Detección de verticilosis en olivar mediante teledetección hiperespectral y termica de alta resolución
- Autores: Rocío Calderón Madrid
- Directores de la Tesis: Juan A. Navas Cortés (dir. tes.), Pablo J. Zarco Tejada (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Elías Fereres Castiel (presid.), M. Pilar Martín Isabel (secret.), Emilio Montesinos Seguí (voc.)
- Programa de doctorado: Biociencias y Ciencias Agroalimentarias
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE D./Dª Rocío Calderón Madrid El resumen de la tesis para la base de datos Teseo debe ser una presentación de la tesis y tener la extensión suficiente para que quede explicado el argumento de la tesis doctoral. El formato debe facilitar la lectura y comprensión del texto a los usuarios que accedan a Teseo, debiendo diferenciarse las siguientes partes de la tesis:
1. Introducción o motivación de la tesis El olivo (Olea europaea L.) es el cultivo leñoso no tropical que ocupa mayor superficie en todo el mundo, con el 95% de la producción mundial localizada en la Cuenca Mediterránea. España es el país con mayor superficie de olivar del mundo con 2.5 MHa y aproximadamente el 39% de la producción mundial (IOC, 2013). Durante las últimas décadas, la Verticilosis, causada por el hongo de suelo Verticillium dahliae Kleb., ha ocasionado severas pérdidas de rendimiento en el olivar, convirtiéndose en la enfermedad más limitante causada por patógenos de suelo de este cultivo a nivel mundial (Jiménez-Díaz et al., 2012). Este patógeno coloniza el sistema vascular de la planta, bloqueando el flujo del agua y finalmente induciendo estrés hídrico (Van Alfen, 1989). El desarrollo de la Verticilosis en el olivo puede estar influenciado por factores bióticos y abióticos (Pegg and Brady, 2002), sin embargo, poco se sabe sobre la influencia del medio físico en él. Actualmente, ninguna medida de control aplicada individualmente es completamente efectiva para el tratamiento de la Verticilosis del olivo, no obstante, una estrategia de control integrado es la mejor forma de manejar la enfermedad, combinando el uso de medidas de control previas y posteriores a la plantación (Tjamos and Jiménez-Díaz, 1998). Las medidas de control posteriores a la plantación serían más efectivas si las zonas del terreno con árboles afectos por Verticilosis fueran identificadas en etapas tempranas del desarrollo de la enfermedad con el objetivo de disminuir la expansión del patógeno y sucesivas infecciones a árboles vecinos (Navas-Cortés et al., 2008). Sin embargo, la inspección visual en el campo de síntomas de la enfermedad en estadios tempranos de su desarrollo es costosa en tiempo y recursos (Steiner et al., 2008). Por lo tanto, la teledetección puede ser una herramienta muy útil para detectar el estrés hídrico inducido por la infección de V. dahliae en olivos en etapas tempranas del desarrollo de la enfermedad.
Los principales objetivos de la presente Tesis Doctoral fueron: (i) evaluar el efecto de la temperatura del suelo en el desarrollo de la Verticilosis teniendo en cuanta diferentes patotipos de V. dahliae y cultivares de olivo; (ii) valorar el uso de la teledetección térmica e hiperespectral de alta resolución como herramienta para detectar la infección y severidad por Verticilosis en parcelas de olivar y áreas de mayor extensión, evaluando la temperatura e índices fisiológicos desde escala foliar a escala de cubierta.
2. Contenido de la investigación En primer lugar, para evaluar el efecto de la temperatura del suelo en el desarrollo de la Verticilosis causada por los patotipos de V. dahliae Defoliante (D) y no defoliante (ND) en cultivares (cvs.) de olivo Arbequina y Picual, se llevaron a cabo dos experimentos iguales bajo condiciones controladas en cámaras de cultivo (Calderón et al., 2014). Plantas de olivo de 8 meses de edad se cultivaron en tanques de suelo a temperaturas constantes de 16, 20, 24, 28 y 32ºC. Parte del suelo se infestó con inóculos de V. dahliae D y ND y el resto no se infestó para servir como control. La incidencia y severidad de la enfermedad se evaluaron cada dos días mediante inspección visual de síntomas foliares. Además, para evaluar la relación entre severidad y parámetros relacionados con el estrés, se realizaron medidas periódicas a nivel foliar de temperatura, fluorescencia clorofílica, Índice de Reflectancia Fotoquímico (PRI), contenido de clorofila a partir de medidas de SPAD y producción de etileno (Calderón et al., 2014).
