Las plantas utilizan el agua para mantener todas sus reacciones bioquímicas y fisiológicas. Y uno de los procesos que depende más directamente del agua es el de la fotosíntesis. Cuando la planta es obligada a cerrar sus estomas debido al estrés hídrico, no puede mantener un adecuado nivel de intercambio de gases con la atmósfera. Esto causa una disminución de CO2 en los órganos foto sintetizadores, la inhabilidad para sintetizar azúcares y otros compuestos de carbón que son necesarios para producir ácidos grasos, aminoácidos y otros ácidos nucleicos, y es así como se puede llegar a detener toda la máquina de desarrollo de la planta. Esta detención reduce la eficiencia del uso de fertilizantes, pesticidas, mano de obra, maquinaria, etc. y reduce el impacto de los esfuerzos que debe hacer la humanidad para alimentar a las cerca de 10,000 millones de personas que habitarán el planeta al año 2050. Para que el riego sea lo más eficiente posible, los científicos han trabajado para desarrollar métodos que estimen el estatus hídrico dinámico de las plantas, durante su ciclo fenológico. Estos esfuerzos han atraído a científicos de todos los continentes y los países destinan crecientes apoyos financieros a estas investigaciones. Y estas fueron las razones que motivaron a 141 especialistas a ir entre el 5 y 7 de octubre de 2016 al evento organizado por la Universidad de Potsdam bajo el auspicio de la ISHS.

¿RIEGOS DE BAJO CAUDAL FRECUENTES O HARTA AGUA A INTERVALOS LARGOS?

El desafío planteado por Ian Dodd y su grupo de investigación en la Universidad de Lancaster es común en muchas zonas agrícolas del mundo: si el agricultor tiene una cantidad de agua de riego limitada, ¿Debe aplicarla de forma frecuente a niveles deficitarios o lo debe aplicar de un viaje a tasa completa y luego cerrar la válvula durante el resto del periodo de riego para volver a regar a tasa completa en el próximo ciclo?

Para entender esto, se realizaron ensayos en invernaderos. Los investigadores aplicaron menos agua que la evapotranspiración total del cultivo (ET), pero a diferentes frecuencias. Algunas plantas fueron regadas diariamente (aportando un 50% de ET, y manteniendo una humedad de suelo constante), mientras que las otras recibieron periódicamente el mismo volumen de riego acumulativo (generando un régimen de riego distinto de ciclos de secado y riego del suelo).

En el cultivo de Pelargonium en macetas de turba, regado diariamente a 50% de la ET, la biomasa de brotes aumentó un 15% en comparación con los ciclos de riego-secado. El riego diario también incrementó el potencial hídrico de la hoja y disminuyó la concentración de ácido abscícico (ABA) en el xilema de la hoja, comparado con los ciclos de riego-secado.

En plantas de girasol en contenedores, manteniendo una humedad de suelo deficitaria crónica, mediante riegos diarios, aumentó la conductancia estomática (gs), y la transpiración total de la planta, comparada con las plantas a las que el agua en algún momento se les cortó, enfrentando por lo tanto un déficit de humedad de suelo severo. Este incremento en el intercambio de gases fue asociado a una concentración menor de ABA en los xylemas de los brotes, y una pronunciada gradiente invertida en humedad del suelo (las partes superiores del suelo se mantuvieron húmedas, mientras que las capas más profundas estaban secas).

En plantas de tomate en containers con turba, la concentración decreciente de ABA en las raíces y en el xilema de la hoja se puede explicar en parte, al contabilizar la extracción de agua y la exportación de ABA desde las diferentes capas del suelo. Más aún, la acumulación de ABA en las raíces se pudo atenuar con los riegos frecuentes, debido a un mayor potencial hídrico en las raíces ante un Ө similar (ver Figura 1). Esta serie de experimentos demuestran, por lo tanto, resultados similares en diferentes cultivos y suelos, demostrando una ventaja de los riegos frecuentes, frente a los riegos más distanciados en el tiempo.

