Study of the wheat genotypic variability for the improvement of grain yield and quality and its dependence on leaf carbon-nitrogen metabolism under elevated CO2 and high temperature

Resumen

Durante los últimos dos siglos, las constantes emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero han conducido a un incremento sin precedentes de la concentración atmosférica de dióxido de carbono (CO2) que ha ido acompañado de un aumento de la temperatura de la superficie terrestre, y se prevé que continuarán aumentando en el futuro. Estos factores ambientales influyen conjuntamente en el crecimiento y desarrollo de los cultivos al modular los procesos fisiológicos y fenológicos de las plantas, con la consiguiente repercusión en el rendimiento y la calidad del grano. A su vez, la exploración de la variación natural en la respuesta de los cultivos a las condiciones climáticas futuras puede ser una herramienta de utilidad para la selección de variedades mejor adaptadas que puedan garantizar la seguridad alimentaria. La presente Tesis Doctoral aborda estos desafíos y utiliza el trigo por ser uno de los cultivos más importantes a nivel mundial. El objetivo general fue investigar los mecanismos de adaptación del crecimiento y la producción de trigo a la combinación de CO2 elevado y temperatura alta, estudiando la relación de la biomasa con los metabolitos y actividades enzimáticas del metabolismo primario del carbono y del nitrógeno, y el estatus antioxidante, así como su repercusión en la calidad nutricional del grano. En un primer experimento, se evaluó la variación natural existente en la biomasa y los componentes del rendimiento en una amplia población de genotipos en pruebas en ambientes cálidos (59 genotipos de la colección 8TH HTWSN del CIMMYT) junto con la variedad Gazul con alta adaptabilidad al clima mediterráneo de la región de Salamanca (España), en CO2 elevado y temperatura alta. El estudio mostró que los genotipos emplearon diversas estrategias para lograr el rendimiento final de grano. Así, un mayor rendimiento se asoció con un aumento en el número de granos y espigas por planta más que con el peso por grano. En un segundo experimento se investigó la variación en el rendimiento y la calidad nutricional del grano en 10 genotipos con diferente productividad seleccionados entre los 60 previamente evaluados en las mismas condiciones ambientales. El aumento de biomasa y del rendimiento se asoció con un descenso de proteínas y minerales en el grano, indicativo de una merma en la calidad nutricional. La mejora del estado nitrogenado de la hoja bandera y de la planta entera, junto con una mayor actividad a nivel foliar de las enzimas del metabolismo del carbono y nitrógeno en la fase de emergencia de la espiga, se tradujo en un aumento en la concentración de proteínas y nutrientes en el grano y, por ende, en una mejor calidad nutricional de los granos en madurez. Esta Tesis Doctoral proporciona: i) evidencias de que la exploración de la diversidad genética es una herramienta adecuada para la selección de genotipos con mejor capacidad de adaptación al calentamiento global y aquellos con una mejor calidad nutricional del grano; ii) nuevos conocimientos sobre la reprogramación diferencial del metabolismo primario del carbono y el nitrógeno entre genotipos de trigo de alto y bajo rendimiento en condiciones climáticas futuras. Estos hallazgos abren nuevas oportunidades para la selección de genotipos de trigo resilientes frente al calentamiento global.