Resumen de Estimation of the risk of early blight disease during the vegetative development of the potato crop and its storage

Laura Meno Fariñas

• español

  La patata es uno de los alimentos básicos de la alimentación humana y el cuarto cultivo, por importancia, detrás del maíz, el trigo y el arroz. La planta de la patata que fue introducida en Galicia hacia mediados del S. XVI, se adaptó muy bien a nuestras condiciones ambientales, y substituyó a la castaña en nuestra dieta, cuando la tinta causada por el hongo Phytophthora cinnamomi Rands, destruyó una buena parte de la producción de este fruto. En la actualidad, Galicia es una de las principales comunidades autónomas españolas productora de patatas, con unas 16.000 hectáreas de superficie cultivada en el año 2020. Además, la patata gallega está amparada por la denominación de calidad Indicación Geográfica Protegida “Pataca de Galicia”. La comarca de A Limia junto con la de Allariz-Maceda son las comarcas que más superficie dedican a este cultivo en Galicia, y junto con el trigo son la principal fuente de ingresos del rural.

  En los últimos años, se está observando un incremento de la temperatura global y una disminución de las precipitaciones durante las épocas estivales a consecuencia del cambio climático. Esta modificación del clima está afectando, tanto al ciclo de cultivo de la patata y a los rendimientos, como a las plagas y enfermedades que le afectan. Entre estas enfermedades sensibles al cambio climático, está la Alternariosis, una enfermedad provocada por el hongo de Alternaria con una clara tendencia a incrementar su incidencia. Los métodos más eficaces de los que dispone el agricultor para el control de enfermedades en sus cultivos se basan en la aplicación de fungicidas bajo calendarios preestablecidos. El calendario de aplicación no considera el riesgo de que la enfermedad se desarrolle, sino el tiempo que pasa desde la última dosis, por lo que se realizan aplicaciones innecesarias.

  Dentro de la estrategia del Pacto Verde Europeo para la lucha contra lo cambio climático, destacan los objetivos de reducir el uso de pesticidas en lo relativo al sector primario, proteger el medio ambiente y asegurar la producción sostenible de alimentos de calidad. Esta Tesis busca y apuesta por una agricultura más sostenible para la comarca de A Limia. Concretamente, investiga sobre la presencia de la Alternariosis en los cultivos de patata en la comarca y pretende desarrollar una estrategia de manejo de las parcelas agrícolas, basándose en el uso de modelos de pronóstico, para predecir el comportamiento de una plaga o enfermedad y establecer los niveles de riesgo para los cultivos. Este tipo de modelos tienen en cuenta, principalmente, parámetros meteorológicos y fenológicos, pero el seguimiento aerobiológico del ambiente de cultivo aporta información muy útil para la optimización de estos modelos.

  El primer paso antes de establecer modelos de prognosis es estudiar la influencia de las distintas variables en el comportamiento del patógeno en cuestión. Por este motivo, en esta Tesis, se realizaron distintos procedimientos experimentales que implicaron el seguimiento en campo de varios ciclos de cultivo de la patata para registrar la sucesión de eventos fenológicos, meteorológicos y la presencia de conidios de Alternaria en el ambiente de cultivo. Además, se estudió la influencia de las condiciones ambientales durante el almacenamiento en la calidad de los tubérculos, prestando especial atención a los principales parámetros de calidad (materia seca y azúcares reductores) y a la presencia de patógenos en los almacenes. En cuanto a los parámetros de calidad, se testó una técnica no destructiva, la tecnología de infrarrojo cercano NIRS usando un equipo portátil, para estimar estos parámetros de manera rápida. La técnica, presenta ventajas frente a los métodos tradicionales, como rapidez y la no destrucción de la muestra, siendo útil en el sector de la patata para su incorporación en las líneas de envasado. Además, se comparó la presencia de esporas de hongos en sistemas de almacenamiento con condiciones controladas (temperatura y humedad relativa) con sistemas de almacenamiento tradicional.

  Por tanto en esta Tesis Doctoral se estudiaron distintas etapas del cultivo de la patata, con objetivo principal de introducir estrategias de manejo más sostenibles, reduciendo el impacto de la agricultura en medio rural. Los objetivos específicos que se persiguen son los siguientes: 1. Investigar la influencia de las condiciones meteorológicas en el desarrollo de la Alternariose en el cultivo de la patata y evaluar el impacto del cambio climático sobre este cultivo y la enfermedad.

