La alimentación de alimentos ricos en nutrientes a las futuras poblaciones mundiales presenta a la agricultura con enormes desafíos, ya que las estimaciones indican que la producción de cultivos debe duplicarse. La producción de cultivos no puede aumentarse para enfrentar este desafío simplemente aumentando la superficie de tierra o utilizando métodos pasados de intensificación agrícola. La producción de alimentos se duplicó en el pasado mediante el uso sustancial de fertilizantes sintéticos, pesticidas e irrigación, todo a un costo ambiental significativo. La producción futura de alimentos ricos en nutrientes requerirá sistemas de producción de cultivos de próxima generación con una disminución en la dependencia de fertilizantes sintéticos y pesticidas. Aquí presentamos tres estudios de caso que detallan el desarrollo de cultivos de cobertura y microbios beneficiosos para sistemas de producción sostenible de granos pequeños, tomate y colza de próxima generación. Los cultivos de cobertura proporcionaron control de malezas y patógenos, y disminuyeron la erosión del suelo y la pérdida de nitrógeno, fósforo y carbono del suelo, mientras que los microbios beneficiosos para las plantas proporcionaron control de enfermedades y fertilidad de fósforo. Sin embargo, el rendimiento en estos sistemas de producción de cultivos de próxima generación aproximó en el mejor de los casos al asociado con los sistemas de producción actuales. Sostenemos aquí que para aumentar sustancialmente la productividad agrícola, es necesario desarrollar nuevo germoplasma de cultivos con contenido nutricional mejorado y tolerancia mejorada al estrés abiótico y biótico. Esto requerirá el uso de todas las tecnologías disponibles, incluidas herramientas de ingeniería genética intensificadas, en los sistemas de cultivo de próxima generación.