ADAPTACIONS DE LES PLANTES AGRÍCOLES AL CAMBI CLIMATIC

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1 ADAPTACIONS DE LES PLANTES AGRÍCOLES AL CAMBI CLIMATIC Hipólito Medrano Research Group on PLANT BIOLOGY UNDER MEDITERRANEAN CONDITIONS Universitat de les Illes Balears Palma de Mallorca, SPAIN

2 CAMBIO CLIMÁTICO En los últimos 100 años CO2 (de 270 a 380 ppm) Metano (de 700 a 1500 ppb) Óxido nitroso (de280 a 320 ppb) Aumento de temperatura Cambios en el régimen hídrico: Pp y ETP

3 Predicciones de temperatura en Europa Incremento de la temperatura ( C) Variabilidad en la temperatura (%) Schär et al. (2004) Nature 427,

4 EL CAMBIO CLIMÁTICO YA ESTÁ AQUÍ. Incrementos de la concentración de CO2 Positivo. Aumenta la fotosíntesis (producción) Incrementos temperaturas Positivo/negativo: Mayor crecimiento Acortamiento del ciclo fenológico (variaciones calidad) Estrés térmico por altas temperaturas + mayor ETP Invasión de nuevas plagas Alteración de los regímenes de precipitación/etp Priodos sin lluvias más largos + Aumento intensidad lluvias (más pérdidas por escorrentía) Con idéntica Precipitación, menor agua disponible para las plantas.

5 Cambios en la disponibilidad de agua) Invierno Verano Verano Invierno IPCC Report 2007

6 Evolución de la precipitación y la ETP en España MMA 2009

7 Cambio de la precipitación en España MMA 2009

8 CAMBIOS EN LA FENOLOGÍA En vid, podrá determinar cambios en el mapa vitícola de las zonas de producción SUD Actual DOR BUD FLO VER HARV B2 A2 1/11 16/12 30/1 16/3 30/4 14/6 29/7 12/9 27/10 11/12 I. Cortázar 2008 Retardo en la dormición de yemas Adelanto del resto de los estados fenológicos Acortamiento de todos los períodos

9 Modificado de Jones et al Presente y futuro! Efectos en las zonas vitícolas de climas cálidos: Vid / Clima / Grupos de madurez Temperatura media. Abr.-Oct. / Oct.-Abr

10 AGRICULTURA = ALIMENTACIÓN HUMANA : población mundial en crecimiento exponencial

11 BUT.FOOD PRODUCTION INCREASE IS CLEALY LINKED TO IRRIGATED CROPPING AREAS INCREASE

12 Necesidad de incremento en la producción de cereal: 30% MÁS EN 30 AÑOS 2,5 4,1

13 Estimación de la necesidad REAL de incremento en el uso de agua en riego con los valores actuales de EUA: 5160 Km 3 por año: 100% de incremento 4,5 9,66

14 Estimación de la necesidad IDEAL de incremento en el uso de agua en riego incrementando la EUA: 1890 Km 3 por año: 25% de incremento 3,54 4,8 (teniendo en cuenta que actualmente hay en el mundo unos1.5 billones de hectáreas de cultivo)

15 Water is a limited resource The First limiting factor for Food production High water volume needed for irrigation Limited irrigation resources + increasing demand Increasing pressure to optimize agriculture water use THE SUSTAINABILITY OF FOOD PRODUCTION LARGELY DEPENDS ON THE OPTIMIZATION OF WATER USE

16 THE WATER FOOT PRINT ISSUE HIGH WATER REQUERIMENTS FOR FOOD PRODUCTION According to the published by the Partnership for European Environmental Research PEER, on average the water cost of the food we consume is around liters of water per person and day.

