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M. Ángeles Botella Marrero
EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ORIHUELA
UNIVERSIDAD MIGUEL HERNÁNDEZ
EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
1. Problemas de salinidad en la agricultura.1.1. Definición de salinidad.
1.2. Origen de las sales.1.3. Efecto de las sales sobre el suelo.1.4. Tolerancia de las plantas a la salinidad.1.5. Salinidad del agua de las estaciones de depuración de aguasresiduales de la Región de Murcia.
2. Efectos de la salinidad sobre las plantas.2.1. Efecto osmótico.
2.2. Toxicidad iónica.2.3. Desequilibrio nutricional.2.4. Efectos fisiológicos y bioquímicos.
3. Cultivo en condiciones salinas: optimización de la nutrición y delmanejo del agua.4. Perspectivas futuras.
EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
1. Problemas de salinidad en la agricultura.1.1. Definición de salinidad.
1.2. Origen de las sales.1.3. Efecto de las sales sobre el suelo.1.4. Tolerancia de las plantas a la salinidad.1.5. Salinidad del agua de las estaciones de depuración de aguasresiduales de la Región de Murcia.
2. Efectos de la salinidad sobre las plantas.2.1. Efecto osmótico.
2.2. Toxicidad iónica.2.3. Desequilibrio nutricional.2.4. Efectos fisiológicos y bioquímicos.
3. Cultivo en condiciones salinas: optimización de la nutrición y delmanejo del agua.4. Perspectivas futuras.
1. PROBLEMAS DE SALINIDAD EN LA AGRICULTURA
Los problemas de salinidad son comunes en las regiones áridas y semiáridas del mundo
A nivel mundial, una significante proporción de tierra cultivada está afectad a por salinidad. De 230 millones de Ha de zonas agrícolas bajo riego, 45 millones Ha están afectadas por salinidad (19,5 %) ( Athar and Ashraf, 2009).
Prob
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agr
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tura
Salinidad: no es unproblema nuevo
Mesopotamia y valle delTigris-Eufrates:
La salinización antropogénicadebida a inapropiado manejodel riego y de los drenajes diolugar a una pérdida de laproductividad de las tierras.
Se cree que esto originó ladestrucción de estassociedades agrarias, quefueron exitosas en sumomento (Gelburd, 1985).
Concentración total de sales solubles presentes en el agua o en el suelo
1.1. DEFINICIÓN DE SALINIDADPr
oble
mas
de
salin
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en
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gric
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ra
Conductividad eléctrica dS / m ó mmhos /cm1dS/m = 1000 µS/cm
1 dS / m = 1 mS / cm = 1000µS/cm = 10 mmol/l = 640 - 800 mg / l
Medida de la salinidad
Clasificación de las aguas (FAO 1992)Clasificación de las aguas (FAO 1992)
Clase de agua CE /dS/m) Concentración Tipos de agua
No salina <0.7 <500 bebida y riego
Ligeramente salina 0.7-2 500-1500 riego
Moderadamente salina 2-10 1500-7000 subterráneay drenaje
Altamente salina 10-25 7000-15000 segundo drenajesubterránea
Muy salina 25-45 500-1500 subterránea muysalina
Salmuera >45 >35000 agua del mar
Areas mediterráneas: 2-6 dS/m
mg/L
Prob
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Salinización natural : Disolución de rocas, minerales y suelos. Proceso natural y no podemos influir en él.
Salinización industrial: Vertidos de residuos industriales . Gran diversidad de sustancias químicas y alta toxicidad de algunos componentes.
1.2. ORIGEN DE LAS SALES: natural y antropogénicoPr
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gric
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Salinización agrícola:cantidad de fertilizantes aplicados, el uso de aguas subterráneas para riego, etc.
Salinización urbana:Residuos procedentes de núcleos urbanos. Atención especial a gérmenes patógenos.
Utilización de aguas depuradas (depuración urbana+ industrial).
En el suelo se van acumulando las sales del agua de riego ↑ salinización de los suelos.