  2. Ajuste de los modelos de pronóstico de la Alternariosis a la zona de producción como herramienta para la toma de decisiones a la hora de aplicar tratamientos fitosanitarios.

  3. Estudiar la evolución de la calidad de la patata y la presencia de patógenos durante el almacenamiento y aplicar la tecnología de infrarrojo cercano (NIR) para la rápida determinación de los principales parámetros físico-químicos.

  Los resultados fueron obtenidos en distintos procedimientos experimentales. En primer lugar, se llevó a cabo el seguimiento en parcelas de cultivo situadas en la comarca de A Limia y Allariz-Maceda, desde el ciclo de cultivo del año 2016 hasta el año 2022. Estos datos formaron parte de una base de datos con seis ciclos de cultivo previos que fue utilizada para incrementar la secuencia de seguimiento. Durante estos ciclos de cultivo, se registraron las condiciones meteorológicas y, usando métodos aerobiológicos, los niveles de conidios de Alternaria en el ambiente del cultivo. Del mismo modo, se realizó un seguimiento fenológico mediante visitas semanales a las parcelas desde la fase de emergencia del cultivo hasta el fin de la senescencia. Los primeros síntomas y el progreso de la enfermedad en campo se observaron también con visitas semanales y se cuantificó con los parámetros AUDPC y r-AUDPC, que acercaron información sobre la evolución de la Alternariosis en las parcelas.

  Los modelos de pronóstico testados para Alternaria, se pueden clasificar en tres grupos: los modelos basados en el desarrollo de la planta (P-Days, GDD y WE), los basados en las condiciones favorables para el desarrollo del patógeno (IWP y TOMCAST) y un modelo que combina, tanto las condiciones favorables para el desarrollo de la planta, como las del patógeno (TOMCAST+ Maturity). Cada uno de estos modelos fue aplicado con distintos umbrales de riesgo teniendo en cuenta la bibliografía publicada. Dado que las variedades de patata tienen niveles de sensibilidad diferente, se evaluó en una parcela experimental, el progreso de la enfermedad en parcelas sin tratamiento (control) y en parcelas tratadas usando el modelo TOMCAST. Las variedades ensayadas fueron: Fleur Bleue, Frisia, Fontane, Louisa, Agria, Daifla, Red Pontiac, Kennebec y Desiree. El rendimiento al final del cultivo fue medido considerando plantas escogidas al azar, tanto para la producción comercializable (tubérculos mayores de 40 mm) cómo para la producción total expresada en kg por hectárea.

  En cuanto a los ensayos durante la fase de almacenamiento, fueron realizados en dos almacenes con distintas condiciones ambientales: un almacén tradicional sin control de las condiciones ambientales y otro con condiciones controladas. Paralelamente, se registró la temperatura y la humedad relativa, la concentración de esporas de hongos presentes en el ambiente y se estudió la evolución de la calidad de las patatas (materia seca y azúcares reductores) durante el almacenamiento. Los datos de calidad de los tubérculos y los espectros obtenidos mediante un equipo microNIR portátil, fueron tratados matemáticamente para obtener distintos modelos de calibración, y evaluar su utilidad para disponer duna estimación rápida de estos parámetros.

  Los resultados obtenidos en esta Tesis, se agrupan en tres capítulos que recogen su respectivo objetivo específico. El capítulo 1, trata la influencia de los parámetros meteorológicos en el comportamiento de Alternaria en la atmósfera del cultivo, tanto en los niveles diarios cómo en la distribución a lo largo del día. Recoge también la previsión del impacto del cambio climático sobre el cultivo de la patata, el impacto de la Alternariosis en la comarca y propone estrategias para reducir el impacto del calentamiento global. Finalmente, se introduce el cultivo de variedades más resistentes como alternativa de lucha. En el capítulo 2 se aborda el uso de modelos de pronóstico para estimar el riesgo de la enfermedad y se comparan los resultados de los distintos modelos aplicados en las condiciones del cultivo en La Limia. El capítulo 3, recoge los resultados obtenidos durante la fase de almacenamiento. Analiza la influencia de las condiciones de almacenamiento en la presencia de esporas en el ambiente y evalúa la adecuación de la tecnología NIR, para la determinación de materia seca y azúcares reductores en los tubérculos.