LOS PSICRÓMETROS ENTREGAN PROMISORIOS RESULTADOS EN AGUACATE

M. Morua de California State University (Fullerton, EE UU) presentó un ensayo que comparó la efectividad de varios métodos para mantener una tensión de agua deseable en un huerto de la variedad de palta ‘Fuerte’ en el Sur de California. Las paltas son consideradas uno de los cultivos menos eficientes en el uso de agua. Se necesitan cerca de 1,190 litros de agua para obtener un kilo de aguacate. Y los árboles se afectan fácilmente ya sea por déficit hídrico como por exceso de agua. Como estos tienen raíces superficiales y sus raicillas nuevas se tienden a secar rápidamente, el riego es crítico en dos estados fenológicos: floración y cuajado. También son sensibles a la salinidad, por lo tanto la tasa y frecuencia de riego deben también tomar en cuenta la fracción que se necesita para lavar las sales. Una forma de poder regar estos cultivos de forma adecuada sin regar en exceso es usando sensores de planta. En el ensayo se compararon diferentes métodos al mismo tiempo: medición destructiva de potencial hídrico de la hoja, contracción máxima de tronco (MDTS en inglés), potencial hídrico de tronco (medido con psicrometría de tallo), contenido volumétrico de agua en la madera (utilizando sensores de reflectometría en el dominio de la frecuencia y medición de la tasa de flujo de savia (utilizando sensores de flujo de sabia del método ‘heat-ratio’).

El status hídrico del suelo se midió continuamente a través de sensores. Para determinar las mejores mediciones para programar el riego a partir de mediciones de planta y/o suelo, se establecieron correlaciones entre las diferentes mediciones y mediciones discretas del potencial hídrico de la hoja al mediodía. Los resultados preliminares muestran que los potenciales hídricos de hoja, suelo y tronco declinan luego de retener agua. El MDTS se incrementa en la medida que aumenta el estrés, mientras que el contenido de agua del tronco disminuye levemente. Este último descubrimiento sugiere que el palto es una especie isohídrica. Esto quiere decir que mantiene un potencial hídrico de hoja al mediodía (Ψleaf) constante cuando el agua es abundante pero también bajo condiciones de sequía y lo hace reduciendo la conductancia estomática para limitar la transpiración.

Las conclusiones de este estudio fueron: a) el psicrómetro de tallo demostró ser la mejor herramienta para la programación del riego, porque entrega indicadores continuos de estrés de la planta, pero es caro y requiere se mantenido por un experto. Los sensores de flujo de savia no son buenos indicadores de estrés hídrico cuando se instalan en ramas torcidas laterales de árboles maduros. Los cambios en el diámetro de tronco y el contenido de agua en el tronco puede que no sean los mejores indicadores para regar, pero cuando se usan todos juntos pueden servir para estudiar las relaciones entre las relaciones hídricas entre el tronco y la corteza (ver Tabla 1).

CÁMARAS DE PRESIÓN: CONSEJOS ÚTILES

El potencial hídrico xilemático (SWP en inglés) se relaciona directamente con muchas respuestas de las plantas al estrés. Por lo que se presenta como una buena opción para medir el estado hídrico de las plantas. El profesor Shackel de la UC Davis, EE UU, enfocó su charla en varias técnicas que se deben implementar al momento de utilizar una cámara de presión en terreno para medir potencial hídrico xilemático. Estos consejos son: 1) Las mejores mediciones se logran al mediodía y no antes del atardecer. 2) Se deben cubrir las hojas con una bolsa plástica antes de cortar la ramilla de la planta, porque pueden perder agua antes de que se haga la medición. 3) Contrariamente a lo que opina la gente, se puede cortar de nuevo la ramilla una vez que se colocó en la cámara, sin afectar significativamente las lecturas del potencial hídrico.
Además, 4) La presión de gas aplicado se debe incrementar gradualmente, porque el movimiento de la savia sufre de inercia. 5) La observación del corte debe hacer con una lupa para identificar con precisión. 6) Una vez que la savia aparezca en la superficie de la zona del corte, se debe de a poco liberar la presión y forzarla también de forma iterativa hasta lograr determinar la presión definitiva (ver figura 2). 7) Las lecturas deben ser estandarizadas, porque bajo la misma humedad del aire absoluta, su humedad relativa se reduce directamente cuando la temperatura aumenta.

El profesor Shackel también mostró un psicrómetro de tallo de temperatura compensada que entrega lecturas muy confiables de potencial hídrico xilemático.