1.3. EFECTO DE LAS SALES SOBRE EL SUELOPr
oble
mas
de
salin
idad
en
la a
gric
ultu
ra
Las sales afectan a propiedades físico-químicas delsuelo efecto sobre el rendimiento de los cultivos.
• Exceso de iones Na (sodicidad) con respecto alos iones Ca y Mg:
Rotura o dispersión de los agregados, con loque se bloquean los poros conductores.
Se reduce la permeabilidad del suelo, este secompacta, y la capacidad del suelo para que laplanta pueda absorber el agua quedaseveramente reducida.
Partículas del suelo
Agua
Poros (aire)
Diferencias genotípicas en la respuesta a la salinidad
0 -0.92 -1.84 MPa
0 200 400 mM NaCl
150
100
50
I
IIIII
IV
Arthrocnemum sp.Arthrocnemum sp.
Remolacha azucareraRemolacha azucareraCebadaCebada
JudíaJudíaGreenway and Munns, 1980
1.4. TOLERANCIA DE LAS PLANTAS A LA SALINIDAD
I. Halófitas
II. Tolerantes
III. Moderadamente
tolerantes
IV. Sensibles
Prob
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Criterio de tolerancia a la salinidad
1.4. TOLERANCIA DE LAS PLANTAS A LA SALINIDAD
Considerando la importancia de cultivos agronómicos como fuente de alimentos y su sensibilidad al exceso de sales,
Experimentos para determinar el comportamiento de diferentes especies frente a la salinidad.
Prob
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Rendimiento de las plantas cuando crecen en ambientes salinos comparado con el rendimiento cuando no hay salinidad
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Parámetros de tolerancia a la salinidad : relación de tolerancia relativa al aumento de salinidad en el medio
Salinidad (CEe)
Ren
dim
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o re
lativ
o
50% Rendimiento(C50)
Valor umbral
Prob
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Máxima salinidad del suelo que no reduce el rendimiento
Reducción del rendimiento por unidad de aumento en la CE por encima del valor umbral.
Rendimiento de las plantas cuando crecen en ambientes salinos comparado con el rendimiento cuando no hay salinidad
Clasificación de los cultivos (Maas and Hoffman)Valor umbral (dS/m)
pendiente (%dS/m)
Tolerancia de los cultivos a la salinidad
CE en la que empieza la pérdida de producción Valor umbral (dS/m)
Sensible < 1.3
Moderadamente sensible
1.3 - 3.0
Moderadamentetolerante
3.0 - 6.0
Tolerante 6.0 - 10
Inadecuado para la mayoría de los cultivos
> 10.0
Prob
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Rendimiento de las plantas cuando crecen en ambientes salinos comparado con el rendimiento cuando no hay salinidad
Agua con CE < 0.7: No afecta a la mayoría de los cultivos
Agua con CE > 3 Afecta a la mayoría de los cultivos
La sensibilidad a la salinidad de una especie puede ser diferente en distintas variedades de la misma.
La sensibilidad a la salinidad de una especie o variedad cambia durante eldesarrollo de la planta:
Prob
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• Arroz, tomate, trigo y cebada son más tolerantes durante lagerminación y normalmente aumentan su sensibilidad tras lagerminación.
• La remolacha azucarera es muy tolerante durante la mayor parte desu ciclo vital, pero es sensible durante la germinación.
• En arroz el desarrollo reproductivo se ve más afectado por lasalinidad que el vegetativo.