  La fenología de las plantas es un factor esencial en la aparición de la enfermedad, los primeros síntomas aparecen principalmente entre 37 y 40 días después de la emergencia, en la fase floración. A partir de este momento, la presencia de conidios de Alternaria incrementa considerablemente en todos de los ciclos de cultivo hasta el fin de la senescencia. Ataques severos de Alternariosis favorecen la senescencia y afectan al rendimiento. Considerando la mayor sensibilidad de los estadios finales del cultivo a la aparición de la enfermedad, y que, en las condiciones de A Limia sucede durante los meses de julio y principios de agosto, es cuando se suceden más días con condiciones favorables para el desarrollo de la enfermedad. Por lo tanto, una estrategia para el manejo de la plaga podría centrarse en cambios en el calendario de cultivo.

  Los datos obtenidos muestran que los factores climáticos son decisivos para la evolución de la concentración diaria de conidios en el ambiente. La temperatura, los largos períodos de humedad foliar y alta humedad relativa, la temperatura media durante el período de humedad foliar y la temperatura de rocío mostraron una relación estadísticamente significativa con la concentración de conidios. Por el contrario, los parámetros de velocidad del viento, la radiación solar diaria y lluvia no fueron determinantes para la presencia diaria de conidios en el ambiente. Concretamente, hay una influencia positiva de la temperatura diaria (mínima, máxima y media) en la presencia de conidios en el ambiente del cultivo, tanto para la temperatura del mismo día como con la temperatura de hasta siete días previos. En cuanto a humedad relativa, la consecución de varios días de humedad relativa alta (>80%) favoreció la presencia de conidios en el ambiente de cultivo. Aunque cabe destacar, que la influencia de la humedad en la presencia diaria de conidios en el ambiente es menor que la de la temperatura. Por otra parte, se observó que la temperatura durante los períodos de humedad foliar, es determinante para el desarrollo de la enfermedad. Durante la fase fenológica de desarrollo vegetativo, cuanto mayor son el número de horas de humedad foliar y mayor es la temperatura media, más altos son los niveles de Alternaria.

  En cuanto al comportamiento horario, la humedad relativa y la radiación solar fueron las variables que estuvieron directamente relacionadas con la concentración horaria de conidios. Mediante un modelo de regresión lineal, la radiación explicó un 85% de los datos de conidios mientras que la humedad relativa, un 82%. En el caso de la radiación solar, la relación con la concentración de conidios fue directamente proporcional, mientras que para el caso de la humedad relativa fue inversamente proporcional. Analizando los patrones horarios, en general, la concentración de conidios comenzó a aumentar de forma exponencial a partir de las 8h (momento en el que produce un cambio de tendencia en los principales parámetros meteorológicos). Esto coincidió con un aumento de la radiación solar (Rad > 200W/m2) y con un descenso de la humedad relativa (RH<80%). Un análisis cuidadoso sugirió que las horas pico para la dispersión de conidios se caracterizaban por condiciones meteorológicas de baja humedad relativa y una alta radiación solar (entre las 13h y las 16h). Parece que la liberación de conidios de los conidióforos está favorecida por un descenso de la humedad relativa, que daría lugar la rotura por deshidratación de los conidióforos y a la liberación de los conidios.

  Se establecieron cuatro niveles de conidios en el ambiente del cultivo, considerando la concentración diaria: cero (0 conidios/m3), bajo (1-50 conidios/m3), intermedio (51-90 conidios/m3) y alto (>90 conidios/m3). Los niveles intermedios de Alternaria coincidieron con una temperatura mínima de 10 ºC, y una temperatura máxima superior a 27 ºC. Además, cuanta mayor concentración de Alternaria (nivel alto) mayor número de horas de humedad foliar (8.3 h) respeto a los otros niveles, en los que el promedio fue de 7.3 h. La temperatura media inscrita durante este período húmedo fue significativamente mayor en los niveles intermedio y alto (13 ºC).

