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La Agricultura contra el Cambio Climático

Dr. Francisco Salcedo (CEBAS-CSIC)

Las aguas regeneradas tienen un gran potencial para su uso en agricultura, sobre todo en periodos de sequía. Un ejemplo visible lo constituye al Cuenca Mediterránea, donde la mitad de su poblacuión vive en condiciones de escasez de agua. Esta situación se agravará mucho más con las estimaciones del crecimiento de la población para 2050.

Fran Cambio Climático

ART. F. PEDRERO Cambio Climático

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Científicos murcianos descubren cómo hacer plantas resistentes a la sequía. Investigadores del Cebas participan en el estudio y aplican el resultado a cereales y cultivos hortícolas.

Científicos del Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) de Barcelona han descubierto cómo generar plantas más resistentes a la sequía sin perjuicio de su crecimiento modificando la señalización de sus hormonas esteroides. La investigación, liderada por Ana Caño-Delgado, se ha publicado  en la revista «Nature Communications» y es la primera en encontrar una estrategia para incrementar la resistencia de las plantas al estrés hídrico sin perjudicar su crecimiento.

Los investigadores, entre ellos, Cristina Martínez-Andújar, Alfonso Albacete y Francisco Pérez Alfocea, del Centro de Edafología y Biología Aplicada del Sureste-Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Cebas-CSIC), de Murcia, ya están trabajando para aplicar este conocimiento en cereales y especies hortícolas.

Fig 1

Modificando la señalización por brassinoesteroides, los investigadores habían logrado hasta el momento plantas de ‘Arabidopsis’ más resistentes a la sequía, pero debido a la acción compleja de estas hormonas sobre el crecimiento de la planta, las plantas resistentes al estrés hídrico eran mucho más pequeñas que las plantas control.

Ahora, los investigadores han estudiado la resistencia a la sequía y el crecimiento de plantas de Arabidopsis thaliana con mutaciones en los distintos receptores de brasinoesteroides y han descubierto que las que sobre-expresan el receptor de brasinoesteroides BRL3 en el tejido vascular son más resistentes a la falta de agua que las plantas control y que no presentan defectos en su desarrollo y crecimiento.

Los investigadores, hemos descubierto que modificando la señalización de brasinoesteroides solo de manera local en el sistema vascular, se logra que la planta sea más resistente a la sequía y crezca igual que las plantas no modificadas.

Fig 2

Investigadores del CEBAS-CSIC implicados en el estudio: (de izq a derecha) Alfonso Albacete, Cristina Martínez, María del Puerto Sánchez y Francisco Pérez Alfocea

Así, los investigadores del CRAG, en colaboración con investigadores de Europa, EEUU y Japón, analizaron los metabolitos de las plantas modificadas genéticamente y evidenciaron que producían más metabolitos osmeoprotectores (azucares y prolina) en las partes aéreas y en las raíces en condiciones de riego normales. Cuando estas plantas fueron expuestas a condiciones de sequía, estos metabolitos protectores se acumularon rápidamente en las raíces, protegiéndolas de la desecación. Según Caño-Delgado, de esta manera, la planta se prepara para la situación de sequía, «lo que se puede comparar con el efecto de las vacunas, que preparan el cuerpo para hacer frente a patógenos».

Si bien este descubrimiento se hizo con una pequeña hierba utilizada como planta modelo, el equipo de investigación liderado por Caño-Delgado ya está trabajando en aplicar esta estrategia en plantas de interés agronómico, especialmente en cereales.

La sequía es uno de los problemas más importantes de la agricultura actual, hasta el momento, los esfuerzos hechos en biotecnología para producir plantas más resistentes a la sequía no han sido muy exitosos porque como contrapartida a un incremento a la resistencia a la sequía siempre había una disminución en el crecimiento y productividad de la planta. Parece que finalmente se ha encontrado una estrategia que se podría aplicar y que hay que seguir explorando.

Además de los investigadores del Cebas y del CRAG (Norma Fàbregas, Fidel Lozano-Elena, David Blasco-Escámez, Mariana Bustamente, José Luis Riechmann y Ana Caño-Delgado), han participado en el estudio Takayuki Tohge y Alisdair R. Fernie del Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology (Alemania).