En segundo lugar, se estudió la detección temprana de la Verticilosis mediante el uso de imágenes térmicas e hiperespectrales de alta resolución en dos parcelas situadas en Castro del Río (Córdoba) y Utrera (Sevilla) (Calderón et al., 2013). Para ello, se realizaron vuelos durante tres años seguidos (2009, 2010, 2011), dos veces por año (primavera y verano), usando cámaras térmicas, multiespectrales e hiperespectrales. Los vuelos se llevaron a cabo con vehículos aéreos no tripulados (UAV) operados por el grupo Quantalab perteneciente al IAS-CSIC. La incidencia y severidad de la Verticilosis se evaluaron conjuntamente con las campañas de vuelo mediante observación de síntomas foliares en cada árbol. Además, se realizó una campaña de campo en la parcela de Castro del Río durante el verano de 2011 con el fin de apoyar los resultados obtenidos de las imágenes y corroborar que éstos se debían al estrés causado por la enfermedad y no sólo a los cambios estructurales causados por el estrés (Calderón et al., 2013). Las medidas a nivel de parcela consistieron en estimar i) la variación diurna de la temperatura de copa y conductancia estomática y ii) la variación a mediodía de la temperatura de copa, fluorescencia clorofílica foliar, PRI foliar y conductancia estomática foliar para los diferentes niveles de severidad.
Por último, en Junio de 2013 se realizó un vuelo de una región olivarera de 3000 hectáreas usando cámaras térmica e hiperespectral a bordo de una plataforma tripulada (Calderón et al., 2015). Durante el verano de 2013 se evaluaron la incidencia y severidad de la Verticilosis en diferentes parcelas de dicha región mediante inspección visual de síntomas foliares de cada árbol. El objetivo fue validar los resultados obtenidos en la detección de la Verticilosis a escala de parcela para vuelos en áreas de mayor extensión que constan de varias parcelas de olivar que difieren en características agronómicas. Para ello, se evaluaron diferentes metodologías para la clasificación automática de la infección y severidad por V. dahliae. Los métodos de clasificación, análisis discriminante lineal (LDA) y support vector machine (SVM), se aplicaron para discriminar entre niveles de severidad de la Verticilosis, explotando la información combinada de la temperatura de cubierta e índices fisiológicos calculados a partir de las imágenes (Calderón et al., 2015).
3. Conclusión La temperatura de suelo óptima para el desarrollo de la infección por el patotipo D fue de 16 a 24ºC para el cv. Picual y de 20 a 24ºC para Arbequina. Para el patotipo ND el rango de temperatura más favorable para la infección por V. dahliae fue de 16 a 20ºC. Temperaturas superiores a 28ºC redujeron drásticamente el desarrollo de síntomas causado por ambos patotipos de V. dahliae (Calderón et al., 2014). La relación entre los parámetros relacionados con el estrés medidos a nivel foliar y la severidad de la Verticilosis se determinó por regresión logística multinomial y árboles de clasificación. Estos modelos de clasificación detectaron los efectos de la infección por V. dahliae y la colonización del flujo del agua que finalmente causan estrés hídrico. El modelo de regresión logística múltiple clasificó correctamente el 73.40% de los casos y el árbol de clasificación el 76.60%. En ambos modelos SPAD fue el parámetro con mayor poder de clasificación seguido de la producción de etileno, temperatura y fluorescencia clorofílica. Las medidas de SPAD, fluorescencia clorofílica y temperatura se identificaron como los mejores indicadores para la detección de la Verticilosis en etapas tempranas del desarrollo de la enfermedad, mientras que la producción de etileno y PRI fueron indicadores para la detección de la enfermedad en estadios avanzados (Calderón et al., 2014). Estos resultados permiten un mejor conocimiento de la distribución diferencial de los patotipos de V. dahliae en el sur de España así como evaluar el efecto potencial del cambio climático en el desarrollo de la enfermedad.
