Estructura del proyecto. Gustavo A. Slafer Centre UdL-IRTA Universitat de Lleida

Transcripción

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2 Estructura del proyecto

3 Estructura del proyecto Tres instituciones pero 4 grupos con responsabilidades UdL ecofisiología : Roxana Savin- UdL agronomía : Jaume Lloveras UBA maíz: Maria E. Otegui CIMMYT fisiología-maíz: José L Araus

4 Cual es el problema? En muchas partes de Latinoamérica el maíz es la principal fuente de carbohidratos para consumo humano, además de tener una gran importancia socioeconómica y cultural. De todos los cambios ambientales asociados al cambio climático el más certero es la expectativa de un aumento en las temperaturas a las que los cultivos serán expuestos. El incremento de las temperaturas por efecto del cambio climático global tendrá en la mayoría de las regiones del planeta, incluyendo las regiones agrícolas Latinoamericanas, un impacto negativo en los cultivos.

5 La literatura reciente es muy abundante en evidencias de esta afirmación. Por ejemplo, Lobell et al. (2008, Science 319) muestran cómo el incremento de la temperatura asociado al cambio climático afectará negativamente los rendimientos de maíz, trigo, arroz y otros cultivos extensivos en los que la alimentación de la humanidad descansa; por lo que estos efectos tendrán un impacto importante sobre la seguridad alimentaria (Brown & Funk, 2008) Claudia Ringler; OECD Conference, Prague 2009

6 Se necesitan avances en el conocimiento que permitan lograr estrategias de mejora y/o manejo del maíz que garantice una más adecuada productividad Los cultivos cambian su sensibilidad al estrés según el momento de su ciclo en el que éste ocurre (e.g. Loomis & Connor, 1992), debido a que aunque el cultivo produce su rendimiento a lo largo de todo el ciclo las etapas cercanas a la floracion tienden a ser mucho más criticas que el resto (Slafer & Rawson, 1994; Slafer, 2003). En el caso del maíz, la sensibilidad del rendimiento a un estrés abiótico es generalmente mucho mayor si este ocurre durante el período de pocas semanas alrededor de la floración (cuando se determina fuertemente el número de granos por unidad de área; Westgate et al., 2004) o durante el llenado de los granos (cuando el peso final de los granos se está determinando Borrás et al., 2004; Gambín et al., 2006).

7 Aunque el efecto perjudicial de las elevadas temperaturas es universalmente aceptado, las causas que generan estas penalidades no han sido claramente dilucidadas, como tampoco ha sido determinada la variabilidad genotípica que podría ser de utilidad en este contexto ni la interacción probable entre altas temperaturas y manejo del cultivo. La probabilidad de encontrar formas de mitigar estos efectos dependerá del grado de entendimiento alcanzado sobre los atributos ecofisiológicos que están detrás de las penalidades que producen las altas temperaturas, Entender estos atributos permitirá identificar aquellos críticos que puedan ser manipulados genéticamente o bien diseñar estrategias de manejo del cultivo que permitan disminuir el perjuicio.

8 Por ejemplo, ha sido recientemente publicado que hay una interacción entre el efecto detrimental de las altas temperaturas y la nutrición nitrogenada de los cultivos Así, las futuras estrategias de manejo de la fertilidad podría tener no sólo en cuenta el efecto de la disponibilidad de N sobre la productividad alcanzable en una determinada circunstancia, sino también el posible efecto que la misma tenga sobre la susceptibilidad del cultivo a altas temperaturas

9 En este proyecto determinaremos la variabilidad genotípica en la susceptibilidad a eventos de altas temperaturas, y dilucidaremos el origen fisiológico de las mismas. También cuantificaremos en qué medida la economía del N puede jugar un rol en la determinación de la susceptibilidad a elevadas temperaturas. Este tipo de aproximación brinda oportunidades de mejora genética y manejo de cultivos (e.g. D Andrea et al., 2008) para optimizar la adaptabilidad de especies como el maíz a las temperaturas dominantes en las próximas décadas Nos basaremos en modelos ecofisiológicos contrastados de la generación de los componentes del rendimiento en maíz, con la intención de entender mecanísticamente, pero a nivel de organización de cultivo, como las altas temperaturas producen penalidades en la productividad

