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 Horizonte 2020
- Páxina web do proxecto AgroPHYS
A seca pode causar perdas económicas significativas debido á diminución da produtividade. Polo tanto, os novos coñecementos sobre como as plantas lidan coa seca derivados dos resultados de AgroPHYS terán un grande impacto na redución destas perdas económicas ao optimizar o uso da auga na agricultura e mesmo mellorar a calidade do produto final. Por exemplo, na agricultura existe unha estratexia de rega chamada Rega Déficitaria Regulada, que se basea en aplicar exactamente a auga que o noso cultivo necesita en cada unha das súas etapas fenolóxicas, porque se sabe que dependendo da etapa na que se atope o cultivo, será menos ou máis resistente á seca.
Estas estratexias pódense optimizar en gran medida mellorando o coñecemento fisiolóxico que subxace a estas diferentes resistencias en diferentes etapas fenolóxicas. Ademais, este coñecemento permitiranos situar as saídas dos sensores das plantas nun contexto fisiolóxico, o que nos permitirá monitorizar estas variables fisiolóxicas ao longo do tempo e usalas como entradas para mellorar as predicións do cambio climático nas plantas mediante modelos mecanísticos e proporcionar novas hipóteses para probalas. Non obstante, isto só será posible se existe unha boa comunicación entre fisiólogos e agrónomos para mellorar as estratexias de rega, entre eles e os enxeñeiros e as empresas para minimizar os custos das tecnoloxías agrícolas, e entre eles e os matemáticos e modeladores para traducir os mecanismos fisiolóxicos en ecuacións.
Os primeiros resultados obtidos durante a Fase de Saída foron: 1) a técnica óptica empregouse por primeira vez para monitorizar simultaneamente a formación de émbolos do xilema en raíces, talos e follas en plántulas de oliveira enteiras e intactas; (2) identificáronse as raíces como os órganos máis resistentes á formación destas embolias, en contraste con estudos previos 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 o impacto da hidráulica das plantas na función estomática non se avaliou neste estudo, 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 estomático. Os resultados incluíron: (1) o desenvolvemento dun novo método hidráulico para dividir as vías hidráulicas desde o solo ata as follas e (2) unha diminución observada na capacidade de transporte de auga das raíces en condicións de seca moderada que funcionou como un sinal hidráulico para limitar a apertura dos estomas, axudando á planta a conservar auga e illándoa do solo que se secaba.
Directamente relacionados con AgroPHYS, estamos a ampliar o noso coñecemento sobre como as características hidráulicas poden ser decisivas para protexer as plantas contra os efectos negativos da seca traballando con diferentes xenotipos de oliveira. Ademais, tamén se abordou a perspectiva de aplicación de AgroPHYS mediante o desenvolvemento de ferramentas robustas e baseadas na fisioloxía para a xestión do rego, o que demostra que a combinación dos tres principais campos de investigación de AgroPHYS non só é posible, senón esencial para avanzar na optimización do uso da auga na agricultura. Ademais destes resultados directos de AgroPHYS, e grazas á participación en campañas baseadas en 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 principalmente na aplicación dos novos coñecementos fisiolóxicos das plantas adquiridos durante a Fase de Saída no xardín experimental "La Hampa" do IRNAS-CSIC. Caracterizáronse fisioloxicamente e monitorizáronse exhaustivamente seis especies de árbores froiteiras con sensores meteorolóxicos, de solo e de plantas.
Como resumo dos resultados xerais de AgroPHYS podemos dicir que (1) coñecer a resistencia ao estrés hídrico das especies agrícolas é esencial nun contexto de cambio global; (2) Non obstante, estes niveis de estrés hídrico non deberían alcanzarse nos pomares de árbores froiteiras e, de feito, as plantas evítano pechando os seus estomas; (3) As limitacións na produtividade resultantes deste peche estomatolóxico parecen estar relacionadas coa capacidade de absorción de auga subterránea; e (4) demostramos que a condutancia estomática debería ser o noso obxectivo para monitorizar o estrés hídrico nos pomares de froitas.
A explotación e difusión destes resultados abordouse mediante a súa presentación en varias reunións internacionais sobre o xilema, 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, o que apoia adicionalmente as nosas conclusións.
Actualmente estamos a vivir unha crise global onde o aumento da poboación mundial e, en consecuencia, da demanda de alimentos, está a colocar á agricultura nun contexto de urxencia porque necesitará producir estes alimentos sen desperdiciar a auga necesaria para dita produción. Ademais, a crise climática e a crecente escaseza de auga, cun uso agrícola que representa ata o 80 % da auga doce dispoñible, fan que sexa esencial mellorar as prácticas agrícolas e desenvolver estratexias de rega máis eficientes.
As secas, que son cada vez máis frecuentes e graves, provocan estrés hídrico nas plantas, unha resposta funcional e estrutural das plantas á baixa dispoñibilidade de auga, o 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 dispoñibilidade de auga reducida e unha poboación en crecemento.