  Para predecir la concentración diaria de conidios en el ambiente de cultivo se utilizaron técnicas estadísticas multivariantes y de inteligencia artificial. Mediante un análisis de regresión lineal, con variables como la temperatura durante el período de humedad foliar, humedad relativa y concentración diaria de conidios del día anterior, se consiguió explicar un 41% de la varianza de los datos. En el caso de la aplicación de los modelos de redes neuronales, se clasificó el total de conidios por día en dos niveles: nivel significativo (M) cuando la concentración es superior a 10 conidios/m3 y nivel no significativo (UM) cuando es inferior. Cuando se incluyeron los conidios de días anteriores en los algoritmos de inteligencia artificial, el modelo CART resultó ser el mejor con un 86% de precisión y un valor de Kappa de 0.62, superior al modelo de C5.0 con un 85% de precisión y un valor de Kappa de 0.6.

  Aunque es necesario disponer de una base de datos mas fuerte y un análisis mas detallado del comportamiento del clima en la comarca de La Limia, una primera evaluación permite concluir que las consecuencias del cambio climático, ya la están siendo visibles en la comarca. Así, el test de Mann-Kendall y el cálculo de la pendiente de Sen sobre datos climáticos de tres estaciones de la comarca durante 17 años, confirmaron una tendencia positiva en la variable temperatura (T) y negativa en el número de días de lluvia. Especialmente esta tendencia es mas acusada durante el período de cultivo de la patata (entre mayo y septiembre) cuando, a pesar de que no hay cambios notables en la temperatura media, se consiguen cada vez mayores temperaturas máximas y la temperatura mínima es cada vez más alta. Además, la precipitación en forma de lluvia es cada vez menor, siendo mas probable a aparición de episodios tormentosos. Los valores de precipitación son similares pero el número de días de lluvia tiende a disminuir. Estos cambios afectan negativamente al desarrollo de la patata, ya que es una planta de fotoperiodo corto y climas templados. Por otra parte, al evaluar la influencia del calentamiento global sobre la Alternariosis, es de esperar un mayor incidente de esta enfermedad, ya que lo hongo precisa temperatura media alta durante los períodos de humedad foliar. De hecho, entre los años 2007 y 2010, hubo más días con concentraciones diarias intermedias (31-70 conidios/m3), mientras que en el período de 2010 al 2020, hubo más días en las categorías más altas (>71 conidios/m3).

  Para estas condiciones futuras, las modificaciones en las fechas de siembra y la utilización de variedades mejor adaptadas, se presentan como oportunidades para una estrategia sostenible de control de la Alternariosis. La respuesta de las distintas variedades de patata a la sensibilidad de la Alternariosis fue evaluada utilizando una parcela experimental con parcelas control (sin aplicación de tratamientos fitosanitarios) y parcelas que fueron tratadas utilizando como modelo de estimación del riesgo el TOMCAST. Los resultados indican que de las nueve variedades ensayadas: Fleur Bleue, Frisia, Fontane, Louisa, Agria, Daifla, Red Pontiac, Kennebec y Desiree, las más resistentes fueron Fleur Bleue y Louisa, mientras que las más susceptibles fueron Daifla y Frisia. La utilización del modelo TOMCAST como sistema de apoyo a la hora de aplicar fungicidas, proporcionó excelentes resultados ya que todas las variedades sufrieron menos daños por la presencia de Alternaria en comparación con las parcelas control y mantuvieron un buen rendimiento. Por el contrario, las parcelas control, tuvieron una merma del rendimiento de entre el 40 y el 60%, en función de la variedad.

  Los modelos de pronóstico fueron testados tanto para la predicción de los niveles de Alternaria en la atmósfera como para la predicción de los primeros síntomas en la planta.

  En el caso de la predicción de la aparición de los primeros síntomas se usaron los siguientes tipos de modelos: basados en la planta (P-Days, GDD y WE), basados en el patógeno (IWP, TOMCAST) y basados en ambos (TOMCAST (25) + Madurez). En el caso de los modelos que usan los requerimientos de la planta se tuvieron en cuenta diferentes umbrales reportados en la literatura para el inicio de la Alternariosis. En detalle, 300 P-Days, 330 P-Days, 361 GDDs, 375 GDDs, 417 GDDs, 625 GDDs, 1000 GDDs.

