tratamientos (FP, BP y BP-Abm) y cinco repeticiones. Los resultados anuales se combinaron para determinar las diferencias entre años. Todo el análisis de datos se realizó utilizando el procedimiento de modelos lineales generales del software PC/SAS (Instituto SAS). El lsd se utilizó para la separación de medias. Debido a que observamos diferencias sustanciales en los patrones de lluvia y las prácticas de cultivo entre fincas y años, cada año y los datos entre fincas dentro de cada año se analizaron por separado.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado, como archivos de datos de origen separados y archivos de información complementaria. Los datos de origen se proporcionan con este documento.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado, total o parcialmente, por la Fundación Bill & Melinda Gates (OPP1118810 y OPP1196989). Bajo las condiciones de concesión de la fundación, ya se ha asignado una licencia genérica Creative Commons Attribution 4.0 a la versión manuscrita aceptada por el autor que pueda surgir de esta presentación. Este trabajo se realizó en parte en el Centro de Instrumentación Analítica (AIF) de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, que cuenta con el apoyo del estado de Carolina del Norte y la Fundación Nacional de Ciencias (premio número ECCS-1542015). La AIF es miembro de la Red de Nanotecnología del Triángulo de Investigación de Carolina del Norte (RTNN), un sitio en la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología (NNCI). Los autores también desean agradecer al Instituto Kenan de Ingeniería, Tecnología y Ciencia de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. AA agradece a H. Dedehouanou, F. Chadare, A. Badou y al personal técnico de la Unidad de Nematología de la Universidad de Abomey-Calavi por su contribución al estudio sobre la percepción de las partes interesadas del ñame sobre la tecnología W&P y las pruebas de campo.

Estos autores contribuyeron por igual: T. Pirzada, A. Affokpon.

Estos autores supervisaron conjuntamente este trabajo: SA Khan, CH Opperman.

Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, NC, EE. UU.

Tahira Pirzada y Saad A. Khan

Escuela de Ciencias Vegetales, Facultad de Ciencias Agronómicas, Universidad de Abomey-Calavi (UAC), Abomey-Calavi, Benin

antoine affokpon

Departamento de Entomología y Patología Vegetal, Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, NC, EE. UU.

Richard H. Guenther, Reny Mathew, Tim L. Sit, Stephen R. Koenning, Eric L. Davis y Charles H. Opperman

Departamento de Biomateriales Forestales, Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, NC, EE. UU.

Ágata Sachin, Aitana Blevins, Medwick V. Byrd y Lokendra Pal

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TP, AA, RM, RHG, LP, AB, TLS, MVB y SA contribuyeron a los experimentos. TP y AA escribieron el artículo. CHO y SAK gestionaron el proyecto. TP, AA, RGH, LP, SRK, CHO y SAK contribuyeron al análisis e interpretación de los datos. Todos los autores contribuyeron con la discusión y la revisión crítica del manuscrito.

Correspondencia con Charles H. Opperman o Saad A. Khan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Food agradece a Hannah Karuri, Fathiya Khamis y los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Imágenes SEM que muestran secciones superficiales de papel hecho de (a) fibra de banano (BF) y (b) OCC. Imágenes SEM que muestran la variación en la morfología de las fibras de las secciones transversales de las hojas de prueba desarrolladas a partir de fibras BF:OCC mezcladas en diversas proporciones, (c) BO82 (80:20), (d) BO64 (60:40), (e) BO46 (40:60) y (f) BO28 (20:80). Se escanearon 3 réplicas independientes de cada muestra con 5 aumentos diferentes para verificar la reproducibilidad de los datos. Gráficos que muestran la variación en (g) los índices de estallido y (h) la densidad y la resistencia al aire (inversamente relacionada con la porosidad) de las hojas preparadas a partir de BF, OCC y fibras híbridas (BO). Las barras de error representan la desviación estándar en los valores medios respectivos de 10 repeticiones independientes. hojas de mano

Datos fuente

(ad) Fotografías que muestran el diseño de estudios de integridad del suelo en invernadero utilizando la planta de tomate como bioindicador. (e) Esquema que propone el diseño de la prueba 'W&P' basada en estudios de integridad del suelo. (f) Fotografías que muestren varias muestras antes y después de permanecer en el suelo durante 7, 14 y 21 días. Imágenes SEM que muestran la sección superficial de (g) BF, (h) BO82, (i) BO64, (j) BO46, (k) BO28 y (l) OCC después de retirarlos del suelo después de 21 días. Las puntas de flecha rojas muestran esporas de micro/macroorganismos del suelo. Por lo general, se escanearon 3 réplicas independientes de cada muestra con 5 aumentos diferentes para verificar la reproducibilidad de los datos.