Las medidas diurnas tomadas a nivel de parcela mostraron valores mayores en la temperatura de copa y menores en la conductancia estomática a medida que el nivel de severidad aumentó. La temperatura de copa y la conductancia estomática permitieron la diferenciación entre árboles sanos y árboles en etapas tempranas de la enfermedad (Calderón et al., 2013). De las medidas tomadas al mediodía se obtuvo que la temperatura de copa fue significativamente mayor (P<0.05) en los árboles afectados por Verticilosis que en los árboles asintomáticos. Por el contrario, la conductancia estomática mostró una tendencia negativa a medida que el nivel de severidad aumentaba, detectándose diferencias significativas (P<0.05) con respecto a los árboles asintomáticos en árboles moderada y severamente afectados por la Verticilosis. PRI fue significativamente menor (P<0.05) en árboles asintomáticos y la fluorescencia clorofílica presentó una tendencia descendente a medida que el nivel de severidad aumentaba (Calderón et al., 2013).
La temperatura de cubierta extraída de las imágenes térmicas aumentó a medida que la severidad de la Verticilosis se incrementaba, mostrando valores significativamente (P<0.05) superiores a los de los árboles asintomáticos en cualquier nivel de severidad en Castro del Río, o en niveles bajos y elevados en Utrera (Calderón et al., 2013). El índice de estrés hídrico de cubierta (CWSI) estimado a partir de la imagen térmica mostró valores significativamente (P<0.05) menores para los árboles asintomáticos. CWSI descendió linealmente y significativamente en función de la conductancia estomática (R2=0.83; P<0.001). Estos resultados indican que CWSI puede ser usado para detectar tasas de transpiración bajas inducidas por la infección de V. dahliae (Calderón et al., 2013). De todos los índices espectrales calculados de las imagen hiperespectral, los índices basados en el color azul B, BG1, BR1 y la fluorescencia clorofílica (FLD3) se identificaron como buenos indicadores para detectar la Verticilosis en etapas tempranas del desarrollo de la enfermedad, mientras que los índices estructurales como NDVI, PRI, índices basados en el color rojo y verde R/G e índices de estimación de clorofila y carotenos demostraron ser buenos indicadores para la detección de la presencia de daño moderado o severo causada por V. dahliae (Calderón et al., 2013).
A mayor escala, los índices espectrales identificados a escala de parcela como buenos indicadores de la Verticilosis en estados tempranos y tardíos del desarrollo de la enfermedad fueron seleccionados mediante el análisis discriminante Stepwise para formar parte del modelo de predicción de la severidad causada por la infección de V. dahliae (Calderón et al., 2015). El uso de los métodos de clasificación LDA y SVM permitió clasificar los olivos evaluados en campo dentro de un determinado nivel de severidad. LDA alcanzó una precisión en la clasificación global del 59.0% y un ¿ de 0.487, mientras que con SVM se obtuvo una mayor precisión en la clasificación, 79.2% con un ¿ similar 0.495. Sin embargo, LDA clasificó mejor árboles con niveles de severidad iniciales y bajos, alcanzando precisiones de 71.4 y 75.0%, respectivamente, en comparación con el 14.3 y 40.6% obtenido por SVM (Calderón et al., 2015). La temperatura de cubierta, FLD3, los índices estructurales, de xantofilas, clorofila, carotenos y de enfermedad fueron los mejores indicadores para detectar etapas tempranas y avanzadas de la infección por Verticilosis. Comparando con los resultados obtenidos a escala de parcela, la temperatura de cubierta y FLD3 permitieron identificar olivos en etapas tempranas del desarrollo de la enfermedad tanto a escala de parcela como a mayor escala, no estando influenciados por la variación en características agronómicas dentro del área de estudio. Los índices estructurales, de xantofilas, clorofila, carotenos y de enfermedad y los ratios azul/verde/rojo fueron buenos indicadores para detectar la presencia de daño de moderado a severo a ambas escalas (Calderón et al., 2015).
