Download Tolerancia a sequía

Tolerancia a sequía
Tim Porch
USDA-ARS-TARS
Noticias de sequia en 2015
•
Belice
Millones $ de perdidas en agricultura.
•
Potworks Dam en Antigua
Cuba
Sequia mas severo desde 2004; 100,000 personas
dependiendo de agua transportado por camiones
•
Republica Dominicana
Mona reservoir
en Jamaica
11% reducción en producción
•
Haití
200,000 familias afectados por sequia;
30% reducción en producción en 2015
•
Puerto Rico
Este de PR con condiciones de sequia; Agua
racionado en San Juan por meses
Slide de:
Cédric J. Van Meerbeeck
Climate Studies Group Mona of the University of the West Indies (UWI - CSGM); CIMH
Carraizo
en Puerto Rico
Índice de salud vegetativo
Julio, 2016
The VHI components (VCI and TCI)
are given equal weights when
computing the index.
Estrés hídrico
FAO, http://www.fao.org/giews/earthobservation/asis/index_2.jsp?lang=en
Sequía en Centro América/Caribe en
2015
de Febrero 2015 a Enero 2016
Fuente: Caribbean Drought Bulletin
Slide de:
Cédric J. Van Meerbeeck
Climate Studies Group Mona of the University of the West Indies (UWI - CSGM); CIMH
Pronóstico para Centro América/Caribe
Postrera/Verano
Proyecciones para 2100…
(usando IPCCC RCP escenarios)
Primera
-
Menos agua en la Primera
Modificado de:
Cédric J. Van Meerbeeck
Climate Studies Group Mona of the University of the West Indies (UWI - CSGM); CIMH
Estrés Abiótico
-Sequía
-Alta temperatura
-otro
Respuesta tolerante (Levitt, 1972)
Escape
-Ligero en florecida
-…en maduración
-Plasticidad
Evitar
“Avoidance”
-Movimiento de hojas
-Hojas pequeñas
-Raíces profundas
Resistencia
-Rendimiento reducido
pero económicamente
factible
Síntomas de estrés hídrico
Con estrés
Sin estrés
Diferencias
•
•
•
•
Tamaño de las plantas
Biomasa
Rendimiento
Color del Follaje
Photo de: http://www.css.msu.edu/bic/PDF/Drought%20Stress.pdf
Definiciones
El estrés hídrico es la falta de agua para el desarrollo normal del cultivo
Además, la planta es afectada por:
–
–
–
–
El clima
La textura del suelo
La fertilidad del suelo
Insectos y enfermedades
La necesidad de agua depende de:
– La biología de la planta
– La etapa de desarrollo de la planta
– La interacción con otras plantas
• e.g. Distancia entre plantas
Tolerancia a estrés hídrico en comparación con
deshidratación
Contenido de agua en las células
Mecanismos de tolerancia
80%
Tolerancia a estrés
hídrico o escape
20%
Tolerancia a
deshidratación
•
•
•
•
Raíces profundas
Precocidad
Uso eficiente da agua
Movimiento de las hojas con el sol
• Adaptación osmótica
Estrés hídrico en la producción de frijol
Estrés hídrico
• Afecta ~60% producción mundial (White y Singh, 1991)
• Afecta 40-50% de la producción en África
• Afecta 73% de la producción en América Latina
Tipos de estrés hídrico
• Intermitente