MEDICIONES DEL DIÁMETRO DEL TALLO: CLAVE PARA PROGRAMAR RIEGO EN ESPÁRRAGOS

El potencial hídrico pre atardecer (ψPD) es un indicador sensible y ampliamente utilizado para establecer estrés hídrico. La eficiencia de la programación de riego basado en ψPD depende de la precisión de los umbrales de ψPD, para establecer un buen ‘timing’ de las acciones de riego.
Es por esto que la Dra. Jana Zinkernagel, de la Universidad de Geisenheim, Alemania, decidió establecer umbrales de ψPD para regar espárragos, que son un cultivo muy importante en Alemania Occidental. Los espárragos son considerados un cultivo anisohídricos (tienen un control leve – no ausente- estomático a través del potencial hídrico de hoja, mantenido por señales de larga distancia de ABA, que puede generar una falta de sensibilidad a estrés leve).

Por lo tanto es un cultivo que puede sufrir severamente bajo sequía. Como medir su ψPD no es fácil en terreno, se han desarrollado modelos de riego bajo parámetros más fáciles de medir.

La Dra. Zinkernagel revisó parámetros fisiológicos como diámetro de tallo, tasa de asimilación, intercambio de gas, conductividad hidráulica de xilema y contenido relativo de agua, concurrentemente con parámetros morfológicos como tasa de crecimiento de planta y también con parámetros de rendimiento como cosecha de estolones. Es así como se pudieron establecer umbrales de ψPD para varios regímenes de riego, para suelos arenosos y franco arenosos.

Al medir el diámetro de tallo (ver foto), ella descubrió que el umbral de ψPD que se había establecido en los parámetros fisiológicos de ψPD = -0.15 Mpa, es más sensible a sequía que los parámetros morfológicos como crecimiento de brotes o el rendimiento de estolones que solo eran aparentes a -0.37 Mpa. Por lo tanto, los fenómenos fenotípicos que son comúnmente usados por los agricultores infra-estimaban la sensibilidad del cultivo al estrés hídrico. Por lo tanto, este estudio muestra que en muchos casos, donde los agricultores nunca han instalado un sistema de riego, en primer lugar deberían instalar uno y luego deberían basarse en parámetros fisiológicos para obtener mayores cosechas y de mejor calidad.

SENSORES TÉRMICOS: OPORTUNIDADES PARA MONITOREAR ESTRÉS HÍDRICO Y TRANSPIRACIÓN

En la charla dictada por el Prof. Hamlyn Jones, de la Universidad de Dundee, UK, se analizó este tema. Los sensores térmicos tienen diferentes ventajas, partiendo de la basa que la evaporación y la transpiración son componentes principales del balance de energía. Por lo tanto, si aumentan, la superficie del cuerpo evaporante se enfría.

Por lo tanto, en el caso de la transpiración, la temperatura ofrece un indicador de resistencia/conductancia estomática y de la tasa de transpiración. Es por esto, ampliamente usado para estimar la tasa de transpiración, conductancia estomática y como un indicador de plantas estresadas. Pero basados en la respuesta relativa de los estomas, se pueden expresar otros tipos de estrés como por ejemplo: enfermedades, plagas, anoxia y daños por heladas. También es útil para estudiar respiración termogénica y los procesos de congelamiento.

Una aplicación especial de sensores térmicos se hace a través de espectroscopía térmica infrarroja. Esta puede ser usada en las siguientes aplicaciones: 1) contenido de agua. 2) Microestructura de a hoja. 3) Bioquímica de la hoja (por ejemplo, C-H, uniones C-O , celulosa, lignina); 4) estructura cuticular y química. La cámara IR puede ser manual o montada en un tractor, dron, avión o satélite, lo que abre las posibilidades para realizar detecciones a nivel microscópico, a nivel de planta, grupo de plantas o muchas hectáreas.

La espectroscopía infrarroja se puede aplicar en los siguientes usos: identificación de zonas donde falla el riego, identificación de fenotipos de plantas que son más resistentes a sequía que el resto de la población. Y, en esta misma línea, estas herramientas permiten seleccionar rápidamente cultivares para resistencia a sequía. Más aún, la espectroscopía infrarroja también puede generar datos cuantitativos que se basan en la ecuación de Penman-Monteith, que se puede simplificar para expresar ET como relacionado de forma inversa y lineal con la temperatura detectada ( ejemplo. Mientras más alta sea la temperatura de la planta por sobre la temperatura del aire, más baja es su tasa de transpiración).

