Proxecto H2020 AgroPHYS: Comprender como as plantas superan a seca controlando a función estomática: aplicabilidade e impactos na agricultura
- Tipo Proxecto
- Estado Cheo
- Execución 2017 -2020
- Orzamento asignado 263.440,8 €
- Ámbito Europeo
- Fonte principal de financiamento H2020
- Páxina web do proxecto AgroPHYS
A seca pode causar importantes perdas económicas debido á diminución da produtividade. Polo tanto, os novos coñecementos sobre como as plantas fan fronte á seca derivada dos resultados de AgroPHYS terán un gran impacto na redución destas perdas económicas optimizando o uso da auga na agricultura e mesmo mellorando a calidade do produto final. Por exemplo, na agricultura existe unha estratexia de rega denominada Rego Déficit Regulado, que se basea en aplicar exactamente a auga que precisa o noso cultivo en cada unha das súas fases fenolóxicas, porque se sabe que segundo a fase na que se atope o cultivo, será menos ou máis resistente á seca.
Estas estratexias pódense optimizar en gran medida mellorando o coñecemento fisiolóxico detrás destas diferentes resistencias en diferentes etapas fenolóxicas. Ademais, este coñecemento permitiranos situar as saídas dos sensores das plantas nun contexto fisiolóxico, permitíndonos monitorizar estas variables fisiolóxicas ao longo do tempo e utilizalas como entradas para mellorar as predicións do cambio climático nas plantas mediante modelos mecanicistas e proporcionar novas hipóteses para probar. Porén, isto só será posible se hai unha boa comunicación entre fisiólogos e agrónomos para mellorar as estratexias de rega, entre eles e enxeñeiros e empresas para minimizar os custos das tecnoloxías agrícolas, e entre eles e matemáticos e modelistas para traducir os mecanismos fisiolóxicos en ecuacións.
Os primeiros resultados obtidos na Fase de Saída foron: 1) utilizouse por primeira vez a técnica óptica para monitorizar simultaneamente a formación de émbolos de xilema en raíces, talos e follas en mudas de oliveira enteiras e intactas; (2) identificáronse as raíces como os órganos máis resistentes á formación destas embolias, en contraste con estudos anteriores que indicaban as raíces como tecidos máis vulnerables que os tecidos centrais (talos); e (3) atopouse unha variación relativamente alta na resistencia entre individuos, entre tecidos e dentro dos tecidos.
Dado que neste estudo non se avaliou o impacto da hidráulica das plantas na función estomática, tamén se realizou un experimento específico en oliveiras para determinar se a vía hidráulica do solo á folla é dinámica ou estática durante o peche dos estomas. Os resultados incluíron: (1) o desenvolvemento dun novo método hidráulico para dividir as vías hidráulicas do chan ás follas, e (2) unha diminución observada na capacidade de transporte de auga das raíces en condicións de seca moderada que funcionaba como un sinal hidráulico para limitar a apertura de estomas, axudando á planta a conservar a auga e illándoa do chan de secado.
Relacionado directamente con AgroPHYS, estamos ampliando o noso coñecemento de como os trazos hidráulicos poden ser decisivos para protexer as plantas contra os efectos negativos da seca traballando con diferentes xenotipos de oliveiras. Ademais, tamén se abordou a perspectiva de aplicación de AgroPHYS mediante o desenvolvemento de ferramentas robustas e de base fisiolóxica para a xestión do rego, demostrando que a combinación dos tres principais campos de investigación de AgroPHYS non só é posible senón que é esencial para avanzar na optimización do uso da auga na agricultura. Ademais destes resultados directos de AgroPHYS, e grazas á participación en campañas baseadas no sincrotrón, demostramos que a técnica óptica era tan eficaz como as técnicas hidráulicas e de microtomografía na medición dos limiares de resistencia hidráulica do estrés hídrico.
Ao longo da Fase de Entrada, os experimentos centráronse fundamentalmente na aplicación dos novos coñecementos fisiolóxicos vexetais adquiridos durante a Fase de Saída no xardín experimental do IRNAS-CSIC 'La Hampa'. Seis especies de árbores froiteiras foron amplamente caracterizadas fisioloxicamente e monitorizadas con sensores meteorolóxicos, de solo e vexetais.
Como resumo dos resultados xerais de AgroPHYS podemos dicir que (1) coñecer a resistencia ao estrés hídrico das especies agrícolas é fundamental nun contexto de cambio global; (2) Non obstante, estes niveis de estrés hídrico non se deben acadar nas hortas de árbores froiteiras e, de feito, as plantas evitan pechando os seus estomas; (3) As limitacións na produtividade derivadas deste peche estomatolóxico parecen estar relacionadas coa capacidade de absorción de auga subterránea; e (4) demostramos que a condutancia estomática debe ser o noso obxectivo para controlar o estrés hídrico en hortas froiteiras.