– Estrés hídrico esporádico durante cualquier etapa de crecimiento
– Causado por la lluvia esporádica
• Terminal
– Estrés hídrico constante durante la fase reproductiva (Frahm et al.,
2004)
Fases afectadas
Estrés Intermitente
Vegetativa
V1
V3
V6
V8
Unifoliado
3 nodos
6 nodos
8 nodos
Estrés terminal
Reproductiva
R1
R3
R5
R7
R9
1 flor
Vaina de 2.5cm
Vaina de 7-10cm
Vainas con semillas
80% de las vainas amarillas
Manejo de estrés hídrico
Evitar estrés hídrico
•
•
•
Regar con fuentes de aguas superficiales o subterráneas
Cambiar la fecha de siembra a un período de mayor precipitación
Uso de cultivos que son más tolerantes al estrés hídrico
(mayor)____Necesidad hídrica____(menor)
Maíz ►
Sorgo
► Millo
Frijol común ► Cowpea ► Frijol tepari
Tolerar estrés hídrico
•
Mejoramiento genético
– Desarrollar variedades con mayor tolerancia al estrés hídrico
Fuentes de tolerancia
Tolerancia: Encontrada principalmente en líneas de frijol de Mesoamérica
Razas de Mesoamérica
Durango
Contribuye alto rendimiento y alto índice de rendimiento (Singh et al., 1991)
Mesoamérica
Contribuye al llenado de las semillas (Rao, 2001)
Rendimiento bajo estrés (Beebe et al., 2008)
Jalisco
Contribuye rendimiento bajo estrés (Terán e Singh, 2002)
Híbridos (Durango y Mesoamérica)
Contribuye alto rendimiento y llenado de semillas bajo estrés (Beebe et al., 2008)
Fuentes de tolerancia a estrés hídrico
Nombre
Tamaño
de semilla
Tipo de
semilla
Negro Vizcaya
pequeño
Color de
semilla
Otras resistencias
Negro
Pudrición de raíz, gen
I, Bacteriosis, Roya
Amplia adaptación
Pudrición de raíz
9
L88-63
B98311
RAB 651
RAB 655
BAT 477
SEA 5
SEA 10
SEA 13
Viva
G 13637 (Apetito)
grande
6
2
Rojo pequeño
Crema
Referencia
Acosta et al. (2001),
Frahm et al. (2003)
CIAT, 2002
Macrophomina
Fusarium, gene I
Olaya et al. (1996)
Singh et al. (2001)
Fusarium, gene I
5
Rosada
Pinto Villa
2M
Pintos
Pudrición de raíz
Acosta-Gallegos et al.
(1995)
Matterhorn
1
Blanca
grande
gen I, Roya (Ur-3)
Kelly et al. (1999)
6M
Rojo
moteado
Macrophomina
White and Singh (1991),
Rosales et al., 2004
San Cristobal 83
ICA Palmar
LEF 2RB
AC 1028
Misc.
Schneider et al. (1997)
Modified from: http://www.css.msu.edu/bic/PDF/Drought%20Stress.pdf
Fuentes de tolerancia a estrés hídrico—BASE120
Rendimiento alto
Linea
Tep 23
MD 23-24
Tep 29
Carioca
Tep 22
10IS-2421
SER 118
PR1165-3
TARS-LFR1
SEF 60
BAT 477
G21212
A 55
SEF 16
I9365-31
Vigor
1to9
4.0
5.2
3.5
4.7
3.3
5.2
5.0
5.7
Macro
1to9
1.0
1.7
1.0
2.3
1.0
4.3
1.7
2.3
Altura
cm
34.0
41.2
24.3
32.3
26.7
42.8
44.8
37.5
DF
dias
31.0
33.7
31.7
33.3
32.3
33.7
34.0
33.5
DM
dias
70.2
67.7
71.0
70.0
68.0
68.5
69.5
69.2
Surv
0to1
0.6
0.7
0.5
0.6
0.5
0.7
0.7
0.7
Biomasa
kg ha
4448.4
4273.2
3321.6
3820.8
3637.2
3936.0
3756.0
3261.6
HI
0to1
0.38
0.33
0.39
0.33
0.33
0.32
0.33
0.36
100Sem.