1.5. SALINIDAD DEL AGUA DE LAS ESTACIONES DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DE LA REGIÓN DE MURCIA
4.073.660
82.718.318
9.853.2017.702.929
0
10.000.000
20.000.000
30.000.000
40.000.000
50.000.000
60.000.000
70.000.000
80.000.000
90.000.000
Volumen
tratad
o (m
3/añ
o)
CE (µS/cm)
CE de aguas procedentes de depuración de aguas residuales
0‐1300
1300‐3000
3000‐6000
6000‐10000
‐1300 1300‐3000
3000‐6000
6000‐10000
TOTAL EDAR: 93
Agua con CE > 3 dS / m
Afecta a la mayoría de los cultivos
CE 2.017
CE 1.223
CE 4.375
CE 8.3613,9 %
79,3 %
9,4 %
7,4 %
Prob
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EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
1. Problemas de salinidad en la agricultura.1.1. Definición de salinidad.
1.2. Origen de las sales.1.3. Efecto de las sales sobre el suelo.1.4. Tolerancia de las plantas a la salinidad.1.5. Salinidad del agua de las estaciones de depuración de aguasresiduales de la Región de Murcia.
2. Efectos de la salinidad sobre las plantas.2.1. Efecto osmótico.
2.2. Toxicidad iónica.2.3. Desequilibrio nutricional.2.4. Efectos fisiológicos y bioquímicos.
3. Cultivo en condiciones salinas: optimización de la nutrición y delmanejo del agua.4. Perspectivas futuras.
Na+ Cl-
Cl-
Cl-
Na+Na+
EFECTO OSMÓTICO
EFECTOESPECÍFICO
Déficit hídrico
Expansión celularFijatión CO2
Síntesis de proteínas
Deficiencia nutricional
N, K, Ca, P.
Toxicidad iónica
Cl, Na, B.
2. EFECTOS DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTASEf
ecto
s de
la s
alin
idad
sob
re la
s pl
anta
s
El potencial hídrico del suelo es mayor que el de la raíz, por lo que le entra el agua.
El potencial hídrico del aire es mucho menor que el del suelo, por lo que el agua se está evaporando constantemente.
ψw = -100 MPa
ψw =-0.3 MPa 1. El agua
pasa del suelo a la raíz
2.El agua pasa por la planta
3. El agua pasa a la atmósfera
-0.6
El agua se mueve en el continuo suelo-planta-atmósfera a favor de potencial hídrico (Ψ)
Efec
tos
de la
sal
inid
ad s
obre
las
plan
tas
2.1. EFECTO OSMÓTICO (Déficit hídrico)
(modificado)
El potencial hídrico en un suelo salino disminuye
el agua queda más retenida en ese suelo y a
la planta le va a costar más absorberla.
ψw = -100 MPa
ψw =- 1 MPa 1. El agua
pasa del suelo a la raíz
2.El agua pasa por la planta
3. El agua pasa a la atmósfera
-0.6
Na+Cl-
Na+Na+
Na+Na+ Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
2.1. EFECTO OSMÓTICO (Déficit hídrico)Ef
ecto
s de
la s
alin
idad
sob
re la
s pl
anta
s
El agua se mueve en el continuo suelo-planta-atmósfera a favor de potencial hídrico (Ψ)
(modificado)
Solución Del suelo
Hoja
Aire
-1.0
0
-2.0
-3.0
-4.0
Solución del suelo
Aire
Hoja
ΨM
Pa
CONDICIONES SALINAS
Energía necesaria para la absorción del agua(no se utiliza para el crecimiento)
El agua se mueve en el continuo suelo-planta-atmósfera a favor de potencial hídrico (Ψ)
Raíz Menor Ψ
Raíz
Efec
tos
de la
sal
inid
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obre
las
plan
tas
2.2. EFECTO ESPECÍFICO TOXICIDAD IÓNICA
Na+
Na+Na+
Na+Na+Na+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl- N, P , K, CaEfec
tos
de la
sal
inid
ad s
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las
plan
tas
2.2. EFECTO ESPECÍFICO TOXICIDAD IÓNICA
Efec
tos
de la
sal
inid
ad s
obre
las
plan
tas
Clorosis y necrosis
ASIMILACIÓN DE NITRATO EN PLÁNTULAS DE TOMATE
Efectos específico y osmótico de la salinidad sobre la asimilación del nitrato
ClSulfatoPEG
2.2. EFECTO ESPECÍFICO TOXICIDAD IÓNICA
Efec
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las
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tas
Nitrato reductasa: Enzima clave para la reducción del NO3
- en la planta y por lo tanto influye en la asimilación del N y afecta a la tasa de crecimiento.