17 The water footprint issue: A MANDATORY OF THE UNITED NATIONS ORGANIZATION More production with less water ( more crop per drop )

18 Utilización de los recursos hídricos por las plantas Disponibilidad 1. Ingresos: Régimen de precipitación 2. Capacidad de almacenamiento: Características del suelo Necesidad 1. Demanda atmosférica: ETP 2. Desarrollo vegetativo: Arquitectura de la parte aérea Profundidad y extensión raíces (Volumen de suelo explorado) Control del gasto: Abundancia y disposición de las hojas Gasto inevitable : via común de entrada de CO2 y salida de agua Regulación inmediata: cambios en la apertura estomática F (luz, CO2, ABA, etc). Regulación del crecimiento vegetativo (Tallos, nº de hojas y tamaño)

19 Régimen hídrico: Precipitación y Evapotranspiración potencial. Disponibilidad de agua para la planta: función del régimen hídrico y las características del suelo. Otras fuentes de precipitación: Granizo, nieve,rocío: (40-80 mm/año). Condensaciones de vientos hiperhúmedos en las hojas (Laurisilva Canaria). Régimen hídrico: Característica climática que refleja la abundancia y distribución de precipitaciones. Tiene en cuenta: Precipitación anual Variaciones: Lluch (1200 mm/año) Ses Salines (300). Finisterre(2500) Almería (250). Elevada variabilidad interanual. Cuanto más escasa, más impredecible. Frecuencia: Nº de días de lluvia al año (París unos 200, Sineu unos 50) Distribución a lo largo del año. Coincidencia con óptimos térmicos crecimiento de las plantas. Característico del Mediterráneo: sequía estival + máximos primavera/otoño. Intensidad: cantidad por u. De tiempo (mm/hora). Óptimo: 1mm/hora. Si es mayor: riesgo de pérdidas por escorrentia (erosión).

20 Evapotranspiración potencial: Parámetro climático que refleja la demanda atmosférica de agua. (definido en 1975). Medida: Tanque evaporimétrico. Estimaciones; Ecuación de Penman Monteitz (micrometeorología). Índices climáticos (Tornthwaite, Turc, y otros. Factores que determinan la ETP: -Disponibilidad de energía Fn ( a 25 ºC, evaporar un g. de agua supone 2688 J). -Disponibilidad de gradiente (Cwvi Cwve ) Función de: HR, velocidad del viento, Tª ETP// ETR. El gasto real de la planta está condicionado también por: -Disponibilidad de agua. Si la planta no dispone de agua, cierra estomas+pierde hojas... reduce el gasto..

21 Diagrama ombrotérmico de Mahón y Palma

22 LA EFICIENCIA EN EL USO DEL AGUA (A/g) COMO FACTOR CLAVE EN NUEVOS ESCENARIOS CLIMÁTICOS 2 Reduciendo el gasto del agua por la planta 2. Precisión en los aportes hídricos 3 A Conductancia estomática (g) Agua disponible en suelo B 1 Incremento de la tasa de fotosístesis 1. Carácter genético + Manejo del cultivo

23 MEJORA GENÉTICA DE LA EFICIENCIA EN USO DEL AGUA DE LA REVOLUCIÓN VERDE: AÑOS A LA REVOLUCIÓN AZUL: AÑOS

24 Cómo se consiguieron estos incrementos? Revolución verde

25 Los incrementos del rendimiento aumentaron principalmente el índice de cosecha (peso de lo cosechado respecto a la planta entera)

26 Y aumentando los consumos de Nitrógeno y otros abonos

27 Además del aumento en el uso de pesticidas

28 La revolución verde ha supuesto incrementos en la producción a costa de (1) incrementar el uso de productos contaminantes, (2) disminuir la EUA, y (3) la capacidad de mejora con los sistemas utilizados parece saturada

29 GENETIC VARIABILITY Sin embargo, variedades autóctonas, presentan grandes variaciones en la EUA, p. e. en vid. Bota el al, An Apl Biol

30 APPLIES RESEARCH: THE GENETIC BASIS OF PLANT RESPONSES TO WATER STRESS TOMATIGA DE RAMELLET Caracteritzación, Evaluación de la variabilidad intravarietal Bases Ecofisiológicas y Genéticas de la resistencia a la sequía, la Eficiencia en el uso del agua y la conservación a largo plazo With Dr. D. Francis, Ohio State University. USA

31 BIOTECHNOLOGICAL WAY Improving the CO2 difussion through the mesophyll + Enginieering Rubisco from Limonium - Aquaporins (Flexas et al Plant J. 48, ) - Others (Flexas et al Plant Cell Environ. 31, )

