Molecular, physiological and agronomical response of barley to elevated temperature, elevated CO2 and drought, factors associated to climate change

Abstract

La producción agrícola se ve fuertemente influenciada por el clima, y cualquier cambio en el mismo puede reducir la productividad de los cultivos y poner en riesgo la seguridad alimentaria de la creciente población mundial. Las predicciones sobre el clima plantean un continuo incremento del CO2 de la atmósfera, asociado con temperaturas más elevadas y con un aumento de la duración e intensidad de las sequías. Ello implica que la productividad de los cultivos se verá afectada por complejas interacciones ambientales entre estos factores.En términos de producción, la cebada es el cuarto cereal más importantes a nivel mundial y el segundo a nivel europeo y estatal, utilizándose tanto en la alimentación animal como humana, así como en la industria maltera. Además, la cebada presenta una gran riqueza genética heredada de su ancestro: la cebada silvestre (Hordeum spontaneum K. Koch), uno de los primeros cultivos domesticados por el ser humano, confiriéndole una alta potencialidad para adaptarse a diversas condiciones climáticas como las derivadas del cambio climático.Bajo este contexto, se ha querido estudiar la respuesta molecular, fisiológica y agronómica de una variedad de cebada maltera (cv. Henley) frente a las interacciones de la elevada temperatura, el elevado CO2 y la sequía. Para ello, se ha incidido en los dos procesos principales que regulan el crecimiento vegetal: las relaciones hídricas y el metabolismo fotosintético. Además, sabiendo que en el futuro no solo se verán intensificados los periodos de sequía, sino que también ocurrirán más frecuentemente, se ha investigado la capacidad de la cebada para recuperarse de un estrés por sequía en el periodo vegetativo, así como para desarrollar un posible mecanismo de endurecimiento al sufrir otra sequía en antesis.Bajo condiciones climáticas futuras (700 ppm CO2 y 26/20 °C día/noche), las plantas de cebada presentaron un mejor estado hídrico al final del periodo de sequía en antesis gracias a un mejor control estomático y una menor deshidratación celular, respuesta parcialmente modulada por una regulación isoforma específica de las acuaporinas. Esto permitió a las plantas que crecieron en condiciones climáticas futuras mantener en mejor estado las tasas fotosintéticas, donde nuevamente la participación de una respuesta isoforma-específica de las acuaporinas pareció jugar un papel clave.Sin embargo, este efecto positivo sobre las relaciones hídricas y el metabolismo fotosintético no fue suficiente para mantener unas tasas de producción superiores ya que la elevada temperatura impactó muy negativamente sobre el desarrollo del grano. Es más, la producción de cebada fue incluso menor bajo dichas condiciones climáticas futuras.Por otra parte, las plantas que sufrieron una sequía leve en el periodo vegetativo no fueron capaces de recuperar las tasas fotosintéticas debido a limitaciones difusionales, donde una expresión a la baja de la acuaporina foliar HvPIP2;1 pudo contribuir a ello, obteniendo como resultado final una menor producción. Sin embargo, se observó que una interacción cruzada temperatura elevada-sequía debido a los efectos de una sequía leve en el periodo vegetativo, puede conferir un mecanismo de adaptación para hacer frente al estrés por la elevada temperatura.A su vez, las plantas que previamente sufrieron una sequía leve en el periodo vegetativo y volvieron a sufrir una sequía en antesis no presentaron un estado de endurecimiento. No obstante, dependiendo del grado de estrés hídrico ocasionando por la sequía en antesis, incluso presentaron una limitación difusional, habiendo desarrollado un efecto de memoria adverso, lo cual se tradujo en una menor producción bajo condiciones climáticas futuras.Estos resultados prevén que la producción futura de la cebada pueda verse comprometida, incidiendo negativamente en la seguridad alimentaria. Pese a ello, el incremento presentado a nivel de los órganos vegetativos abre una vía para que los mejoradores puedan explotar dicho potencial, incidiendo en la capacidad de la cebada para dirigir los asimilados al desarrollo reproductivo y llenado del grano en vez de al crecimiento vegetativo.Finalmente, cabe destacar que los datos obtenidos en esta Tesis Doctoral y la discusión realizada de los mismos son relevantes ya que aportan información desconocida hasta ahora sobre los efectos que la triple interacción (elevado CO2, elevada temperatura y sequía impuesta en distintos estadios fenológicos) causa a lo largo del ciclo de vida de una especie tan importante como la cebada. Además, este estudio combina análisis a distintas escalas (molecular, fisiológica y agronómica), lo que permite relacionar distintos mecanismos fisiológicos con la producción final y así poder hacer un análisis integrado de los distintos resultados