También han intervenido Sonia Osorio, de la Universidad de Málaga, Takahito Nomura, de la Utsunomiya University (Japón), Takao Yokota, de la Teyko University (Japón), y Ana Conesa, de la University of Florida (EEUU).

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06861-3?fbclid=IwAR2gnvZcQWGYvhjP5z1U37Zvo8fo9qKV2INSdDd1Q2JzgqpRsI8i5EYfteE

https://www.laopiniondemurcia.es/comunidad/2018/11/09/cientificos-murcianos-descubren-plantas/970498.html

https://www.laverdad.es/murcia/cientificos-espanoles-descubren-20181108190222-nt.html

Últimos avances en la reutilización del agua

Francisco Pedrero Salcedo (CEBAS-CSIC)

Más de 150 investigadores, procedentes de 17 países, debatieron del 11-15 de junio sobre el futuro del agua y las innovaciones en reutilización y control de la salinidad dentro de la Conferencia Regional de IWA sobre la Reutilización del Agua y la Gestión de la Salinidad (IWARESA). La IWA es la principal red mundial relacionada con el agua y organizada por primera vez en Murcia gracias al Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC).

12/06/2018.-Murcia Hotel 7 Coronas congreso IWARESA .

El Dr. Juan José Alarcón, Director del CEBAS-CSIC, durante su intervención en el Congreso

Durante el congreso se mostró como en el arco Mediterráneo existe un gran conocimiento en el sector de la reutilización del agua, tanto desde el punto de vista tecnológico como académico, aunque existen grandes dificultades de materializar toda esta experiencia en regulaciones efectivas y políticas de agua. El debate giró sobre la importancia de la ciencia y la tecnología como pilares de la regeneración y reutilización del agua, pero también sobre la demostración en los últimos tiempos, de que la excelencia tecnológica no es garantía de éxito en los proyectos de reutilización. Se ha avanzado mucho en el campo tecnológico y existen amplios conocimientos científicos a largo plazo, pero existe una brecha en la transferencia y materialización de todo este conocimiento a la población en general y al usuario final en particular.

Desde el punto de vista agronómico, se obtuvieron conclusiones muy interesantes de los tres países agrícolas principales usuarios de estos recursos (España, Israel y California) y con experiencias a largo plazo. Se mostraron numerosas técnicas y herramientas agronómicas para paliar los efectos negativos de la salinidad. Dentro de los nuevos fertilizantes, la aplicación de microorganismos y sustancias húmicas, el uso de nuevos modelos para evaluar el efecto a largo plazo de las sales en diferentes cultivos y parcelas, herramientas de ayuda a la toma de decisiones para el usuario final de dichas aguas. También se estableció la necesidad de reexaminar los criterios y límites mundiales de calidad de agua de riego para diferentes cultivos, ya que la mayoría se establecieron hace más de 30 años y con los conocimientos, técnicas y herramientas actuales y nuevas variedades y patrones existentes, una actualización de dichos límites, ayudaría a un mejor manejo de dicho recurso y a un fomento en su uso.

14-06-2018.-Murcia:  Hotel 7 Coronas congreso IWARESA .

El Dr. Francisco Pedrero durante su comunicaciòn oral en el congreso

Durante las sesiones enfocadas tecnológicamente al tratamiento de estas aguas y sus rechazos, se mostraron la gran amplitud de tratamientos existentes, desde los más avanzados, pasando por los convencionales y terminando en los basados en la naturaleza (extensivos). Se llegó a la conclusión que, para una implantación satisfactoria de un proyecto de reutilización de las aguas, la parte tecnológica es una estrategia muy localizada y diferente de cada lugar, y que el establecer soluciones uniformes para varios casos distintos, lleva al fracaso. Se mostró una tendencia hacia sistemas de tratamientos combinados para asegurar una calidad del efluente idónea y uniforme, y se mostró un aumento del uso de energías renovables en los procesos de tratamiento, sobre todo la energía solar. Pese al aumento del coste de este recurso con respecto a otros, se mostraron numerosos ejemplos exitosos de uso agrícola en diferentes países y se llegó a la conclusión que, seleccionando cultivos rentables en el mercado, la seguridad y fiabilidad de estos recursos, hacen rentable su uso.