El mejor método para obtener resultados en este tipo de estimación de ET, es basarse en una temperatura conocida de superficies de referencia, las que deben ser medidas al mismo tiempo que el objeto agrícola que se quiere medir. Estas superficies pueden ser materiales inertes o, si se requiere mayor resolución, algunas de las hojas ubicadas en la zona de estudio se puede calentar eléctricamente hasta una temperatura deseada.

Estos datos cuantitativos permiten estimar el ratio ET/ gs para mejorar el control del riego, lo que transforma a esta tecnología en una poderosa herramienta para agricultura de precisión. Los aparatos de medición de temperatura en el campo no deben necesariamente limitarse a ser fijos o a ser usados en momentos específicos. También se pueden mover y su movimiento se puede programar. También se pueden programar para tomar imágenes a intervalos. Cuando se toma la foto hay que tener especial cuidado con el ángulo de exposición respecto al sol, porque las hojas que están directamente iluminadas van a dar resultados diferentes que las hojas sombreadas. También es recomendable aplicar un sensor artificial de referencia en la zona a captar, y para hacerlo similar a los objetivos en las plantas puede tener la forma de media pelota de tenis.

ESPECTROSCOPÍA INFRARROJA: ASPECTOS A CONSIDERAR

“Pero la espectroscopía infrarroja no está exenta de problemas”, señaló el Prof. Hamlyn Jones y aconsejó tomar los siguientes resguardos:

El problema del fondo. Es crucial que la canopia sea medida sin su fondo o por lo menos se deben realizar los esfuerzos para incluir solo una mínima fracción del fondo. Este “ruido” del fondo puede venir del suelo o de objetos que no son hojas ( ej. El tronco o los frutos). Para estas situaciones se debe incluir un extractor automático de imágenes en el sistema de interpretación.

 Se deben establecer umbrales (por ejemplo, para control de riego).

 Se debe distinguir el déficit de hídrico de otros tipos de estrés.

 Se debe introducir un mecanismo para corregir la distancia en caso de que se incluyan objetos cercanos y remotos en el mismo cuadro.

 Se debe tener en cuenta la aerodinámica de la canopia para una correcta interpretación de los resultados, porque la canopia expuesta a altos vientos va a transpirar mucho más, por lo tanto aparecerá como más fría.

 Hasta ahora, cada set de resultados solo aplican a la zona donde se tomó la imagen. No se pueden inferir a otros sistemas agrícolas debido a otras variables que son específicas a cada cultivo, locación y tiempo.

 Para obtener un uso completo de esta técnica es aconsejable combinar su uso con otras tecnologías como fluorescencia, imágenes hiperespectrales, mediciones de humedad de suelo, etc.

JAPÓN: UN NUEVO APARATO PARA DETECTAR EL MOVIMIENTO DEL AGUA DENTRO DE LA PLANTA

El grupo del Dr. Ms. Uzuki Matsushima (Universidad de Iwate, Japón) ha desarrollado un aparato único para detectar el movimiento del agua dentro de la planta en tiempo real. El método emplea ‘heavy water’ (óxido de deuterio, D2O) en lugar de H2O y lo rastrea con espectroscopía infrarroja, en plantas de arroz. Para analizar la factibilidad de reemplazar el agua normal por ‘heavy water’ los investigadores en primer lugar estudiaron su tasa de extracción por parte de plantines de arroz y descubrieron que el D2O era extraído por los plantines a una velocidad de un 30% menor que el agua. La cámara NIR tiene un filtro de banda que absorbe todos los anchos de banda excepto 1540 nm. Este ancho de banda fue elegido porque el agua lo absorbe mientras que el D2O no lo absorbe. Por lo tanto, el área de la planta donde el H2O ha sido reemplazado por D2O produjo una zona de imagen más brillante y, debido a la precisión de este sistema, se pudo obtener una resolución de 0.1 nm. Luego de pasar los plantines desde tubos de ensayos con H2O a tubos con D2O se comenzaron a tomar imágenes NIR cada 5 minutos, tanto para luz reflejada como luz transmitida. Para las hojas de arroz, las imágenes de luz NIR reflejada detectaron una exitosa absorción de D2O. Pero las raíces de arroz mostraron un fenómeno diferente.