10 Grain Yield Respect to Control Female FI Silking Start of Active Grain Filling End of Active Grain Filling En general se conoce que el número de granos está razonablemente explicado por el crecimiento del cultivo desde 15 días antes hasta 15 días después de la floración femenina (Otegui & Bonhomme, 1998) Shading treatments Water Deficit Treatments Silking Days Fischer y Palmer (1984) 0 Hall (1984)

11 Por otra parte, los determinantes fisiológicos del peso de los granos han sido menos estudiados que los del número de granos, Algunos datos indican que es probable que, a diferencia de lo que ocurre en otros cereales como trigo, el rendimiento de maíz presente algún grado significativo de limitación por fuente en post-floración Esto es, los granos competirían fuertemente por recursos para su crecimiento en post-floración

12 Final kernel dry weight (mg) Por otra parte, varios estudios muestran que el peso final de los granos puede estimarse con confiabilidad cuando los granos apenas comenzaban a crecer (MS) y por lo tanto el pesio final podría ser mas dependiente del peso potencial que de la disponibilidad de asimilados Maximum Water Content (%) Saini y Westgate 2000 Advances in Agronomy 68: Maize wheat maize Maximum water content Percent Final Seed Dry Weight (%)

13 Entender si efectivamente si los granos compiten entre sí resulta relevante a la hora de identificar alternativas de manejo y mejora que reduzcan las penalidades que altas temperaturas podrían producir en el rendimiento final Una fuerte limitación por fuente para el llenado de los granos sugeriría elevados niveles de competencia entre los granos en crecimiento y por lo tanto los efectos perjudiciales de elevadas temperaturas en el número de granos podrían auto-compensarse Sin embargo, este tipo de interrelación-independencia entre componentes principales del rendimiento no ha sido estudiado acabadamente en maíz utilizando tratamientos manipulativos que evitan sesgos en los resultados por efectos de terceros factores en ambos componentes. Mucho menos esta relación ha sido analizada mecanísticamente cuando los componentes son afectados por eventos de altas temperaturas

14 En este contexto es probable hipotetizar que los detrimentos en peso de los granos generados por elevadas temperaturas puedan ser mediados por los efectos universalmente reconocidos de este estrés abiótico en acelerar el patrón de senescencia foliar. Por ende, si se pudiera reducir la sensibilidad de la senescencia foliar a las altas temperaturas se eliminaría, al menos en parte, el efecto de este estrés sobre el peso de los granos Como la senescencia a su vez está integrada con el patrón de removilización de N hacia los granos, es también posible especular que la sensibilidad del peso de los granos a altas temperaturas sea dependiente de la disponibilidad de N Esto requiere del estudio de variabilidad en la senescencia, y en la economía del N asociada a la senescencia foliar, así como de la respuesta a reguladores del crecimiento relacionados con el metabolismo del etileno

15 Sin embargo, estas hipótesis y especulaciones deben ser puestas a prueba en un contexto de elevadas temperaturas. No hay muchas evidencias en la literatura mostrando que la senescencia esté vinculada directamente a la determinación del peso de los granos, o a su número, aunque la hipótesis pueda resultar plausible Los miembros del consorcio tienen una amplia experiencia en la utilización de criterios fisiológicos de fenotipeado para evaluar de manera rápida, económica y precisa la respuesta de la planta a estreses en maíz y otros cereales (e.g. Otegui, 1995; Borras et al., 2003; Gambín et al., 2006; Whitechurch et al., 2007; Acreche et al., 2008; Araus et al. 2008a,b,c; Estrada-Campuzano et al., 2008) Entre las metodologías empleadas se incluye el empleo de técnicas de evaluación remota (remote sensing) que permiten evaluar crecimiento, biomasa verde, ontogenia, contenido hídrico de los tejidos o eficiencia fotosintética (Araus et al. 2001; Tambussi et al. 2002; Marti et al. 2007)

16 Objetivo general En este proyecto se propone generar conocimiento mecanístico, de valor tanto en la mejora genética como en el diseño de prácticas agronómicas, acerca de determinantes genéticos y ambientales de la susceptibilidad de la productividad del maíz a altas temperaturas. Obviamente en la vida del proyecto (3 años) no es posible producir nuevas variedades ni estrategias contrastadas de manejo, pero el conocimiento generado servirá para avanzar en ambas direcciones de manera certera y duradera