  Para el modelo IWP se consideraron los días en los que se cumplen dos condiciones: una humedad relativa por encima del 95% durante un mínimo de 6 h por la noche y, por lo menos 6 h o más con humedad inferior al 80% durante eldía , sumándose así unidades de riesgo. También se probó con un umbral de humedad relativa durante la noche de 88% (6 IWP 88%). En el caso del modelo TOMCAST se acumularon valores de severidad (DSV) hasta umbrales de 10, 20 y 25 DSV.

  Los modelos P-Days, GDD y WE mostraron un comportamiento similar en los años de estudio. Los modelos WE (1.4), 361 GDDs y 375 GDDs mostraron un buen ajuste, con fechas comprendidas entre siete días antes y dos días después de los primeros síntomas y menor RMSE. Los modelos basados en las condiciones de desarrollo del patógeno (IWP, TOMCAST) fueron los más conservadores, pronosticando los primeros síntomas hasta 37 días antes. En cuanto al modelo TOMCAST, los umbrales de 10 DSV y 20 DSV fueron los más adecuados. Por el contrario, el modelo TOMCAST (25) + Madurez basado en el patógeno y en la planta, dio una predicción tardía de la aparición de los primeros síntomas.

  Evaluando la adecuación de estos modelos para el inicio de la aplicación de fungicidas, se consideró que para el modelo P-days es necesario entre 258 y 271 unidades. En el caso de GDDs, sería recomendable realizar los tratamientos entre 364 unidades y 384 unidades acumuladas. El intervalo crítico para el modelo WE, estuvo entre valores de 1,36 y 1,40. Para los modelos basados en el patógeno como el IWP, los primeros síntomas pueden aparecer por enzima de las 18 unidades, siendo el límite inferior para recomendar los tratamientos. Mientras que se consideramos el IWP (88%), el período crítico estaba entre 32 y 33 unidades acumuladas. Por último, el modelo TOMCAST recomienda el tratamiento entre 13 y 22 unidades. Con todo, cuando se combina este modelo con la madurez de la planta (TOMCAST + Madurez), es necesario acumular de 13 a 22 unidades TOMCAST y de 258 a 271 unidades del modelo P-days (Madurez).

  Los primeros picos de Alternaria en el ambiente del cultivo coincidieron con una acumulación de 10 DSV aplicando el modelo TOMCAST y entre 7 y 21 días antes de los primeros picos de Alternaria para el caso del modelo IWP.

  Durante el almacenamiento de los tubérculos, se observó que la atmósfera del almacén puede contribuir a que aparezcan infecciones secundarias en las patatas. El almacén tradicional, sin control de temperatura y humedad relativa, presentó un mayor contenido de esporas de hongos potencialmente patógenos como Alternaria, Helminthosporium o Fusarium, mientras que en el almacén con condiciones controladas destaca la presencia de Aspergillus/Penicillium, representando un 96.3% del total de esporas presentes. Además, la realización de actividades típicas en un almacén como es el movimiento de lotes provocó un aumento relativo de esporas en el ambiente del almacén.

  Finalmente, en cuanto al estudio de la evolución de los principales parámetros indicadores de la calidad en patatas de las variedades Agria y Kennebec, decir que el contenido medio de materia seca fue similar entre los tubérculos de Agria y Kennebec con un valor medio de 20.29% y 19.49%, respectivamente. Respeto a los azúcares reductores, la variedad Kennebec tuvo un contenido significativamente mayor que Agria, con un valor medio de 0.23 frente a un valor medio de 0.15 g/100g, respectivamente. En lo que a la calidad se refiere, la tecnología NIRS se presenta como un método rápido y seguro para la determinación de los principales parámetros de calidad en el cultivo de la patata, incluso para su instalación en líneas de envasado. Los valores de la calibración son valores ligeramente inferiores a los de otros estudios publicados (R2= 0.72 para materia seca y R2=0.6 para azúcares reductores). Pero hay que tener en cuenta que en este estudio se consideró la aplicación de la tecnología NIR sobre tubérculos enteros y sin pelar, mientras otros trabajos utilizaron tubérculos pelados y lavados o incluso la pulpa. El objetivo fue evaluar el uso de la técnica para la utilización durante lo procesado de los tubérculos, considerando cómo se presentan las patatas.

