Proyecto H2020 AgroPHYS: Comprender cómo las plantas superan la sequía controlando la función estomática: aplicabilidad e impactos en la agricultura
- Tipo Proyecto
- Status Completado
- Ejecución 2017 -2020
- Presupuesto asignado 263.440,8 €
- Alcance Europeo
- Principal fuente de financiación H2020
- Sitio web del proyecto AgroPHYS
La sequía puede causar importantes pérdidas económicas debido a la disminución de la productividad. Por lo tanto, los nuevos conocimientos sobre cómo las plantas superan la sequía resultantes de los resultados de AgroPHYS tendrán un gran impacto en la reducción de estas pérdidas económicas al optimizar el uso del agua en la agricultura e incluso mejorar la calidad del producto final. Por ejemplo, en la agricultura existe una estrategia de riego llamada Riego Deficitario Regulado que se basa en aplicar exactamente el agua que necesita nuestro cultivo en cada una de sus etapas fenológicas, porque se sabe que dependiendo de en qué etapa se encuentre el cultivo, será menos o más resistente a la sequía.
Estas estrategias pueden optimizarse en gran medida mejorando el conocimiento fisiológico detrás de estas diferentes resistencias en diferentes etapas fenológicas. Además, este conocimiento permitirá situar las salidas de los sensores de las plantas en un contexto fisiológico, por lo que podremos monitorizar estas variables fisiológicas a lo largo del tiempo y utilizarlas como insumos para mejorar las predicciones del cambio climático en las plantas a través de modelos mecanicistas y para proporcionar nuevas hipótesis a probar. Sin embargo, esto solo será posible si existe una buena comunicación entre el fisiólogo y el agrónomo para mejorar las estrategias de riego, entre ellos y los ingenieros y las empresas para minimizar los costos de las tecnologías en la agricultura, y entre estos y los matemáticos y modeladores para traducir los mecanismos fisiológicos en ecuaciones.
Los primeros resultados obtenidos durante la Fase de Salida fueron: 1) se utilizó por primera vez la técnica óptica para monitorear simultáneamente la formación de embolias de xilema en raíces, tallos y hojas en plántulas de olivo enteras e intactas; (2) las raíces se identificaron como los órganos más resistentes a la formación de estas embolias, en contraste con estudios previos que señalaban a las raíces como tejidos más vulnerables que los tejidos centrales (tallos); y (3) se encontró una variación relativamente alta en la resistencia entre individuos, entre tejidos y dentro de tejidos.
Dado que en este trabajo no se evaluó el impacto de la hidráulica de las plantas en el funcionamiento de los estomas, se realizó un experimento específico también en olivo con el objetivo de determinar si la vía hidráulica desde el suelo hasta la hoja es dinámica o estática durante el cierre de los estomas. Los resultados incluyeron: (1) el desarrollo de un nuevo método hidráulico para dividir las vías hidráulicas del suelo a las hojas, y (2) una disminución observada en la capacidad de transporte de agua de las raíces en condiciones de sequía moderada que funcionó como una señal hidráulica para limitar la apertura de los estomas, ayudando a la planta a conservar el agua y aislándola del suelo en secado.
Directamente relacionado con AgroPHYS, ampliamos nuestro conocimiento sobre cómo los rasgos hidráulicos pueden ser decisivos para proteger las plantas contra los efectos negativos de la sequía trabajando con diferentes genotipos de olivo. Además, también se abordó la perspectiva de aplicación de AgroPHYS mediante el desarrollo de herramientas robustas y de base fisiológica para la gestión del riego, demostrando que la combinación de los tres principales campos de investigación de AgroPHYS no solo es posible sino fundamental para avanzar en la optimización del uso del agua en la agricultura. Además de estos resultados directos de AgroPHYS, y gracias a la participación en campañas basadas en Sincrotrón, demostramos que la técnica óptica era tan eficaz como las técnicas hidráulicas y de microtomografía para medir los umbrales de resistencia hidráulica del estrés hídrico.
Durante toda la Fase Entrante, los experimentos se centraron principalmente en la aplicación de los nuevos conocimientos fisiológicos vegetales adquiridos durante la Fase Saliente en el huerto experimental 'La Hampa' del IRNAS-CSIC. Seis especies de árboles frutales fueron caracterizadas fisiológicamente, extensivamente, y monitoreadas con sensores meteorológicos, de suelo y de plantas.
Como resumen de los resultados generales de AgroPHYS podemos decir que (1) conocer la resistencia al estrés hídrico de las especies agrícolas es fundamental en un contexto de cambio global; (2) sin embargo, estos niveles de estrés hídrico no deben alcanzarse en los huertos de árboles frutales y, de hecho, las plantas lo evitan cerrando los estomas; (3) las limitaciones en la productividad derivadas de este cierre estomatológico parecen estar relacionadas con la capacidad subterránea de absorción de agua; y (4) demostramos que la conductancia estomática debería ser nuestro objetivo para monitorear el estrés hídrico en huertos frutales.