A explotación e difusión destes resultados abordouse a través da súa presentación en varios Encontros Internacionais de Xylem, en seminarios tanto na Universidade de Tasmania como en Centros de Investigación en España, iniciando unha colaboración con científicos do solo da Universidade de Bayreuth (Alemaña), e publicando varios artigos en revistas de alto nivel, que dan un apoio adicional ás nosas conclusións.
Actualmente estamos a vivir unha crise global onde o aumento da poboación mundial e, en consecuencia, a demanda de alimentos, está a situar a agricultura nun contexto de urxencia porque terá que producir este alimento sen desperdiciar a auga necesaria para esa produción. Ademais, a crise climática e a crecente escaseza de auga, co que o uso agrícola da auga supón ata o 80% da auga doce dispoñible, fan imprescindible mellorar as prácticas agrícolas e desenvolver estratexias de rega máis eficientes.
Os eventos de seca, cada vez máis frecuentes e graves, provocan estrés hídrico das plantas, unha resposta funcional e estrutural das plantas á baixa dispoñibilidade de auga, que reduce a produtividade dos cultivos. Polo tanto, comprender o impacto, os mecanismos e as características subxacentes da tolerancia á seca nas especies de plantas agrícolas é esencial para aumentar a eficiencia das estratexias de rega e mellorar a produtividade. Os impactos disto na sociedade son directos e representan as principais prioridades de Europa: optimizar a agricultura nun clima cambiante con reducida dispoñibilidade de auga e unha poboación en crecemento.
O proxecto AgroPHYS pretende combinar tres áreas importantes de investigación (diagrama adxunto) para abordar esta necesidade urxente: unha comprensión fundamental dos mecanismos fisiolóxicos das respostas das plantas á seca, o uso de sensores vexetais para supervisar estas respostas en tempo real e a implementación de modelos de base fisiolóxica para predicir os impactos do cambio global nas plantas e proporcionar novas hipóteses para probar.
As conclusións da actuación pódense resumir do seguinte xeito: (1) o uso da técnica óptica para visualizar in vivo a formación de bloqueo de aire dentro do sistema vascular a medida que se deshidratan as plántulas de oliveira, permitiu demostrar que as raíces eran os órganos máis resistentes á disfunción hidráulica; (2) Os resultados obtidos desta técnica óptica fácil de usar e de baixo custo coinciden coas técnicas hidráulicas máis habituais e coas técnicas baseadas no sincrotrón de alta resolución; (3) As limitacións da apertura estomática parecen estar relacionadas cunha diminución da condutancia hidráulica do chan-raíz baixo niveis moderados de estrés hídrico nas oliveiras; (4) A produción de ácido abscísico nas follas é fundamental para protexer os vasos da formación de esclusas de aire, xa que xoga un papel fundamental no desencadeamento do peche estomático; e (5) cunha combinación de modelos mecánicos e sensores de presión de turxencia foliar, é posible un seguimento automático e continuo da condutancia estomática en especies de árbores froiteiras, o que mellorará a auga utilizada por estas hortas.
As plantas terrestres afrontaron a seca desde que colonizaron por primeira vez a terra seca. A seca é a causa máis común de estrés hídrico, unha resposta funcional e estrutural das plantas á baixa dispoñibilidade de auga. Comprender o impacto, os mecanismos e os trazos subxacentes da tolerancia á seca nas especies vexetais agrícolas é esencial para mellorar a produtividade e tamén representa unha importante prioridade europea (SFS-01-2016): optimizar a agricultura nun clima cambiante cunha dispoñibilidade de auga reducida e unha poboación en aumento.
Para facer fronte a esta necesidade urxente, é necesario entender primeiro como os estomas regulan o intercambio de gases nas follas, xa que os estomas son a principal limitación da fotosíntese nos cultivos baixo estrés hídrico. Tanto os sinais hidráulicos como os non hidráulicos ou hormonais son os principais motores da regulación estomática. Por iso, AgroPHYS propón investigar como interactúan estes sinais para protexer as plantas da desecación nociva. Este proxecto xerará coñecemento fisiolóxico na UTAS a partir dunha serie de técnicas experimentais e aplicalo a un modelo baseado en fisioloxía e a un sensor automático baseado en plantas para guiar tanto a xestión do rego como a investigación no IRNAS-CSIC.
