Multi-approaches study for improving resource use efficiency in cereal under climate change

• Autores: Dorra Fakhet
• Directores de la Tesis: Iker Aranjuelo Michelena (dir. tes.), Fermín Morales Iribas (codir. tes.), Inmaculada Farran Blanch (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 210
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Luis Araus Ortega (presid.), Esther M. González García (secret.), Ana Carla Marques Pinheiro (voc.)
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  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen

  • Los cultivos de cereales, como el trigo y el tritordeo, son esenciales para la seguridad alimentaria global, pero su productividad y resiliencia son sensibles a los estresores climáticos. El CO₂ elevado afecta procesos clave como la fotosíntesis y el metabolismo de carbono y nitrógeno. Además, el estrés hídrico, el aumento de temperaturas y los cambios en la humedad relativa agravan estos desafíos, reduciendo la disponibilidad de agua, afectando la fotosíntesis y acelerando el desarrollo de las plantas. Estos factores pueden mejorar el crecimiento en algunas condiciones, pero a menudo reducen la calidad del grano, disminuyendo la concentración de proteínas y alterando los nutrientes. Abordar estos desafíos requiere no solo la diversificación de los cultivos de cereales, sino también la mejora de la resiliencia de los cultivos mediante estrategias específicas. El desarrollo de alternativas resilientes, como el tritordeum, ofrece una oportunidad para expandir la producción de cereales bajo condiciones ambientales adversas. Al mismo tiempo, los avances en técnicas de mejora de cultivos, incluida la sobreexpresión de rasgos clave involucrados en procesos fisiológicos críticos, tienen un potencial significativo. Mejorar rasgos que optimicen la eficiencia fotosintética, el uso de recursos y la tolerancia al estrés permite el desarrollo de cultivos capaces de mantener la productividad y la calidad en un clima cambiante. Al integrar estas innovaciones, los sistemas agrícolas pueden estar mejor equipados para satisfacer las crecientes demandas de seguridad alimentaria global. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es explorar las respuestas fisiológicas y metabólicas de los cereales, específicamente el trigo y el tritordeum, a los estresores abióticos inducidos por el cambio climático, incluidos el CO₂ elevado, altas temperaturas, el aumento del déficit de presión de vapor (DPV) y la sequía. Al centrarse en el balance de carbono y nitrógeno y en las dinámicas fuente-sumidero durante el llenado de granos, este trabajo busca desentrañar los mecanismos subyacentes a estas respuestas para mejorar la resiliencia de los cultivos ante escenarios climáticos futuros. En el Capítulo I, se analizaron las respuestas del metabolismo de carbono (C) y nitrógeno (N) en hojas de trigo duro (Triticum durum cv. Sula) bajo condiciones de aumento de DPV y déficit hídrico. Los resultados mostraron que ambos factores afectaron al estado hídrico, la conductancia estomática y la fotosíntesis. El estrés combinado impactó negativamente componentes fotosintéticos como la RuBisCO y el transporte de electrones. Un bajo DPV mejoró la asimilación de C y la absorción de N, pero no la remobilización de N. Estos hallazgos destacan mecanismos de adaptación en el trigo ante estrés combinado y ofrecen valiosos conocimientos para mejorar la resiliencia de los cultivos bajo condiciones climáticas cambiantes. Para investigar las diferencias entre el trigo panadero y el cereal emergente tritordeo, el Capítulo II de esta tesis doctoral presenta un análisis metabolómico comparativo bajo CO₂ elevado y temperatura elevada, actuando tanto individualmente como de forma combinada. El estudio se centró en los cambios metabólicos del C, N y metabolitos especializados (secundarios) durante el llenado de granos en las hojas bandera y las glumas. Los resultados revelaron que el trigo activó tanto el metabolismo de C como de N durante el llenado de granos, mientras que el tritordeo activó principalmente el metabolismo de N en la antesis, pasando a rutas protectoras en etapas posteriores. Estos hallazgos destacan estrategias metabólicas específicas de cada especie bajo estrés climático, sugiriendo la resiliencia potencial del tritordeum y su valor como alternativa sostenible de cereal. En el Capítulo III, se exploraron estrategias de mejora de cultivos mediante la sobreexpresión de la ferredoxina (Fd) cloroplástica en el trigo bajo condiciones de CO₂ elevado. Bajo CO₂ ambiente, la sobreexpresión de Fd mejoró la fotosíntesis aumentando las tasas de transporte de electrones y la eficiencia del fotosistema II (PSII). Bajo CO₂ elevado, aumentó aún más las tasas fotosintéticas y los flujos metabólicos, promoviendo el equilibrio redox y aumentando la asimilación de C, como se reflejó en los niveles elevados de NADPH, malato y oxaloacetato. Además, el metabolismo del N y la biosíntesis de aminoácidos permanecieron activados bajo CO₂ elevado. Estos resultados destacan el potencial de la sobreexpresión de Fd como una estrategia para mejorar la eficiencia fotosintética y la flexibilidad metabólica del trigo bajo CO₂ elevado, contribuyendo al objetivo más amplio de desarrollar cultivos resilientes capaces de mantener la productividad y la estabilidad metabólica en un clima cambiante. En el Capítulo IV, se evaluó el impacto de la concentración de CO2 en el balance fuentesumidero y la respuesta de tres cultivares de trigo panadero al CO₂ elevado. Los resultados mostraron que el CO₂ elevado mejoró el rendimiento al optimizar las dinámicas fuentesumidero, aumentando el número de granos, la actividad fotosintética y la remobilización de carbohidratos. Además, favoreció el almacenamiento de C en el tallo después de la antesis, mejorando el crecimiento y la biomasa. La absorción y transporte de N aumentaron, mientras que la absorción de macronutrientes disminuyó, con mayor acumulación de micronutrientes. Estos resultados destacan la importancia de las dinámicas de C y N en la respuesta del trigo al CO₂ elevado y contribuyen a la identificación de estrategias para mejorar la resiliencia de los cultivos.