La explotación y difusión de estos resultados se ha abordado mediante su presentación en varios Encuentros Internacionales de Xylem, en seminarios tanto en la Universidad de Tasmania como en Centros de Investigación en España, iniciando una colaboración con científicos del suelo en la Universidad de Bayreuth (Alemania), y publicando varios artículos en revistas de alto nivel, dando un apoyo extra a nuestras conclusiones.
Actualmente vivimos bajo una crisis global donde el aumento de la población mundial y por ende, la demanda de alimentos, está colocando a la agricultura en un contexto de urgencia porque necesitará producir estos alimentos sin desperdiciar el agua necesaria para esa producción. Además de eso, la crisis climática y el aumento de la escasez de agua, considerando que el uso del agua agrícola puede ser de hasta el 80% del agua dulce disponible, hacen imprescindible la mejora de las prácticas agrícolas y el desarrollo de estrategias de riego más eficientes.
Los eventos de sequía, cada vez más frecuentes y severos, causan estrés hídrico de las plantas, una respuesta funcional y estructural de las plantas a la baja disponibilidad de agua, que reduce la productividad de un cultivo. Por lo tanto, la comprensión del impacto, los mecanismos y las características subyacentes a la tolerancia a la sequía en las especies de plantas agrícolas es esencial para aumentar la eficiencia de las estrategias de riego y mejorar la productividad. Los impactos de esto en la sociedad son directos y representan las principales prioridades europeas: optimizar la agricultura en un clima cambiante con una disponibilidad de agua reducida y una población en crecimiento.
El proyecto AgroPHYS tiene como objetivo combinar tres importantes campos de investigación (diagrama adjunto) para hacer frente a esta necesidad urgente: una comprensión fundamental de los mecanismos fisiológicos de la respuesta de las plantas a la sequía, el uso de sensores de plantas para monitorear estas respuestas en tiempo real y la implementación de modelos basados en fisiología para predecir los impactos del cambio global en las plantas y proporcionar nuevas hipótesis para probar.
Las conclusiones de la acción se pueden resumir en: (1) el uso de la técnica óptica para visualizar in vivo la formación de bloqueo de aire dentro del sistema vascular a medida que las plántulas de olivo se deshidratan, permitió demostrar que las raíces eran los órganos más resistentes a la disfunción hidráulica; (2) los resultados obtenidos de esta técnica óptica, fácil de usar y de bajo costo, concuerdan con las técnicas hidráulicas más comunes y con las técnicas de alta resolución basadas en sincrotrón; (3) las limitaciones de apertura de los estomas parecen estar relacionadas con una disminución de la conductancia hidráulica suelo-raíz bajo niveles moderados de estrés hídrico en olivo; (4) la producción de ácido abscísico en las hojas es crucial para proteger los vasos de la formación de obstrucciones de aire, ya que desempeña un papel clave en el desencadenamiento del cierre de los estomas; y (5) con una combinación de modelos mecanicistas y sensores de presión de turgencia foliar, es posible el monitoreo automático y continuo de la conductancia estomática en especies de árboles frutales, lo que mejorará el agua utilizada por estos huertos frutales.
Las plantas terrestres han hecho frente a la sequía desde que colonizaron la tierra seca por primera vez. La sequía es la causa más frecuente de estrés hídrico, una respuesta funcional y estructural de las plantas a la baja disponibilidad de agua. Comprender el impacto, los mecanismos y los rasgos subyacentes a la tolerancia a la sequía en las especies de plantas agrícolas es esencial para mejorar la productividad y, además, representa una importante prioridad europea (SFS-01-2016): optimizar la agricultura en un clima cambiante con una disponibilidad de agua reducida y una población en crecimiento.
Para abordar esta urgente necesidad es necesario comprender primero cómo los estomas regulan el intercambio gaseoso de las hojas, ya que los estomas son la principal limitación de la fotosíntesis en cultivos bajo estrés hídrico. Tanto las señales hidráulicas como las no hidráulicas u hormonales son los principales impulsores de la regulación estomática. Por ello, AgroPHYS propone investigar cómo interactúan estas señales para proteger a las plantas contra la dañina desecación. Este proyecto generará conocimiento fisiológico, en la UTAS, a partir de una serie de técnicas experimentales y lo aplicará a un modelo basado en fisiología y a un sensor automático basado en plantas para guiar tanto la gestión del riego como la investigación, en el IRNAS-CSIC.
Los objetivos de AgroPHYS son (i) evaluar la importancia relativa y la coordinación de las señales hidráulicas y hormonales en las respuestas estomáticas de las plantas a la sequía y la recuperación, y (ii) aplicar este conocimiento, mediante un modelo mecanístico y un sensor vegetal, para predecir la productividad relativa al consumo de agua en especies de plantas agrícolas con diferentes estrategias de uso del agua.