17 Principales aspectos del proyecto Causas determinantes de las perdidas de rendimiento por altas temperaturas Fisiología del número de granos Fisiología del peso de los granos Interacciones pesonúmero de granos Extensión de resultados al sistema productivo Vinculación a mejora genética Vinculación a manejo del cultivo UdL CIMMYT UBA Dentro de este marco de liderazgos, todos los grupos participaran activamente de cada uno de los componentes del proyecto

18 Componente 1. Estudios ecofisiológicos de Maíz en respuesta a elevadas temperaturas Actividad 1.1. Atributos fisiológicos determinantes de la magnitud de pérdida del número de granos en respuesta a altas temperaturas Actividad 1.2. Naturaleza de la relación entre peso y número de granos por unidad de área en escenarios e temperaturas actuales y Actividad 1.3. Interrelación/independencia entre las respuestas del peso de los granos y la senescencia foliar post-floración en respuesta a temperatura Actividad 1.4. Caracterización de ideotipos para condiciones térmicas esperables en las próximas décadas para cada uno de los ambientes estudiados

19 Componente 2. Maíz mejor adaptado: variabilidad genotípica disponible y bases genéticas Actividad 2.1. Variabilidad genotípica en sensibilidad del rendimiento a temperatura elevada y su interacción con sequía Actividad 2.2. Variabilidad genotípica en sensibilidad del número de granos por m2 y del peso de los granos a temperatura elevada y su interacción con sequía Actividad 2.3. Determinación de QTLs asociados a tolerancia a sequía en OPV (CIMMYT)

20 Componente 3. Prácticas de manejo para mitigar el efecto de altas temperaturas: interacción N x altas temperaturas y aplicación de reguladores del crecimiento Actividad 3.1. Interacciones entre genotipos y nutrición nitrogenada en la determinación de las pérdidas de rendimiento por elevadas temperaturas Actividad 3.2. Relación entre la estrategia de fertilización y altas temperaturas en senescencia foliar y determinación del peso final de los granos Actividad 3.3. Rol de reguladores hormonales de crecimiento asociados al metabolismo del etileno en mitigar efectos de altas temperaturas sobre senescencia foliar y peso de los granos

21 Componente 4. Diseminación de resultados Actividad 4.1. Construcción y mantenimiento de un sitio web del proyecto Actividad 4.2. Dictado de conferencias y seminarios de información científica y presentación de trabajos a congresos y reuniones científicas Actividad 4.3. Dictado de charlas de extensión a agricultores y asesores técnicos de agricultores o a mejoradores de maíz Actividad 4.4. Curso sobre bases ecofisiológicas para la mejora genética y el manejo agronómico para tolerancia a elevadas temperaturas en maíz

22 Año 1 Año 2 Año 3 Actividad 1.1 Actividad 1.2 Actividad 1.3 Actividad 1.4 Actividad 2.1 Actividad 2.2 Actividad 2.3 Actividad 3.1 Actividad 3.2 Actividad 3.3 Actividad 4.1 Actividad 4.2 Actividad 4.3 Actividad 4.4 En negro cuando la actividad será mas intensa, en gris cuando lo será solo parcialmente

23 Los grupos de la UdL ecofisiología (España) y de la UBA (Argentina) tomarán el liderazgo en los estudios fisiológicos básicos a nivel de cultivo- sobre el efecto de la temperatura (y su interacción con otros factores ambientales) en el desarrollo de los componentes agronómicos del rendimiento. Trabajarán con maíz templado en el contexto ambiental contrastante de condiciones monzónicas (Pampas argentinas) o Mediterráneas (valle del Ebro, España) Experimento a campo en Buenos Aires. Tratamientos: arreglo factorial de (i) tres híbridos de distinto origen (templado, tropical y tropical x templado) (ii) dos regímenes térmicos (ambiente y alta temperatura), y (iii) tres momentos del ciclo (-15 a 0 DAS, 0 a +15 DAS, o 15 d durante llenado) Experimento a campo en Menarguens (Lleida) con arreglo factorial de (i) dos híbridos de distinto grado de adaptación (uno típico de la planicie y el otro del Pirineo), (ii) tres regímenes térmicos (ambiente y alta temperatura) (ii.a) desde hoja bandera a madurez o (ii.b) desde 10 DAS a madurez (iii) tratamientos de manipulaciones fuente-sumidero (tanto remoción de fuente como de sumideros) durante el crecimiento de los granos Se estudiaran atributos fisiológicos del crecimiento (Ri, RUE, Un, NUE) y partición de recursos (CH2O; N). Fisiología de la fijación de granos y del crecimiento posterior de los mismos, patrones de evolución del AF