MPa
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
a
bab ab
TratamientoControl Cloruro Sulfato PEG
Potencial osmóticoexudado de hoja
La actividad Nitrato reductasa disminuyó con el cloruro
La principal causa no fue un efecto osmótico, sino un efecto específico del Cl-
Efec
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2.3. EFECTO ESPECÍFICODEFICIENCIA NUTRICIONAL
Na+
Na+Na+
Na+Na+Na+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl- N, P , K, CaEfec
tos
de la
sal
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plan
tas
Efec
tos
de la
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ad s
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las
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tas
El Na+ entra en la planta por las vías de entrada del K +
Na+
Na+
Na+K+
Si en el suelo hay ↑Na+ → ↓ absorción de K+
El Na+ no es esencial para la mayoría de las plantas
Esquema modificado de Alemán, 2011.
SALINIDAD Y NUTRICIÓN DE POTASIO EN PLANTAS DE MAÍZ
Requerimientos nutricionales de K+ bajo condicionessalinas K: 0.1 y 1 mM NaCl : control (1 mM), 100 mM
2.3. EFECTO ESPECÍFICODEFICIENCIA NUTRICIONAL
Efec
tos
de la
sal
inid
ad s
obre
las
plan
tas
Requerimientos nutricionales de K+ en condiciones salinas.
El efecto de la salinidad dependía de la concentración de K+ en el medio.
El efecto limitante del crecimiento deficiencia de K+ ( no toxicidad de
Na+).
Efecto del NaCl y la concentración de K+ en la velocidad de crecimiento relativo de la P. aérea.
0.1 1
mM K+
Efec
tos
de la
sal
inid
ad s
obre
las
plan
tas
2.4. EFECTOS FISIOLÓGICOS Y BIOQUÍMICOS
Fotosíntesis
RespiraciónSíntesis de proteínas
Fitohormonas y Reguladores del crecimiento
Na+Cl- K+
K+
Na+
Na+
Na+Na+
Na+
Na+
Cl-Cl-
Cl-
Efec
tos
de la
sal
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EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
1. Problemas de salinidad en la agricultura.1.1. Definición de salinidad.
1.2. Origen de las sales.1.3. Efecto de las sales sobre el suelo.1.4. Tolerancia de las plantas a la salinidad.1.5. Salinidad del agua de las estaciones de depuración de aguasresiduales de la Región de Murcia.
2. Efectos de la salinidad sobre las plantas.2.1. Efecto osmótico.
2.2. Toxicidad iónica.2.3. Desequilibrio nutricional.2.4. Efectos fisiológicos y bioquímicos.
3. Cultivo en condiciones salinas: optimización de la nutrición y delmanejo del agua.4. Perspectivas futuras.
20 mM NaCl40 mM NaCl
60 mM NaClControl
20406080100120140160
16DDT 36DDT 66DDT Control
Momento de aplicación de la salinidad(días después del trasplante)
PF (g
)
PESO FRESCO DE LOS TOMATES
Efecto de la salinidad aplicada en distintos momentos del desarrollosobre frutos de tomate (var. Daniela)
Salinidad: Peso fresco
Color rojo de los frutos Firmeza
Cult
ivo
con
agua
s sa
linas
: opt
imiz
ació
n3. CULTIVO CON AGUAS SALINAS: OPTIMIZACIÓN DEL
USO DEL AGUA Y DE LA NUTRICIÓN MINERAL
Rendimiento y calidad del fruto en plantas de melón cultivadas bajo condiciones salinas en relación a la nutrición
de calcio y fosfato.
El uso eficiente de aguas salinas para el riego requiere un cambio en las prácticas de fertilización para mejorar el desarrollo vegetal y la calidad de los
frutos y así poder obtener cosechas económicamente rentables.