g
16.2
24.1
14.1
25.6
12.8
25.7
28.2
20.7
Rendimiento
kg ha
1621.7
1408.8
1290.5
1258.9
1254.6
1239.8
1197.4
1185.2
5.2
5.5
5.0
4.5
4.5
5.2
4.7
1.0
3.0
1.0
1.7
1.0
3.7
3.7
42.7
44.0
42.2
34.3
50.5
39.5
42.5
32.8
32.2
34.3
34.0
34.0
33.3
33.3
70.0
70.3
68.2
70.3
67.2
71.8
68.5
0.7
0.7
0.6
0.6
0.8
0.6
0.8
3564.0
3777.6
4831.2
4389.6
4552.8
3852.0
3495.6
0.30
0.30
0.24
0.25
0.25
0.30
0.33
24.1
24.0
21.9
25.5
27.0
25.2
22.0
1182.4
1151.5
1149.1
1146.4
1127.9
1126.1
1121.6
• Juana Díaz, PR 2015
• Todos son de tipo Mesoamericano o Tepari
• Andinos más afectados por sequía
Fuentes de tolerancia a estrés hídrico—BeanCAP
Estrés
Línea
No-Estres
DF DM PH LG GH SW SY
DF
DM PH LG GH SW SY
PR GM DSI
GN9-1
44
80
42
2.5
2.0
32
1659
43
85
41
2.8
1.3
38
2600
36
2066 0.87
GN9-4
45
84
46
1.5
2.0
36
1480
45
87
52
2.0
1.3
39
2951
45
2044 1.06
LaPaz
48
85
53
1.3
2.0
37
1510
47
90
55
1.8
1.3
39
2938
50
2089 1.22
Matterhorn
45
80
41
1.8
2.0
34
1600
44
86
48
1.6
1.3
37
2783
36
2064 0.85
Merlot
45
84
46
1.8
2.0
34
1497
44
88
49
2.0
1.3
38
2877
43
2042 1.01
Montrose
44
81
30
4.3
2.7
32
1556
43
83
37
4.0
1.7
37
2642
38
2016 0.93
ND-307
46
85
47
1.8
2.0
34
1528
45
89
49
2.2
1.3
40
2896
46
2086 1.11
NW-590
PR0340-33-1
40
76
35
4.7
2.5
28
1502
40
82
37
4.0
1.8
34
2616
42
1958 0.90
52
93
42
1.3
2.0
26
1521
51
95
48
1.8
1.3
28
2666
45
2002 1.07
UI-537
42
77
33
3.5
2.3
34
1700
40
79
34
4.2
1.7
38
2665
37
2103 0.89
USRM-20
45
81
35
3.0
2.7
35
1708
43
87
34
3.8
1.7
42
2654
33
2121 0.82
Victor
39
79
34
3.8
2.3
29
1623
39
82
35
3.6
1.3
35
2479
35
1983 0.86
Mean
45
82
40
2.6
2.2
32
1574
44
86
43
2.8
1.5
37
2730
41
2048
1.0
(Juana Díaz, PR, 2012)
Tipo de respuesta
Genotipos que “Ahorran agua" tienen ciertas características morfo-fisiológicas
ideales para áreas áridas:
•
•
•
•
•
menos apertura de los estomas
hojas pequeñas
crecimiento moderado
movilidad eficiente de carbono de las hojas/tallos a la formación de vaina/grano
Ejemplos: SER 16, ALB 60 , ALB 6, BFS 10, BFS 29 y G40001 (tepari)
Genotipos que "Gastan agua" tienen otras características morfo-fisiológicas
buenos para zonas con sequías intermitentes:
•
•
•
un sistema de raíces profundas que maximizan la extracción de agua y les permite
crecer más
una recuperación (después de sequía) de la movilidad eficiente de reservas del
tallo/hojas para la formación de la vaina y granos
Ejemplos son: BCN 280 , BCN 226, SEN 56 , SCR 2 , SCR 16 , SMC 141, RCB 593,
BFS 67
(modificado de Polania et al., 2016)
Métodos de evaluación
www.plantstress.com
Evaluación
Métodos indirectos
• Características asociadas con tolerancia fisiológica
–
–
–
–
Fotosíntesis
Respiración
Metabolismo celular
Morfología da planta (por ejemplo, movimiento de hojas)
– Arquitectura de raíces/planta
Métodos Directos
• Características asociadas con rendimiento
– Rendimiento bajo sequía
– Estabilidad de rendimiento bajo estrés y sin estrés
Métodos Indirectos
• Resistencia de los estomas
– rL, medido con un porómetro