32 Low precipitation High salinity Limiting soil depth High temperatures High PPFD Decreased [CO 2 ]/[O 2 ] Decreased v c /v o Low g s Low g i Evolution under permanent low Cc Oxygenase enhanced over carboxylase INCREASED SELECTION PRESSURE FOR A HIGHER SPECIFICITY 2. RUBISCO Transforming crops with rubisco from Limonium gibertii TO IMPROVE CROP YIELD AND WATER USE EFFICIENCY

33 L. gibertii rubisco: simulation in transformed tobacco and wheat C c = 7 mm, O c = 265 mm

34 L. gibertii rubisco: simulation in transformed tobacco and wheat BUT. under drought C c = 1.7 mm, O c = 265 mm

35 MEJORA DE LAS TÉCNICAS AGRONÓMICAS Green water footprint volume of rainwater evaporated or incorporated into a product Blue water footprint volume of surface or groundwater evaporated or incorporated into a product Grey water footprint Source: Hoekstra et al. (2011) The volume Water Footprint of Assessment polluted Manual, Earthscan, water London, UK

36 MANEJO DEL CULTIVO Agronomic ways 1. Increasing green water availability for the plant -Improving soil water storage capacity (+organic matter) -Reducing direct soil water evaporation by mulching (up to 10% save of irrigation water) 2. COVER CROPS in semi-arid areas: -Compete for soil water with grapes BUT -Increase grapevine deep rooting thus Increasing green water use -Can help to reduce vegetative growth, thus Reducing blue water necessities Monteiro and Lopes 2007

37 MANEJO DEL CULTIVO 3. Enhancing soil volume explored by root system choosing rootstocks of deeper and wider root system: 1. Capacity to extract water from drying soil (anatomy and physiological characteristics + Growth patterns). 2. Ability to growth under soil water depletion: Hydraulic conductivity (Kh) and ABA signals increases in response to WS Recent work (PhDoct Thesis) of Jacobs, S D (2014): Petit Sirah on 5 rootstocks under different PAW: WUE unaffected without WS but affected for PAW <40% 3309Couderc and 1103 Paulsen showing better performance See: Serra et al, 2014; Tramontini et al; 2013; Williams et al 2010; Alsina et al, 2007

38 MANEJO DEL CULTIVO 4. Reducing blue water consume: Applying a fine control of Irrigation dosage and frequency: 1. Reducing the total water applied to the crop by Irrigation Sustained Deficit Irrigation, SDI Regulated deficit Irrigation, RDI Partial Root drying, PRD.. 2. Applying irrigation only when necessary, on the basis of plant water status Introducing physiological indicators of plant water stress as water potential, Y; stomatal conductance, g s ; Sap Flow, others. 3. Improving teledetection of plant water status

39 Riego por aspersión Riego por inundación Riego por goteo

40 CROP MANAGEMENT 1. Deficit Irrigation increase water productivity in comparison to standard irrigation irrespective of deficit irrigation methodology (SDI, REDI, PRD) Sadras (2009) Irrig Sci 27:

41 40 Yield (Tn / Ha) WUE (Kg fresh grape / m 3 water applied ) Water applied + rainfall (m 3 / Ha) Water applied + rainfall (m 3 /Ha) FROM THIS LITERATURE SURVEY ON THE EFFECTS OF DI ON WUE 1. Total water applied seems not determine yield Because a wide variation of Edaphoclimatic and management conditions, and a large variation among cultivars 2. and, plotting WUE against total water use, WUE increases when total water applied decrease Medrano et al., al. unpublished

42 APPLIED RESEARCH 1.Applying new indicators of the plant water status threshold to irrigation scheduling and dosage Irrigation control, the quickiest way to improve on farm WUE 1. Leaf turgor sensors, a single leaf indicator Zimmerman Germany). 2. Sap flow (a single plant indicator) 3. DRONES equiped with thermographic chambers (a whole crop indicator)

43 Thanks for your atention Research group: Biology of plants under mediterranean conditions UIB Palma de Majorque (SPAIN)

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