Cult
ivo
con
agua
s sa
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: opt
imiz
ació
n
Melón Galia
Solución nutritiva: Hoagland
Ca: 2 y 8 mM
P: 0.2 y 1 mM
NaCl: 10 y 80 mM
Concentración de Pi (mM)
0.2 1 1 0.2
2 mM Ca8 mM Ca
En condiciones salinas el aumento en la
concentración de Ca2+
mejoró el rendimiento.
Salinidad:Afectó el P total de frutos
Ca 2 mM:Salinidad 57% rendimiento
Ca 8 mM:Salinidad 35 % rendimiento
Bajo condiciones no salinas, el alto nivel de Ca noaumentó el crecimiento ni la producción:
→Un nivel de Ca 2 mM es adecuado en condicionesno salinas
→Con salinidad, este nivel puede ser deficiente y senecesita aumentar el Ca para un desarrollo óptimo.
Cult
ivo
con
agua
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: opt
imiz
ació
nPeso total de frutos por planta
Fructosa (g L-1)
Concentration of Pi (mM)
10 mM NaCl 80 mM NaCl
0.2 1 0.2 1
2 mM Ca2+
8 mM Ca2+
05
10152025
05
10152025
05
10152025
Glucosa (g L-1)
Sacarosa (g L-1)
Calcio: Azúcares solubles
Salinidad: Azúcares solubles y SST Firmeza de la pulpa, acidez
En condiciones salinas una adecuada nutrición puede mejorar la calidad de los productos.
Cult
ivo
con
agua
s sa
linas
: opt
imiz
ació
n
La producción agrícola hoy en día debe ser encaminada a obtener productosde mayor calidad.
Calidad del fruto modificada por la salinidad y la nutrición mineral Sepueden producir melones con mayor calidad (mayor contenido en azúcares).
El efecto de la salinidad sobre los productos agrícolas necesita estudiarse encada especie vegetal.
Este tipo de estudios nos indica que aguas moderadamente salinas y unaapropiada nutrición mineral, bajo cierta circunstancias puede ser un factorpositivo en la producción agrícola.
Cult
ivo
con
agua
s sa
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: opt
imiz
ació
n
EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
1. Problemas de salinidad en la agricultura.1.1. Definición de salinidad.
1.2. Origen de las sales.1.3. Efecto de las sales sobre el suelo.1.4. Tolerancia de las plantas a la salinidad.1.5. Salinidad del agua de las estaciones de depuración de aguasresiduales de la Región de Murcia.
2. Efectos de la salinidad sobre las plantas.2.1. Efecto osmótico.
2.2. Toxicidad iónica.2.3. Desequilibrio nutricional.2.4. Efectos fisiológicos y bioquímicos.
3. Cultivo en condiciones salinas: optimización de la nutrición y delmanejo del agua.4. Perspectivas futuras.
4. PERSPECTIVAS FUTURAS: OPTIMIZACIÓN DEL CULTIVO CON AGUAS SALINAS Y OBTENCIÓN DE
PLANTAS MÁS TOLERANTES
La tolerancia a la salinidad de la mayoría de los cultivos es relativamente baja
La población mundial en continuo aumento
Estrategias encaminadas a mantener o aumentar la producción vegetal en suelos salinos.
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© 2014 American Society of Plant Biologists
Photo credit: USDA; JISL
Evitar sistemas de riego que permitan la pérdida de agua porevaporación
Riego por goteominimiza la pérdida de aguapor evaporación
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4.1. MANEJO ADECUADO DEL RIEGO: SISTEMAS DE RIEGO QUE MINIMICEN LAS PÉRDIDAS DE AGUA
CONTROL DE DRENAJES
International rice Research Institute
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4.2. SELECCIONAR VARIEDADES MÁS TOLERANTES
Arroz
Estudio de los mecanismosde tolerancia y de lacapacidad de absorción desales en halófitas (Tamarix, Salicornia, etc) quecrecen en zonas con granacumulación de sales
Entender lo que hacen las plantas tolerantes a la salinidad: halófitas
4.3. OBTENCIÓN DE PLANTAS MÁS TOLERANTES: ESTRATEGIAS GENÉTICAS PARA CONFERIR TOLERANCIA
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Evitar el exceso de sales (Regulando el contenido en sales de la planta)
1. Exclusión de sales.(Endodermis barrera osmótica).
Manglares Ludvigia uruguayensis
Ultrafiltración
2. Dilución de sales.
Arthrocnemum sp.