– Resistencia más alta indica más estrés
• Temperatura de hoja
– Medida con termómetro infrarrojo
– Temperatura más alta indica más estrés
• Contenido relativo de agua (RWC)
–
–
–
–
Basado en el peso (balance analítico) de hojas individuales
RWC(%) =(FW-DW)/(TW-DW)x100
FW, peso fresco; DW, peso seco; TW, peso túrgido
Menos RWC indica más estrés
• Uso eficiente de agua usando evapotranspiración (ET)
– Eficiencia de uso de agua (WUE)
– Eficiencia de transpiración (TUE)
Métodos indirectos
Porómetro
Resistencia de estomas
Termómetro
Infrarojo (IR)
Temperatura foliar
Balanza
Sensor de humedad
"Sonda Theta”
Contenido relativo de agua (RWC)
Contenido de agua en el suelo
Determinación de evapotranspiración (ET)
A
rs =
rL
LAIactive
(Allen et al., 1998)
B
λE =
VPD
ra

r 
∆ + γ 1 + s 
ra 

∆ ( Rn − G ) + ρC p
 λE 
ET = 

 λ 
Penman-Monteith Method-FAO 56
(Allen at al.1998, Kjelgaard and Stockle, 2001)
Estación ET
Lisímetro
Juana Díaz, Puerto Rico
El diseño del lisímetro
PVC Tube to Percilation extraction
Tube to Soil Moisture Sensor
0.25 m layers of soil
Gravel- 10 cm
Lisímetro en el campo
Diseño del lisímetro
Lysimeter 7
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
-10
Contenido de agua
Depth (cm)
1.5 m
Runoff Receptor
-20
-30
-40
-50
-60
θ (m3m-3)
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
T11
T12
Métodos basados en evapotranspiración (ET)
Eficiencia de uso del agua
– [Rendimiento (semilla)] / [Agua aplicada]
– [Rendimiento (semilla)]/[Agua evapotranspirada]
Eficiencia de Transpiración
TUE=
DM
T
K
VPD
DM
k
=
T
VPD d
peso del material seco (kg m-2)
total de agua transpirada (kg m-2)
constante, dependiendo de la especie
déficit de presión de vapor (Pa)
Métodos basados en rendimiento
• Rendimiento
– Método mas confiable (Ramirez-Vallejo y Kelly, 1998; Branco et al. 1994)
– Rapidez de llenado de vaina crítico (Beebe et al., 2013)
• Índices de estrés, con base en rendimiento
GM
DSI
DTI
HI
PHI
Medio geométrico
Índice de susceptibilidad a estrés hídrico
Índice de tolerancia a estrés hídrico
Índice de rendimiento
Índice de rendimiento de vainas
• Comparación de rendimiento bajo condiciones de estrés y sin
estrés
– Indica las líneas con buena adaptación a la sequía y a las condiciones
ideales
Los índices de estrés hídrico
Definiciones
GM
DSI
DTI
medio geométrico
índice de susceptibilidad a estrés hídrico
índice de tolerancia a estrés hídrico
DII
índice de intensidad de estrés hídrico
GM
DSI
DTI
DII
(Ys x Yp)1/2
(1- (Ys/Yp))/(1-(Xs/Xp))
(Yp x Ys)/ Xp2
1-(Xs/Xp)
Ys
Yp
Xs
Xp
rendimiento de un genotipo bajo estrés
rendimiento de un genotipo en condiciones sin estrés
rendimiento de todas las líneas bajo estrés
rendimiento de todas las líneas en condiciones sin estrés
Ensayos de estres hídrico
¿Cuándo debe aplicar el estrés hídrico ?
– Aplique el estrés hídrico principalmente en la fase reproductiva
– Usando el estrés intermitente o terminal
¿Qué cantidad de agua debe aplicar?