Como novedad, se organizó una sesión MED del congreso titulada “La movilización de la juventud en el Mediterráneo para resolver los desafíos de la gestión del agua, de investigadores, empresarios a activistas”, se invitaron a numerosos jóvenes miembros de la red MedYWat (Mediterranean Youth Water network), de la cual el Director Técnico del congreso Francisco Pedrero es coordinador, con  trabajadores en el sector del agua de numerosos países del Mediterráneo, para que aportaran su visión de la situación y de los futuros retos y oportunidades en el sector, desde diferentes secciones (investigación, emprendedores, activistas…).

Por último, en la visita técnica, los asistentes pudieron conocer los últimos avances en el tratamiento y reutilización del agua y la gestión de la salinidad en la Región, como ejemplo de área típica mediterránea con recursos hídricos limitados.

Programa IDIES 2018

Asistentes a la visita técnica

El Departamento de Riego del CEBAS participa en el proyecto INTERREG Risk-AquaSoil

RiskAquaSoil tiene como objetivo desarrollar un plan integral e iniciativa conjunta para una gestión de riesgos eficiente y una mayor capacidad de recuperación de las zonas rurales del Atlántico. A través de la cooperación transnacional, los socios del proyecto combatirán los efectos adversos del cambio climático, especialmente en tierras agrícolas.

El Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) es un instrumento financiero cuyos objetivos son reforzar la cohesión económica y social favoreciendo el equilibrio regional a través del apoyo al desarrollo y al ajuste estructural de economías regionales, incluida la reconversión de regiones industriales en declive y regiones menos desarrolladas, y el apoyo a la cooperación transfronteriza, transnacional e interregional. De esta forma, el FEDER da efecto a las prioridades de la Unión Europea.

El objetivo primordial de la cooperación transnacional del FEDER es promover una mejor integración en la Unión Europea, desarrollando proyectos que proporcionen soluciones conjuntas a los desafíos transnacionales comunes que enfrentan las regiones.

Este es el caso concreto del RiskAquaSoil, Plan Atlántico de gestión de riesgos en suelo y agua, referencia EAPA_272/2016. Este proyecto cofinanciado por dicho Fondo FEDER, contribuirá a una mejor coordinación para la detección, la gestión de riesgos y la rehabilitación de los territorios rurales, especialmente con fines agrícolas, principalmente asociados al cambio climático y los riesgos naturales, pero también a la presión humana.

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Este plan integral implicará tres etapas vinculadas a los tres objetivos específicos: Alerta temprana y diagnóstico, Implementación y adaptación y Creación de capacidades y diseminación de resultados.

El proyecto de 30 meses de duración, se encuentra en su fase inicial y cuenta con un consorcio de 14 partners de Francia, Reino Unido, Portugal, Irlanda y España, siendo el CEBAS uno de los socios españoles.

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El CEBAS participa en la XX Jornada Vitivinícola y el II Foro Bobal D.O. Utiel-Requena

El Consejo Regulador de la Denominación de Origen Utiel-Requena organizó durante los días 8 y 9 de noviembre un intenso programa que profundizó en diferentes aspectos del presente y el futuro de la variedad autóctona Bobal. Contó con la participación del Dr. Diego Intrigliolo, del CEBAS-CSIC.

El pasado 8 noviembre, el Consejo Regulador preparó una intensa mañana en el Teatro Rambal de Utiel, con un programa centrado en el presente y futuro de la variedad autóctona Bobal. Para celebrar la que ya es la vigésima edición de este encuentro anual, la Jornada tuvo en cuenta las cuestiones de cómo afecta el cambio climático a la vitivinicultura, la agroecología y el proyecto de selección clonal de la variedad Bobal en la zona y la sanidad vegetal en lo que respecta a la implantación de medidas efectivas contra la yesca y la polilla. Entre los ponentes principales de la Jornada, estuvo el Dr. Diego Intrigliolo, del Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura, CEBAS – CSIC.