• galego

  O plan de traballo inclúe as seguintes actividades: - Seguimento fenolóxico e da sintomatoloxía da enfermidade causada por Alternaria durante o ciclo de cultivo da pataca. - Control aerobiolóxico da presenza de inóculo inicial de Alternaria na atmosfera do campo de cultivo. - Avaliación de diferentes modelos de predición de risco da alternariose e a súa posterior validación para as condicións climáticas da Limia. - Axuste dos modelos de predición para a Alternaria co obxectivo de minimizar o uso de produtos fitosanitarios e así traballar por unha agricultura máis sostible. - Aplicación de técnicas multivariantes para o tratamento dos datos meteorolóxicos, fenolóxicos e aerobiolóxicos. -Avaliación da calidade do tubérculo durante a súa almacenaxe e optimización dos métodos de conservación. O estudo realizarase na Limia, comarca pioneira en Galicia na comercialización e distribución da pataca. Ano 2018 O traballo iniciarase coa selección de parcelas para o seguimento en campo do patóxeno da pataca e das naves de almacenamento. Durante o primeiro ano realizarase: Rexistro das condicións meteorolóxicas do cultivo. Rexistro da progresión do ciclo fenolóxico das plantas de pataca. Estudo aerobiolóxico do ambiente do cultivo na parcela seleccionada. Seguimento dos tubérculos nas condicións de conservación no almacén. Informe de resultados. Tarefas formativas Formación en aspectos relacionados coa morfoloxía e fenoloxía das variedades. Formación de NIR. Ano 2019 Rexistro das condicións meteorolóxicas do cultivo. Rexistro da progresión do ciclo fenolóxico das plantas de pataca. Estudo aerobiolóxico do ambiente do cultivo na parcela seleccionada. Seguimento dos tubérculos nas condicións de conservación no almacén. Informatización dos datos obtidos no ciclo de cultivo anterior e o seu tratamento. Selección de modelos de prognóstico e testaxe. Informe de resultados. Tarefas formativas Curso de introdución á análise estatística multivariante. Curso de Sistemas de Información Xeográfica. Participación en actividades docentes formativas. Ano 2020 Levaranse a cabo as actividades do ano anterior durante o correspondente ciclo de cultivo. Ademais redactaranse documentos científicos a partir dos resultados obtidos. Tarefas formativas Formación en aspectos relacionados coa redacción de documentos científicos. Participación en actividades docentes formativas. Ano 2021 Continúase co seguemento e mostraxe en campo, seguindo o protocolo dos anos anteriores. Non se continuará co seguemento en almacéns. Ademais redactarase a memoria final de Tese Doutoral.

• English

  The work plan includes the following activities: - Phenological monitoring and symptomatology of early blight disease during the potato growing cycle. - Aerobiological control of the presence of initial Alternaria inoculum in the atmosphere of the culture field. - Evaluation of different risk prediction models of early blight and its subsequent validation for the climatic conditions of A Limia. - Adjustment of the prediction models for Alternaria with the objective of minimizing the use of phytosanitary products for a more sustainable agriculture. - Application of multivariate techniques for the treatment of meteorological, phenological and aerobiological data. -Evaluation of tuber quality during storage and optimization of conservation methods. The study will be conducted in A Limia, a pioneer region in Galicia in the marketing and distribution of potatoes. Year 2018 The work will begin with the selection of plots for field monitoring of the potato pathogen and storage sheds. The work plan includes: Registration of the weather conditions of the crop. Record of the progression of the phenological cycle of potato plants. Aerobiological study of the cultivation environment in the selected plot. Tracking of tubers under storage conditions in the warehouse. Formative tasks Training in aspects related to the morphology and phenology of the varieties. NIR training. Year 2019 Registration of the weather conditions of the crop. Record of the progression of the phenological cycle of potato plants. Aerobiological study of the cultivation environment in the selected plot. Tracking of tubers under storage conditions in the warehouse. Computerization of the data obtained in the previous crop cycle and its treatment. Selection of forecast and test models. Results report. Formative tasks Introductory course in multivariate statistical analysis. Course on Geographic Information Systems. Participation in educational teaching activities. Year 2020 The activities of the previous year will be carried out during the corresponding crop cycle. In addition, scientific documents of the results obtained will be written. Formative tasks Training in aspects related to the writing of scientific documents. Participation in educational teaching activities. Year 2021 Follow-up in the field, just like previous years. Store tracking will not continue. In addition, the final report of the Doctoral Thesis will be written.