– La cantidad depende de las condiciones
Localidad
Con estrés
mm total
Sin estrés
mm total
Reducción
%
Colombia (CIAT)
~100
~200
50%
Honduras (Zamorano)
150
300
50%
US-Puerto Rico (USDA)
~200
~400
50%
US-Nebraska (UN)
~300
~500
40%
–
–
–
–
–
Duración de día (fotoperiodo)
Duración de cultivo (siembra a cosecha)
La textura del suelo afecta la retención de agua
Temperatura del medio ambiente
Niveles de evapotranspiración
Ensayos de estrés hídrico
• Comparación entre los ensayos con estrés y sin estrés es importante
A. Con Riego
Sin estrés
A
B
B
A
2 líneas de riego
por goteo
Con estrés
A
B
B
A
A
B
B
Más agua
A
Menos agua
Más agua aplicada
Menos agua aplicada
B. Por etapa del año
Oct
Nov
Lluvia
Sequia
Lluvia
Dic
Ene Feb Mar
Abr Mayo
Temporada sin estrés
Temporada con estrés
Jun
Jul
Ago
Temporada sin estrés
Sep
Yield (kg/ha) under reduced stress
Evaluación de rendimiento
-Bajo estrés y sin estrés
1800
SEA 5
1700
TB1
A686
SEN 21
G21212
1600
VAX 2
1500
1400
1300
SEA 15
Kodiak
SEN 20 SEC 5
BAT 477
SEN 10
VAX 1
Tio Canela
SER 21
Morales
SEN 3
SEN 22
ICA Pijao
VAX 4
SER 10
Maverick
SER 26
RAB 655
VAX 3
A774
VAX 6
SER 16
1200
1100
1000
SER 22
600
700
800
900
1000
Yield (kg/ha) under drought stress
(Porch et al., 2009)
Ensayos de sequía
Ideal—Mejor diferenciación entre genotipos
• Nivel de sequía: 60-80% reducción en rendimiento en susceptibles
- Si 2.5 t/ha bajo no-estrés
- Sería 0.5 –1 t/ha (~50 reducción en riego)
DII= 1-(0.5/2.0)= 0.75 (o una reducción de 75%)
• Monitorear cantidad de agua aplicada (e.g.,35–50mm)
• Se puede colectar muestras de suelo para determinar cantidad de
agua gravimétricamente (0–5, 5–10, 10–20, 20–40, 40–60, 60–80, y
80–100cm)
(Recomendaciones: Beebe et al., 2013)
Problemas potenciales con la seleccion directa
Genotipo
Con
estrés
Sin
estrés
Promedio
*
Reducción
%
DSI
Medio
Geométrico
A
100
150
125
33
0.98
123
B
110
140
125
21
0.63
124
C
90
130
110
31
0.9
108
D
120
150
135
20
0.59
134¶
E
80
200
140
60
1.76
126
F
50
60
55
17†
0.49‡
55
91.7
138.3
115
30.3
0.89
111.7
Promedio
Reproducido a partir de: http://www.css.msu.edu/bic/PDF/Drought%20Stress.pdf
* Promedio está más influenciado por las condiciones de alto rendimiento sin estrés que de bajo
rendimiento con estrés.
† Poca reducción en el rendimiento entre los tratamientos, pero baja en ambos tratamientos.
‡ Bajo valor de la DSI, pero bajos rendimientos en ambos tratamientos.
¶ Genotipo prefiero: alta y estable para GM en ambos tratamientos
Genética de la tolerancia a estres hídrico
• Genética de la tolerancia a estrés hídrico
– Aditivo
– Poligénico
– Heretabilidad
• 0.09 a 0.80 (Schneider et al., 1997; Singh, 1995a; White, 1994)
– Interacciones
• Alta interacción con el ambiente (White, 1994a, b)
– Otra Perspectiva
• www.plantstress.com
Métodos de mejoramiento
Recurrente
• Hay que asegurar un número suficiente de los padres con
tolerancia a sequía para iniciar la selección recurrente (Beebe
et al., 2008)
Pedigrí
• Usado mucho para obtener líneas fijas (Miklas et al., 2006)
Gametos
• Un método que se trata de cruces complejos y selección entre
las plantas F1 con 4 o 8 padres (Singh, 1994)
Retro-cruzamiento avanzado
• Un método potencialmente útil para mejorar rasgos de
resistencia a la sequía mediante cruces a través de acervos
genéticos
Métodos de mejoramiento
Cuándo debe seleccionar?