Junto a él, participaron otros ponentes como el técnico del Servicio de Sanidad Vegetal GVA Vicent Badia, el catedrático e investigador del Instituto Agroforestal Mediterráneo de la UPV , Josep Armengol, el director del Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA), Enrique Moltó y, finalmente, el presidente del Comité de Agricultura Ecológica de la Comunidad Valenciana (CAECV), José Antonio Rico.

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Dr. Diego Intrigliolo del CEBAS-CSIC durante su intervención en la XX Jornada Vitivinícola

Al día siguiente, en la segunda edición del Foro Bobal DO Utiel-Requena, se profundizó en la situación de los vinos de Bobal en esta Denominación de Origen. El Foro arrancó con una exposición cata de los Bobales Singulares de las bodegas adscritas a esta DO. A continuación, hubo dos interesantes ponencias y una mesa redonda. Los ponentes fueron la Master of Wine británica Sarah Jane Evans, que expuso los argumentos para la ‘La defensa de los vinos de Bobal de DO Utiel-Requena en el mercado mundial’. Le siguió el conocido y valorado enólogo berciano Raúl Pérez, que transmitió su filosofía de la recuperación y ‘El valor de la variedad autóctona’. Al final de la mañana, ambos se unieron a una mesa redonda con enólogos y sumilleres que actualmente trabajan con la uva Bobal en la zona, como son Juan Piqueras (Bodegas Pigar), Antonio Fernández (Bodegas Covilor), Bruno Murciano (Caudete de las Fuentes) y Arnaldo Valsangiacomo (Bobal de San Juan).

Como asistentes, acudió una amplia representación de los profesionales de la viticultura, la enología, sumillería, comercialización, restauración, distribución y prensa especializada de la Comunidad Valenciana y nacional.

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Asistentes al II Foro Bobal, durante la cata de los Bobales singulares

El proyecto RIEGO-ASESOR avanza en sus fases demostrativas

El consorcio Riego Asesor liderado por la empresa HISPATEC en colaboración con el Departamento de Riego de CEBAS-CSIC y FIC, entra en su tercer año de ejecución de proyecto.

El pasado día 24 de octubre se celebró una reunión técnica del proyecto en la sede del CEBAS en Murcia. El objetivo de la misma fue exponer a los socios los resultados obtenidos sobre las pruebas demostrativas del nuevo algoritmo de riego que el CSIC ha registrado recientemente, para determinar por separado la evaporación y la transpiración de los cultivos hortícolas al aire libre.

A lo largo de la jornada, los investigadores del CEBAS mostraron uno de los resultados esperados del proyecto, el nuevo algoritmo de riego, que confirma que el proyecto está avanzando en la correcta dirección. Gracias a la participación de técnicos de los tres socios del proyecto, se contrastaron los requerimientos del entregable, para así comprender los detalles del mismo y analizar la información por parte de todos los implicados.

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El Dr. José Salvador Rubio del CEBAS-CSIC, expone los resultados del proyecto a los otros dos socios: la empresa almeriense HISPATEC y la Fundación para la Investigación del Clima (FIC).

 

El proyecto RIEGO-ASESOR, RTC-2015-3453-2, es un proyecto financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad a través del Programa Retos-Colaboración del Plan Estatal y cuenta con cofinanciación FEDER, cuyo objetivo es Promover el desarrollo tecnológico, la innovación y una investigación de calidad.

Regulación del Cierre Estomático: una Función Representada por Varios Actores

José A. Hernández Cortés (Investigador Científico del CSIC, Grupo de Biotecnología de Frutales, CEBAS)

Un estoma es básicamente un poro que es usado para el intercambio gaseoso con el medio y la transpiración de la planta. Está rodeado de dos células, denominadas células  oclusivas o guarda, que tienen forma de riñón o de forma de pesa, como ocurre en plantas monocotiledóneas (gramíneas, ciperáceas). Los movimientos estomáticos dependen de cambios en la presión de turgencia de las células oclusivas y las células epidérmicas adyacentes. Al conjunto de células oclusivas y células acompañantes se le denomina aparato estomático (Fig 1).