O proxecto AgroPHYS ten como obxectivo combinar tres importantes áreas 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 monitorizar estas respostas en tempo real e a implementación de modelos baseados na fisioloxía para predicir os impactos do cambio global nas plantas e proporcionar novas hipóteses para a súa proba.
As conclusións da acción pódense resumir do seguinte xeito: (1) o uso da técnica óptica para visualizar in vivo a formación de cámaras de aire dentro do sistema vascular a medida que as plántulas de oliveira se deshidratan, permitiu demostrar que as raíces eran os órganos máis resistentes á disfunción hidráulica; (2) Os resultados obtidos con esta técnica óptica doada de usar e de baixo custo concordan coas técnicas hidráulicas máis habituais e coas técnicas de alta resolución baseadas en sincrotróns; (3) As limitacións na apertura estomática parecen estar relacionadas cunha diminución da condutancia hidráulica solo-raíz baixo niveis moderados de estrés hídrico nas oliveiras; (4) A produción de ácido abscísico nas follas é crucial para protexer os vasos da formación de agochos, xa que desempeña un papel fundamental no peche dos estomas; e (5) cunha combinación de modelos mecanicistas e sensores de presión de turxencia foliar, é posible a monitorización automática e continua da condutancia estomática nas especies de árbores froiteiras, o que mellorará a auga utilizada por estas plantacións de froitas.
As plantas terrestres levan tempo facendo fronte á seca desde que colonizaron 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 as características subxacentes da tolerancia á seca nas especies de plantas agrícolas é esencial para mellorar a produtividade e tamén representa unha importante prioridade europea (SFS-01-2016): optimizar a agricultura nun clima cambiante con dispoñibilidade de auga reducida e unha poboación en crecemento.
Para abordar esta necesidade urxente, é necesario primeiro comprender como os estomas regulan o intercambio de gases nas follas, xa que son a principal limitación da fotosíntese nos cultivos baixo estrés hídrico. Tanto os sinais hidráulicos como os non hidráulicos ou hormonais son os principais impulsores da regulación estomática. Polo tanto, 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 aplicaráo a un modelo baseado na 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 este coñecemento, empregando un modelo mecanicista e un sensor de plantas, para predicir a produtividade en relación co consumo de auga en especies de plantas agrícolas con diferentes estratexias de uso da auga.
O grupo de investigación saínte está na 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 volta 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 a xestión óptima 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 das razóns clave é a dispoñibilidade de auga. Para cubrir as necesidades de poboación previstas para o ano 2050, a agricultura necesitará un 70 % máis de auga que na actualidade. Non obstante, esa auga xeralmente non estará dispoñible. Moitas partes do mundo, incluída Europa, están a enfrontarse a unha redución da dispoñibilidade de auga debido ao cambio climático. Nos países áridos e semiáridos, a agricultura xa consome arredor do 80 % da auga doce dispoñible e consumirá aínda máis a medida que o cambio climático se afiance. Polo tanto, a agricultura debe ser máis eficiente. Os europeos terán que comezar a regar os seus cultivos, e con precisión.
Non obstante, as prácticas actuais de xestión do rego son limitadas á hora de determinar as cantidades óptimas de auga para os cultivos en condicións de seca. Serán necesarios novos métodos de rego. Para conseguilo, será necesario comprender plenamente a resposta fisiolóxica das plantas de cultivo á seca.
Estrés hídrico e resposta á seca. O proxecto AgroPHYS, financiado pola UE, investigou esta resposta e empregou sensores mecánicos para monitorizala 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 auga dabondo.
Entón a planta non medrará de xeito óptimo. «É fundamental ter o mellor indicador do estrés hídrico das plantas para unha programación precisa 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 empregaron unha serie de instrumentos de monitorización de plantas preexistentes para determinar os procesos fisiolóxicos. As máis importantes e innovadoras foron as cámaras e os microscopios especiais empregados para monitorizar a formación de burbullas de aire no sistema vascular das plántulas de oliveira a medida que as plantas se deshidratan. Ademais, o equipo desenvolveu unha nova combinación de técnicas de rehidratación, empregadas para medir o movemento da auga desde a raíz no solo ata a folla.
As novas 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. Non obstante, é improbable que se produzan niveis elevados 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 absorción de auga subterránea da planta. «Demostramos que a condutancia estomática debería ser a variable obxectivo para monitorizar o estrés hídrico nas árbores froiteiras», engade Rodríguez Domínguez.
Na práctica, se os científicos puidesen detectar o estrés hídrico nas plantas antes, os cultivos necesitarían menos auga, o que faría que o rego fose máis eficiente. Ademais, ser capaz de relacionar o estrés hídrico coa fisioloxía da produtividade permite aos investigadores adaptar as estratexias de rega en función das etapas de crecemento. Con sensores, os pequenos agricultores poderán aumentar o rendemento e a calidade das colleitas, aforrando auga e mellorando a eficiencia hídrica.
- AGENCIA ESTATAL CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC)
Proxectos relacionados