24 Temperatura (ºC) Horas de tratamiento

25 El grupo de CIMMYT liderará estudios de bases genéticas de criterios fisiológicos de selección, incluyendo el desarrollo de los protocolos de medida de criterios fenotípicos, que permitan seleccionar genotipos mejor adaptado a elevadas temperaturas per se, y asociada a su ves con sequía El grupo de CIMMYT hará caracterizaciones genéticas de atributos fisiológicos en experimentos a campo en condiciones de elevadas temperaturas con materiales criollos y con híbridos Los grupos de la UdL (España) sembraron un experimento factorial con 10 híbridos de ciclos cortos o largos cultivados en la planicie de Lleida y en el Pirineo, a virtualmente la misma latitud pero muy diferente altitud.

26 Para tener a campo efectos de temperatura estamos combinando experimentos en un sitio de baja altitud (Albesa-Menarguens) con dos fechas de siembra; y en una fecha de siembra dos sitios de contrastante altitud (Albesa-Menarguens; Seu d Urgell): i.e. con similar fotoperíodo pero muy diferente temperatura En este screening se medirá fundamentalmente atribuidos fisiológicos determinantes de la productividad (Ri, RUE, Un, NUE) y fisiología de la fijación de granos y del crecimiento posterior de los mismos, patrones de evolución del AF

27 El grupo de CIMMYT hará sus estudios en condiciones tropicales y subtropicales de los campos experimentales manejados o contratados por el CIMMYT Las evaluaciones del efecto de elevadas temperaturas, mediante siembras fuera de temporada, tanto en condiciones de riego completo como de sequía. se llevaran a cabo en una colección de variedades de polinización abierta (criollos) e híbridos Por otra parte está previsto desarrollar un estudio en la colección de los criollos con marcadores moleculares (SSRs y SNPs) que permitan por una parte valorar la variabilidad genética disponible a la vez que intentar localizar QTLs asociados a tolerancia a elevadas temperaturas a la vez que sequía Debido al numero de genotipos muchas determinaciones serán indirectas, aunque con sólida relación con atributos fisiológicos de interés

28 RU: crop establishment growth senescence vegetation indices (spectroradiometers)

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30 El grupo de la UdL agronomía liderará los estudios focalizados en aspectos de manejo que pudieran mitigar los efectos de altas temperaturas En este componente, en relacion con las hipotesis implicitas acerca de la senscencia foliar hay dos practicas de manejo seleccionadas para estudiar como pueden mitigar los efectos de las altas temperaturas Fertilización nitrogenada (UdL) Aplicación de reguladores del crecimiento relacionados a la síntesis o a la inhibición del etileno (CIMMYT UBA)

31 El grupo de la UdL agronomía inició ensayos de campo evaluando la interacción fertilización N x hibrido (uno típico de la planicie y otro típico del Pirineo) x ambientes contrastantes (i) fecha temprana (y mas fresca) vs tardia (y mas calida) en la Planicie, y (ii) en una misma fecha de siembra en Menarguens (mas calida) vs La Seu d Urgell (mas fresca) Se harán muestreos de crecimiento y absorción de N, en general y en etapas criticas y se determinara el rendimiento y sus componentes. El grupo de CIMMYT hará ensayos de campo evaluando la aplicación de un precursor (ethephon) y de un inhibidor (1-MCP) de la acción del etileno Si bien el grupo de la UBA no hará experimentos aplicando reguladores, sí medirá en el experimento del componente 1 la evolucion de la concentracion de etileno en órganos vegetativos y reproductivos de maíz ante diferentes regímenes térmicos.

32 El grupo coordinador (UdL ecofisiología, España) liderará la creacion y actualización del sitio web del proyecto Sector publico Descripción Proyecto Actividades programadas Progresos alcanzados Información de interés sobre el tema Congresos/Meetings Papers Etc Intranet con password Base de datos del proyecto Medio de intercambio de información Drafts de informes Cada grupo se ocupara de las acciones de difusión en la comunidad científica ( papers, conferencias, congresos) y a los usuarios potenciales (agricultores, asesores, mejoradores). En este primer año estas actividades serán naturalmente restringidas (y la actividad de difusión del conocimiento naturalmente crecerá con la creación del mismo)

33 Se pueden empezar a utilizar fondos del programa Este taller Primer año del proyecto, al que este POA hace referencia Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre España Argentina México