Fig 1 estomas

Las células guarda regulan la abertura de los estomas mediante la integración de diferentes señales, tanto endógenas como exógenas (ambientales). Una adecuada regulación de los estomas va a conseguir un eficiente uso del agua y una tasa óptima de intercambio de CO2 para la fotosíntesis, siendo esencial para una adaptación de las plantas a la falta de agua o estrés hídrico.  La habilidad de las plantas para controlar la abertura estomática les permite responder de una forma rápida a los cambios en el medio ambiente. Por ejemplo, puede prevenir una pérdida excesiva de agua, limitar la absorción de compuestos líquidos no deseados o de contaminantes atmosféricos a través de los estomas. Incluso,  aún en presencia de abundante agua, las plantas ponen en marcha una regulación temporal de los estomas para limitar las pérdidas de agua durante el proceso de absorción de CO2, es decir, los estomas se abren durante el día y se cierran durante la noche para prevenir pérdidas innecesarias de agua, ya que durante este periodo no se produce fotosíntesis y no hay demanda de CO2. Con los primeros rayos de sol, la planta de nuevo comienza a hacer fotosíntesis, de nuevo los estomas se abren ya que la demanda de CO2 es elevada. La abertura de estomas favorece la transpiración de la planta. Este proceso de transpiración cumple varias funciones:

1.- Se crea una corriente transpiratoria que permite el transporte de nutrientes desde las raíces hasta las partes de la planta en crecimiento.

2.- Enfría las hojas cuando la temperatura es elevada o hay una fuerte intensidad luminosa, es decir, los estomas favorecen una regulación térmica (Sánchez-Díaz y Aguirreolea 2000).

No obstante, algunos investigadores sostienen que, en su conjunto, la transpiración (pérdida de agua) es un mal necesario que entra en conflicto con la necesidad de las plantas para tomar el CO2 necesario para realizar la fotosíntesis.

En condiciones de estrés hídrico, la cadena de transporte electrónico sigue funcionando, lo que favorece que la energía de excitación pueda pasar desde las moléculas de clorofila foto-excitadas directamente al oxígeno, formando oxígeno singlete (1O2). Además, en el fotosistema II se produce la formación de radicales superóxido (O2.-), peróxido de hidrógeno (H2O2) y radicales hidroxilo (.OH)(Suzuki et al 2012). Las células guarda contienen menos cloroplastos y de menor tamaño y un contenido menor de clorofila (entre 1-4%) que las células del mesófilo. Sin embargo, se ha demostrado que el proceso de fotofosforilación (síntesis de ATP en la membrana de los tilacoides) por parte de los cloroplastos de las células guarda es muy activa. Por lo tanto, los ROS generados en la cadena de transporte fotosintética de los cloroplastos de las células guarda puede tener una función muy importante en la respuesta de las plantas a diferentes estímulos ambientales (Pfannschmidt 2003).

Sin embargo, el ácido abscísico (ABA) tiene un protagonismo clave en el control del cierre estomático. El ABA induce la generación de H2O2 en las células guarda dando lugar a un cierre de los estomas (Fig. 2). La generación de H2O2 inducida por ABA tiene dos posibles fuentes: (1) los cloroplastos y (2) la actividad NADPH oxidasa de membrana plasmática (Zhang et al 2001a; 2001b). La NADPH oxidasa de membrana es una enzima que reduce el oxígeno a O2.-, que posteriormente será dismutado hasta H2O2 por acción de la actividad SOD. En Arabidopsis, la NADPH  oxidasa presenta dos subunidades (AtrbohD y AtrbohF). En este sentido, un doble mutante atrbohD/F mostró un reducido cierre estomático así como una reducida producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) comparado con las plantas silvestres. La aplicación exógena de H2O2 restauraba el cierre estomático, lo que revelaba una conexión entre la generación de ROS por la NADPH oxidasa y el ABA en el cierre estomático (Kwak et al. 2003).