(a) Tomografía de rayos X que muestra orientación aleatoria en 3D y empaquetamiento suelto de fibras en papel de plátano. Se escanearon dos réplicas independientes de papel de plátano con diferentes aumentos y ubicaciones para verificar la reproducibilidad de los datos. ( b ) Imágenes SEM de alto y bajo aumento que muestran la morfología de una sección transversal de papel de plátano. Se escanearon tres réplicas independientes del artículo con 5 aumentos diferentes para verificar la reproducibilidad de los datos. (c) Diagrama de tensión-deformación del papel de plátano preparado (BP-0), y después de mantenerlo en el suelo durante 7 (BP-7), 14 (BP-14) y 21 días (BP-21). Por lo general, se prueban tres réplicas independientes de cada muestra para verificar la reproducibilidad de los datos. ( d ) Gráfico que muestra la biodisponibilidad de Abm de BF, OCC, BO82 y BP después de 15 ciclos de hidratación (n = 3). Las barras de error muestran la desviación estándar en los datos de biodisponibilidad media en cada caso.

Datos fuente

(a) Mapa que muestra las regiones de Savé (verde), Glazoué (naranja) y Savalou (rojo) en Benin. El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/) ). (bd) Fotografías que muestren la preparación y el establecimiento de los campos de ñame. (e) Esquema que muestra un diseño de bloques completos al azar de un campo con parcelas tratadas con papel de banano cargado con abamectina (BP-Abm), solo papel de banano (BP) y control sin tratar denominado práctica de los agricultores (FP).

Datos de precipitaciones de Savé (2015-2017), Galzoué (2015-2017) y Savalou (2017-2018).

Datos fuente

Datos que muestran (a) el peso del tubérculo de ñame (g / tubérculo) en la cosecha y 3 meses después de la cosecha (diferencia mínima significativa (lsd) 31,2 y 26,5 respectivamente α = 0,01), (b) porcentaje de pérdida de peso de los tubérculos después de 3 meses de almacenamiento. (lsd = 0,81, α = 0,01), (c) podredumbre seca del ñame en una escala de 1 a 5 según la influencia de los tratamientos de W&P (lsd = 0,10, alfa 0,01), y (d) factor reproductivo 3 meses después de la cosecha (Rf 3 = densidad de población a los 3 meses / densidad de población {cosecha} inicial / g de cáscara de ñame) para Scutellonema bradys (lsd = 0,12, α = 0,01), (e) Influencia de los tratamientos de W&P en la densidad de población final de Scutellonema bradys por gramo de cáscara de ñame de 2015 a 2018 (diferencia mínima = 1,41, α = 0,01) y (f) Densidad de población (Pf3/g de cáscara de ñame) 3 meses después de la cosecha para Scutellonema bradys afectada por los tratamientos de W&P de 2016 a 2018 (lsd = 2,95, α = 0,01). El análisis de datos consistió en un análisis de varianza (ANOVA) de una vía para un diseño de bloques completos al azar con tres tratamientos y cinco repeticiones. Se hizo un análisis combinado como para un diseño factorial con tres tratamientos (BP-Abm, BP y FP), cinco repeticiones, 26 fincas y cuatro años sin ajustes. Todo el análisis de datos se realizó utilizando el procedimiento de modelos lineales generales (PROC GLM) del software PC/SAS (SAS Institute, Cary, NC). La separación de medias se realizó mediante la prueba t de la relación K de Waller-Duncan. Los recuadros están delimitados por Q1 (abajo, percentil 25) y Q3 (percentil 75), bigotes como mínimo (Q1-1.5*IQR) y máximo (Q3 + 1.5*IQR), mediana definida por línea en el recuadro (IQR), media representado por X, valores atípicos representados por puntos.

Datos fuente

Datos posteriores a la cosecha que muestran la pérdida de peso y la salud de los tubérculos (podredumbre seca y agrietamiento) después de 3 y 5 meses de almacenamiento en (a) y (d) Glazoué (2016-2017), (b) y (e) Savé (2016) -2017) y regiones (c) y (f) Savalou (2017-2018). Las barras de error en la parte ac indican la desviación estándar de las medias aritméticas.

Datos fuente

Discusión complementaria, figuras complementarias. 1 a 3, tablas complementarias 1 a 5 y referencias.

Video que muestra las pruebas de campo de preparación y cosecha en Benin.

Archivo de Excel que muestra los datos de origen de los gráficos que se muestran en las figuras complementarias. 1–3.

Fuente de datos para gráficas de tensión-deformación y módulo de Young.

Datos de origen para la sorción de agua, la unión de abamectina y los resultados de la titulación isotérmica.

Fuente de datos sobre retención de bioactividad.

Fuente de datos sobre rendimiento y población de nematodos.

Fuente de datos para todas las parcelas.

Datos brutos de índice de estallido, densidad y resistencia del aire.

Datos sin procesar utilizados para trazar el estrés y las retenciones de bioactividad.

Fuente de datos para los patrones de lluvia.

Fuente de datos para analizar varios efectos del tratamiento.

Fecha de origen sobre la salud del tubérculo y el porcentaje de pérdida de peso durante el almacenamiento.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Pirzada, T., Affokpon, A., Guenther, RH et al. Las envolturas de semillas híbridas basadas en biomasa vegetal mitigan el rendimiento y las pérdidas posteriores a la cosecha entre los pequeños agricultores en el África subsahariana. Comida nacional 4, 148–159 (2023). https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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Recibido: 07 julio 2022

Aceptado: 10 de enero de 2023

Publicado: 16 febrero 2023

Fecha de emisión: febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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