El grupo de investigación saliente está a la vanguardia de la investigación fisiológica y el entorno de aprendizaje brindará el máximo beneficio al candidato y excelentes oportunidades para interactuar con investigadores de todo el mundo. Estas habilidades y conocimientos se transferirán de nuevo al IRNAS-CSIC, proporcionando datos esenciales no sólo para la investigación científica sobre el funcionamiento de las plantas sino también para la agricultura de precisión y la gestión óptima del riego.
La tasa de crecimiento de la población mundial supera con creces cualquier aumento de la producción agrícola. La agricultura no puede seguir el ritmo, y una razón clave es la disponibilidad de agua. Para satisfacer la población proyectada para 2050, la agricultura requerirá un 70 % más de agua que en la actualidad. Sin embargo, esa agua generalmente no estará disponible. Muchas partes del mundo, incluida Europa, se enfrentan a una disponibilidad reducida de agua debido al cambio climático. En los países áridos y semiáridos, la agricultura ya consume alrededor del 80 % del agua dulce disponible, y consumirá aún más a medida que el cambio climático se afiance. Por lo tanto, la agricultura debe ser más eficiente. Los europeos tendrán que empezar a regar los cultivos, y de forma precisa.
Sin embargo, las prácticas actuales de manejo del riego son limitadas cuando se trata de determinar las cantidades óptimas de agua para el cultivo en condiciones secas. Serán necesarios nuevos métodos de riego. Lograr esto requerirá una comprensión completa de la respuesta fisiológica de las plantas de cultivo a la sequía.
Estrés hídrico y respuesta a la sequía. El proyecto AgroPHYS, financiado con fondos europeos, investigó esta respuesta y utilizó sensores mecánicos para monitorizarla en tiempo real. La investigación se llevó a cabo con el apoyo del programa Marie Sklodowska-Curie. La clave para estudiar la respuesta fisiológica de las plantas a la sequía es el concepto de estrés hídrico. Básicamente, esto significa que la planta tiene sed pero no puede obtener suficiente agua.
Entonces la planta no crecerá de manera óptima. «Es fundamental contar con el mejor indicador del estrés hídrico de las plantas para una programación precisa del riego», explica la coordinadora del proyecto, Celia Rodríguez Domínguez. "Esto indicaría cuánta agua se debe aplicar para el riego y en qué momentos". Mejorar el control del estrés hídrico Sin embargo, entender el estrés hídrico es complicado. Los dispositivos de monitorización estándar son ambiguos, también difíciles de relacionar con respuestas fisiológicas específicas.
La mayoría de los indicadores actuales son insatisfactorios. Para encontrar uno mejor, los investigadores de AgroPHYS utilizaron una serie de instrumentos de monitoreo de plantas preexistentes para determinar los procesos fisiológicos. Los más importantes e innovadores fueron las cámaras y microscopios especiales, utilizados para monitorear la formación de burbujas de aire dentro del sistema vascular de las plántulas de olivo a medida que las plantas se deshidratan. Además, el equipo desarrolló una novedosa combinación de técnicas de rehidratación, utilizadas para medir el movimiento del agua desde la raíz del suelo hasta la hoja.
Los nuevos conocimientos fisiológicos a partir de estas observaciones fueron los resultados más significativos del proyecto. Otros resultados importantes incluyeron la demostración de que el conocimiento de la resistencia de las especies agrícolas al estrés hídrico es importante en un contexto de cambio climático. Sin embargo, es poco probable que se produzcan altos niveles de estrés en los frutales, que lo evitan cerrando sus estomas. Los investigadores concluyeron que el grado en que el cierre de los estomas limita la productividad depende de la capacidad subterránea de una planta para la absorción de agua. "Demostramos que la conductancia estomática debería ser la variable objetivo para monitorear el estrés hídrico en árboles frutales", agrega Rodríguez Domínguez.
En la práctica, si los científicos pudieran detectar antes el estrés hídrico en las plantas, el cultivo necesitaría menos agua, lo que haría que el riego fuera más eficiente. Además, poder relacionar el estrés hídrico con la fisiología de la productividad permite a los investigadores personalizar las estrategias de riego en función de las etapas de crecimiento. Con los sensores, los pequeños agricultores podrán aumentar el rendimiento y la calidad de los cultivos, al tiempo que ahorran agua y mejoran la eficiencia hídrica.
- AGENCIA ESTATAL CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC)
- MANNI ENERGY SRL
- ZABALA INNOVATION CONSULTING SA (ZABALA)
- STIFTELSEN SINTEF
- EXPLODED VIEW SL (EXPLODED VIEW S.L.U.)
- SINTEF AS (SINTEF)
- RIMOND ENGINEERING PROCUREMENT ANDCONSTRUCTION MANAGEMENT SRL (RIMOND SRL)
- VIAS Y CONSTRUCCIONES SA (VIAS)
- SAINT-GOBAIN PLACO IBERICA SA (PLACO)
- OBOS PROSJEKT AS
- MANNI ENERGY SRL
- THE UNIVERSITY OF NOTTINGHAM
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