Fig 2 estomas

Está bien documentado que la concentración de iones determina la turgencia de las células guarda y el tamaño de la abertura estomática. Los cambios de turgencia pueden ser debidos a una modificación del potencial hídrico (ψ) de las células oclusivas o de cambios activos del potencial osmótico (ψs). Ambos mecanismos conllevan movimientos de agua en ambas direcciones en las células guarda, que finalmente va a producir una abertura o cierre del estoma. Cuando el estoma se abre se produce un aumento masivo de solutos en las células guarda. Esto provoca un descenso de ψs y una entradas de iones, sobre todo K+ (también Na+ en plantas halófitas) y Cl hacia las células guarda u oclusivas. La entrada de K+ se produce por el bombeo activo de H+ fuera de las células oclusivas por acción de una H+-ATPasa de membrana. La entrada de K+ se equilibra con una entrada de Cl y sobre todo con la acumulación del  ion malato. El ácido málico se produce a partir del ácido oxalacético, que a su vez procede del catabolismo del almidón almacenado (Sánchez-Díaz y Aguirreolea 2000). El estoma se cierra cuando la H+-ATPasa se inactiva y el K+ y el Cl salen de forma pasiva de las células oclusivas. Por otro lado, el aumento de los niveles intracelulares CO2 favorece la salida de algunos aniones (Cl- y malato) de las células guarda, lo que también contribuye al cierre de los estomas (Fig. 2).

Se ha demostrado que el H2O2 inactiva el transporte de K+ hacia el interior celular y produce una alcalinización del citosol al activar el transporte de H+ hacia la vacuola. Al mismo tiempo, el H2O2 puede mediar en la señalización del ABA al activar los canales de Ca2+, aumentando su concentración en el citosol y activando el cierre de los estomas (Pei et al. 2000). Un estudio reciente ha demostrado que el receptor del ABA (PYR/PYL/RCAR) regula los canales de K+ y de Cl mediante la activación de los canales de Ca2+ de membrana  plasmática por parte de las ROS (Wang et al 2013). 

Las ROS pueden actuar sobre las MAPKs (protein kinasas activadas por mitógeno), MAPK fosfatasas o proteín kinasas dependientes de Ca2+ modulando su actividad. EL H2O2 inactiva las protein fosfatasas ABI1 y ABI2 (Meinhard et al 2002), como también ocurre para la ABI1 con la unión del ABA a su receptor, liberándose una proteína (OST1) que actúa fosforilando y activando la NADPH oxidasa de membrana, incrementando la producción de H2O2 (Kepka et al., 2011). EL H2O2 también actúa como un segundo mensajero, de modo que puede activar algunas MAPKs que actúan promoviendo el cierre estomático (Jiang et al., 2008).

Como hemos visto, el cierre de los estomas no depende de una sola señal, sino que se establece una red de comunicación por parte de diferentes actores, siendo los más importantes el ABA, la NADPH oxidasa de membrana, el H2O2, y otros como las MAPKs, transportadores de aniones y cationes etc… (Fig. 2), que responde de una forma coordinada a estímulos externos y que finalmente van a favorecer que la planta se adapte de la mejor forma posible a situaciones diversas de estrés.

Bibliografía empleada:
Jiang et al. 2008, Plant Cell Reports 27: 377-385.
Kepka et al. 2011, Plant Physiol 157:2108-2119
Kwak et al. 2003, EMBO J 22: 2623-2633.
Meinhard et al. 2002, Planta 214:775-782.
Pei et al. 2000, Nature 406: 731-734.
Pfannschmidt 2003, Trends Plant Sci 8: 33-41.
Sánchez-Díaz y Aguirreolea 2001, Fundamentos de Fisiología Vegetal (Azcón J., Talón M., Eds.)
Suzuki et al. 2012, Plant Cell Environm 35: 259-270.
Wang et al. 2013, Plant Physiol  163: 566-577
Zhang et al. 2001a, Cell Reseach 11:195-202;
Zhang et al. 2001b, Plant Physiol 126: 1438-1448.

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