• Selección en generaciones avanzadas
– Generalmente utilizada porque el estrés hídrico es una característica
poligénica
– Selección en el ambiente escogido para el lanzamiento de la variedad
• Selección en F2
– Selección de plantas F2 bajo estrés hídrico
– Poblaciones son generalmente desarrollados a partir de doble o triple
cruces
– Combinan genes de diferentes fuentes, tales como Mesoamérica y
Durango
Selección asistida con marcadores moleculares
(SAM o MAS)
• Aplicación de marcadores moleculares
– RAPD con a selección indirecta (Schneider et al., 1997).
– Encontró que selección con RAPDs fue más eficaz que la selección
fenotípica cuando la heredabilidad era baja (Schneider et al., 1997).
• Ejemplo con marcadores RAPD (Schneider et al. 1997)
– MAS con la población Sierra/Lef-2RB utilizando 5 marcadores RAPD
• Mejoró el rendimiento 11% bajo estrés y 8% bajo no estrés
• Selección convencional no resultó en mejoramiento
– MAS con la población Sierra/AC1028 utilizando 4 marcadores RAPD
• Selección convencional resultó en un mejoramiento 3 veces mayor que con
MAS
• Necesitamos más estudios sobre el uso de la MAS para
aumentar la tolerancia a la sequía
(Foyer, 2016)
Análisis QTL
-Sequia
-no-estrés
(Blair et al., 2012)
Requerimientos para MAS
“La aplicación de MAS (selección asistido por marcadores) en frijol común para
tolerancia a la sequía se ha limitado debido a la extensa variabilidad en los
patrones de sequía, así como por sus interacciones con otras limitaciones de
producción en condiciones de campo y los mapas de baja densidad utilizados
para llevar a cabo el análisis de QTL.”
“Usar un mapa altamente saturado y datos de campo fenotípicas recogido bajo
diferentes condiciones de sequía ha ayudado a identificar QTL consistente
asociado con amplia adaptación a los mecanismos de resistencia a la sequía
en frijol común.”
(Mukeshima et al., 2014)
(Mukeshima et al., 2014)
Tecnología
“high throughput—Drones”
Phenocopter
(Chapman et al. 2014)
Quadcopter
NDVI
-WSU & USDA-ARS
-Washington State
-P. Miklas
Panel de Diversidad de Frijol Durango (DDP)
45 días después de siembra, Estado de Washington (imagen gNDVI)
Control
Sequia
Sequía
Correlación con rendimiento:
Indice rend. vaina 47%
NDVI
33% (Drone)
Control
Correlación con rendimiento:
Altura
43%
Biomasa
40% (Drone)
#raices basales 27%
Reducción de 40-42%
en rendimiento bajo estrés
de sequia.
(Phillip Miklas, 2015)
Alta correlación entre rendimiento y NDVI
Nuevo QTL (NDVI 1.1BR)
Pv01 (Trapp, 2015)
(Sankaran et al., 2015)
Estimación de
Biomasa
-FBN
-Estrés biótico
-Estrés abiótico
NPK
P + Rhizobia
Isabela, Puerto Rico, 2016
Retos para la selección de líneas de frijol con
tolerancia a la sequía
• Evaluación de líneas (Ramirez-Vallejo e Kelly, 1998).
– Medidas de selección inadecuadas para tolerancia a estrés hídrico
– Plasticidad fenológica
– Dificultad en tener tratamientos consistentes para la selección
• Otros fuentes de estrés
– Alta temperatura
– Pudrición radicular
• Macrophomina- ocurre más con el estrés terminal
• Fusarium, Rhizoctonia- ocurre más con estrés intermitente
– Baja fertilidad del suelo
– Enfermedades y insectos
• Importancia de combinar resistencias
– Más eficaz combinar tolerancia a sequía con resistencias a otros fuentes de
estrés abiótico y biótico (Beebe et al., 2008)
Conclusiones
– Métodos directos son más confiables (con base en rendimiento)
– Comparación de rendimiento con estrés y sin estrés
• Ensayos con riego y sin riego
• Ensayos en la misma localidad, durante épocas diferentes
– Repetir los ensayos en varios localidades y años
– Seleccionar en el ambiente escogido para el lanzamiento de la
variedad