Os obxectivos de AgroPHYS son (i) avaliar a importancia relativa e a coordinación dos sinais hidráulicos e hormonais nas respostas estomáticas das plantas á seca e á recuperación, e (ii) aplicar estes coñecementos, utilizando un modelo mecanicista e un sensor vexetal, para predicir a produtividade relativa ao consumo de auga en especies vexetais agrícolas con diferentes estratexias de uso da auga.
O grupo de investigación saínte está á vangarda da investigación fisiolóxica e o ambiente de aprendizaxe proporcionará o máximo beneficio ao candidato e excelentes oportunidades para interactuar con investigadores de todo o mundo. Estas habilidades e coñecementos serán transferidos de novo ao IRNAS-CSIC, proporcionando datos esenciais non só para a investigación científica sobre o funcionamento das plantas senón tamén para a agricultura de precisión e unha óptima xestión do rego.
A taxa de crecemento da poboación mundial supera con creces calquera aumento da produción agrícola. A agricultura non pode seguir o ritmo, e unha razón fundamental é a dispoñibilidade de auga. Para satisfacer a poboación proxectada de 2050, a agricultura necesitará un 70% máis de auga que hoxe. Non obstante, esa auga xeralmente non estará dispoñible. Moitas partes do mundo, incluída Europa, enfróntanse a unha dispoñibilidade de auga reducida debido ao cambio climático. Nos países áridos e semiáridos, a agricultura xa consome ao redor do 80% da auga doce dispoñible, e consumirá aínda máis a medida que se afiance o cambio climático. Polo tanto, a agricultura debe ser máis eficiente. Os europeos terán que comezar a regar os seus cultivos, e regar con precisión.
Non obstante, as prácticas actuais de xestión de rega son limitadas á hora de determinar as cantidades óptimas de auga dos cultivos en condicións secas. Serán necesarios novos métodos de rego. Conseguilo requirirá unha comprensión completa da resposta fisiolóxica das plantas de cultivo á seca.
Estrés hídrico e resposta á seca. O proxecto AgroPHYS financiado pola UE investigou esta resposta e utilizou sensores mecánicos para supervisala en tempo real. A investigación levouse a cabo co apoio do programa Marie Sklodowska-Curie. A clave para estudar a resposta fisiolóxica das plantas á seca é o concepto de estrés hídrico. Basicamente, isto significa que a planta ten sede pero non pode obter suficiente auga.
Entón, a planta non crecerá de forma óptima. "É fundamental contar co mellor indicador do estrés hídrico das plantas para unha correcta programación do rego", explica a coordinadora do proxecto Celia Rodríguez Domínguez. "Isto indicaría canta auga se debe aplicar para o rego e cando". Mellorar o control do estrés hídrico Non obstante, comprender o estrés hídrico é complicado. Os dispositivos de monitorización estándar son ambiguos e difíciles de relacionar con respostas fisiolóxicas específicas.
A maioría dos indicadores actuais son insatisfactorios. Para atopar un mellor, os investigadores de AgroPHYS utilizaron unha serie de instrumentos de monitorización de plantas preexistentes para determinar os procesos fisiolóxicos. As máis importantes e innovadoras foron as cámaras e microscopios especiais empregados para controlar a formación de burbullas de aire dentro do sistema vascular das mudas de oliveira a medida que as plantas se deshidratan. Ademais, o equipo desenvolveu unha combinación novidosa de técnicas de rehidratación, utilizadas para medir o movemento da auga desde a raíz do chan ata a folla.
Os novos coñecementos fisiolóxicos derivados destas observacións foron os resultados máis significativos do proxecto. Outros resultados importantes foron a demostración de que o coñecemento da resistencia das especies agrícolas ao estrés hídrico é importante no contexto do cambio climático. Porén, é pouco probable que se produzan altos niveis de estrés nas árbores froiteiras, que o evitan pechando os seus estomas. Os investigadores concluíron que o grao en que o peche estomático limita a produtividade depende da capacidade de captación de auga subterránea da planta. “Demostramos que a condutancia estomática debe ser a variable obxectivo para o seguimento do estrés hídrico nas árbores froiteiras”, engade Rodríguez Domínguez.
Na práctica, se os científicos puidesen detectar antes o estrés hídrico nas plantas, os cultivos requirirían menos auga, facendo que o rego sexa máis eficiente. Ademais, poder relacionar o estrés hídrico coa fisioloxía da produtividade permite aos investigadores adaptar estratexias de rega en función das etapas de crecemento. Con sensores, os pequenos agricultores poderán aumentar o rendemento e a calidade dos cultivos ao mesmo tempo que aforran auga e mellora a eficiencia da auga.
- AGENCIA ESTATAL CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC)
Proxectos relacionados