Suculencia salina.
Avicennia sp.
Precipitación de sales en la superficie de las
hojas.
Mecanismos de adaptación de las plantas a la salinidad
3. Eliminaciónde sales.
Pérdida de partes de la planta que
contienen sal.
Atriplex sopongiosa
Acumulación de sales en pelos vesiculares.
3. Eliminaciónde sales.
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Compartimentación celular:Acumulación de sales en lavacuola. Síntesis de solutoscompatibles en el citoplasma(carbohidratos solubles,prolina, betaína). Síntesis de proteínas deestrés.
Sales
H2OH2O
H2O
ss
Proteínas Osmolitos
Sales
ATPasa
(Acumulando sales en la vacuola)Tolerar la salinidad: Halofitas
Mecanismos de adaptación de las plantas a la salinidad
Pers
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Arroz tolerante a la salinidad
Tolera 100 mM NaCl
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4.3. OBTENCIÓN DE PLANTAS MÁS TOLERANTES: ESTRATEGIAS GENÉTICAS PARA CONFERIR TOLERANCIA
Ejemplos de algodón transgénico con mayor tolerancia a la salinidad
Pers
pect
ivas
fut
uras
La utilización de plantas halófitas como cultivos podría ser una formade usar suelos salinizados.
Además, a medida que la población humana aumenta y el agua dulcese convierte en un producto costoso, utilizar aguas salinas para lashalófitas podría permitir conservar el agua de mejor calidad para otroscultivos o usos.
Pers
pect
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fut
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4.4. ¿UTILIZACIÓN DE PLANTAS HALÓFITAS COMO CULTIVOS?
Algunas halófitas que crecen en desiertos, estuarios y costas son fuentes potenciales de
alimentos, combustible y forraje:Pe
rspe
ctiv
as f
utur
as
Grama saladaZoostera marina
Zoostera y atriplex podrían
usarse como forraje para el
ganado.
Las semillas de Zoosteramarina) y grama salada podrían molerse para hacer harina.
Las semillas de especies de Salicornia son una fuente potencial de aceite vegetal.
Los árboles halófitos, como el manglar, podrían cosecharse para obtener madera y
combustible.
Atriplex
De las palmas de coco (Cocos nucifera), que se encuentran en costas ocasionalmente
inundadas, se obtiene aceite, carbón a partir de la cáscara y además se usa
tradicionalmente para la elaboración de cestas y esteras, etc.
Pers
pect
ivas
fut
uras
Otras halófitas podrían ser fuentes de ceras, gomas y productos farmacéuticos
EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
1. Problemas de salinidad en la agricultura.1.1. Definición de salinidad.
1.2. Origen de las sales.1.3. Efecto de las sales sobre el suelo.1.4. Tolerancia de las plantas a la salinidad.1.5. Salinidad del agua de las estaciones de depuración de aguasresiduales de la Región de Murcia.
2. Efectos de la salinidad sobre las plantas.2.1. Efecto osmótico.
2.2. Toxicidad iónica.2.3. Desequilibrio nutricional.2.4. Efectos fisiológicos y bioquímicos.
3. Cultivo en condiciones salinas: optimización de la nutrición y delmanejo del agua.4. Perspectivas futuras.
M. Ángeles Botella Marrero
EFECTO DE LA SALINIDAD SOBRE LAS PLANTAS
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ORIHUELA
UNIVERSIDAD MIGUEL HERNÁNDEZ
REUTILIZACIÓN DE AGUAS DEPURADAS: UNA NECESIDAD Y UN RETO