Las imágenes de luz reflejada obtenidas desde raíces creciendo en macetas de vidrio no detectaron claramente la extracción de D2O, debido a interferencias provocadas por el vidrio. Pero las imágenes de la luz transmitidas por las raíces sí detectaron la extracción de D2O. Este estudio reveló, por lo tanto, que las imágenes de luz reflejada permite visualizar el movimiento de D2O en los brotes, tallos y hojas de las plantas, mientras que la imagen de luz transmitida por las raíces solo es adecuada para plantas que crecen en suelos.

RESONANCIA NUCLEAR MAGNÉTICA AL SERVICIO DEL RIEGO

La resonancia nuclear magnética (NMR) ha sido de gran utilidad para la humanidad, sobretodo en el área de la salud humana. Los doctores Meixner y Windt, junto a un grupo de investigadores de los institutos de investigación vegetal en Freising y Julich en Alemania han desarrollado un prototipo móvil de NMR que permiten obtener imágenes del estado hídrico de las plantas en tiempo real y en alta resolución. Actualmente pesa cerca de 250 kilos y permite obtener imágenes de objetos de las plantas de hasta 100 mm de diámetro, donde los cambios de contenido de agua de un 0.1% producen una señal.

Este aparato puede ser usado en el campo y permite tomar medidas continuas durante semanas. Un experimento que investiga los efectos de estrés hídrico en brotes y árboles durante 40 días, demostró claramente el status hídrico dentro de los órganos, incluida la formación de embolias. Las dinámicas diurnas del contenido de agua de las hojas o del llenado de granos en cereales y leguminosas, también se pudieron registrar exitosamente.

UN NUEVO TENSIÓMETRO DIELÉCTRICO

La empresa Delta-T Devices presentó un tensiómetro dieléctrico que viene con un controlador proporcional integral derivativo (PID). Este aparato ha sido diseñado para ser usado en cultivos sin suelo, como turba, lana de roca y con un rango de sensibilidad de entre -0.7 kPa y -2.5 kPa.

Cuando a este tensiómetro se le ha integrado un controlador PID se ha podido obtener excelentes tensiones de agua en los sustratos y también en eventos inesperados como lluvias o roturas en el sistema de riego. Como resultado, el aporte de agua fue de la mano con la demanda de las plantas, cuando el punto de seteo se fijó en -0.90 kPa, -0.95 kPa, o -1.00 kPa, por 7 días consecutivos para cada nivel. La combinación del tensiómetro con el método basado en el PID en fresas (túnel) tuvo una relación lineal entre el déficit de presión de vapor diario y el uso de agua, durante 11 días.

AUMENTA LA MASA CRÍTICA

“Las relaciones del agua en las plantas es un fenómeno de toda la planta y los mecanismos a través de los cuales las plantas se adaptan a las condiciones de escasez han sido moldeados por los patrones diurnos y de temporadas del estatus hídrico que son parte del comportamiento normal de las plantas en el campo. Por lo tanto, yo creo que las condiciones en el campo es el ambiente donde se deben estudiar estos temas. En muchos casos, sin embargo, para realizar estudios fisiológicos detallados requerirán del desarrollo de sistemas de medición in situ más confiables. Una mayor comprensión de las interacciones entre las plantas y el medio ambiente nos llevarán a obtener un mayor conocimiento de las consecuencias fisiológicas del déficit hídrico y de la naturaleza de la respuesta de las plantas a las condiciones de escasez de agua”, señaló el Dr. Ken Schackel. La buena noticia es que se acuerdo a lo que vimos en este simposio en Alemania, cada día hay más investigadores dedicados a este tema, provenientes de todas partes del mundo, generando así una masa crítica que permitirá avanzar hacia solucionar uno de los mayores desafíos de la agricultura actual.

* El artículo original fue escrito por Oded Achilea para NewAg International, revista asociada de Redagrícola.
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