FENOTIPADO DE TRIGO MULTIESCALA: DEL IDEOTIPO A LA ADAPTACIÓN REGIONAL (WheatPhenoScale)

TÍTULO
Fenotipado de trigo a diferentes escalas: del ideotipo a la adaptación regional. 

TITLE
Multiscale wheat phenotyping: from ideotype to regional adaptation. Grain quality. 
 

REFERENCIA: PID2019-106650RB-C22/AEI/10.13039/501100011033

FINANCIACIÓN
 Proyectos I+D+i 2019 - Modalidad "Retos Investigación". Agencia Estatal de Investigación. Ministerio de Ciencia e innovación.

PRESUPUESTO SUBPROYECTO ITACyL: 141.570 €

DURACIÓN
 01/06/2020 - 31/05/2023

OBJETIVOS
Los objetivos de este proyecto son:

1. Definición de ideotipos. El objetivo es profundizar nuestra comprensión de las características que pueden conferir ventajas agronómicas a futuros cultivares en términos de rendimiento y estabilidad en condiciones limitantes. Con ese fin, se entiende por rendimiento el resultado de diferentes componentes fisiológicos, a saber, la cantidad de recursos utilizados (por ejemplo, agua, luz, nutrientes) y la eficiencia con la que se utilizan estos recursos. 
2. Fenotipado: nuevos enfoques para la evaluación de campo específica. El objetivo es avanzar en el desarrollo de nuevos protocolos de fenotipado de alto rendimiento (HTP) para evaluar, en condiciones de campo, rasgos específicos de interés distintos del rendimiento en sí.
3. Poner en práctica el fenotipado. El objetivo es aplicar protocolos ya desarrollados para fenotipado de campo, desarrollados / probados por nuestro equipo durante proyectos anteriores. Se hace énfasis no solo en la naturaleza HTP de los protocolos, sino también en su versatilidad en términos del equipo requerido, como por ser livianos (portátiles), flexibles e incluso asequibles.
4. Abordar la adaptación regional. El rendimiento de la variedad se adapta con frecuencia a condiciones de cultivo específicas, en términos de clima y prácticas agronómicas. Para diseñar mejor las características que hacen que los cultivares sean más adecuados a una condición agroecológica específica, es necesario estudiar el desempeño a nivel regional de los cultivares más comunes y más nuevos. 

RESULTADOS OBTENIDOS

El trigo es por extensión uno de los principales cultivos en España. El proyecto 'WheatPhenoScale' aborda el incremento de la productividad, estabilidad y calidad de los trigos duros y harineros en las condiciones mediterráneas mediante la mejora genética y el manejo de cultivos; específicamente a través de optimizar el fenotipado / monitoreado de cultivos y de un conocimiento más profundo de las bases fisiológicas que determinan la adaptación del trigo al ambiente.

El proyecto ha abordado este reto desde una perspectiva multiescala y en buena medida holística, que incluye tanto órganos específicos, planta entera, parcela experimental, campo de cultivo, como la adaptación regional, junto con aproximaciones fisiológicas, metabólicas, de teledetección y genéticas. A remarcar que todos los estudios se han hecho sobre plantas crecidas en condiciones "reales" de campo. A nivel de órgano y planta entera el objetivo es definir "ideotipos", entendidos como el conjunto de características que contribuyen a que un cultivo sea más eficiente.

En este sentido se han estudiado los mecanismos fisiológicos asociados con la producción, incluyendo el metabolismo fotosintético, tanto de órganos laminares (lo que conocemos como hojas) como de órganos fotosintéticos no laminares, como es el caso de la espiga. También se ha investigado la arquitectura de la raíz y su papel captando recursos (agua y nutrientes).

Como resultados más destacables se evidencia el papel de la espiga como órgano fotosintético fundamental durante el llenado del grano, o la gran plasticidad de las raíces frente a las condiciones de cultivo como el régimen hídrico, abonado nitrogenado o la temperatura. También se han puesto a punto nuevos protocolos de fenotipado/monitoreado basados en diferentes aproximaciones de teledetección cercana que permiten una predicción temprana (es decir precosecha) tanto del rendimiento como de características de calidad de grano, o la nacencia del cultivo, mediante un conteo automático de las plántulas, o en fases avanzadas del cultivo el contaje de las espigas y su contribución relativa frente al resto del dosel del cultivo, mediante la combinación de diferentes técnicas de teledetección. También se han desarrollado protocolos que integran diferentes metodologías de fenotipado y su adaptación a distintas condiciones ambientales, junto con actualizaciones sobre la práctica del fenotipado, en formato tanto de artículo de revista como de capítulo de libro.

Por otra parte, el proyecto tiene una vertiente de transferencia del conocimiento y es por eso que se ha colaborado con diferentes empresas de semillas y del sector alimentario.

Finalmente destacar el componente ecosistémico de la investigación, empleando imágenes satelitales de acceso libre (Sentinel 2) junto evaluaciones a pie de campo y que ha comportado tanto la puesta a punto de algoritmos de predicción del rendimiento intraparcela como estudios regionales para la predicción temprana del rendimiento y calidad de grano, tomando las Comunidades de Navarra y Castilla y León, como áreas de estudio. 

DIFUSIÓN 
Publicaciones científico-técnicas 

•  T. Vatter, A. Gracia-Romero, S. Kefauver, MT., Nieto-Taladriz, N. Aparicio; Araus, JL. (2021). Preharvest phenotypic prediction of grain quality and yield of durum wheat using multispectral imaging. The Plant Journal. DOI: 10.1111/tpj.15648. Q1
• V. Jário de Lima, A. Gracia-Romero, F. Zahra Rezzouk, M. C. Diez-Fraile, I. Araus-Gonzalez, S. H. Kamphorst, A. Teixeira do Amaral, S.C. Kefauver, N. Aparicio and J. L. Araus (2021). Comparative Performance of High-Yielding European Wheat Cultivars Under Contrasting Mediterranean Conditions.  Frontiers in Plant Science 12. DOI: 10.3389/fpls.2021.687622
• Rezzouk, F.Z., Gracia-Romero, A., Kefauver, S.C., Nieto-Taladriz, M.T., Serret, M.D., Araus, J.L. 2022. Durum wheat ideotypes in Mediterranean environments differing in water and temperature conditions. Agricultural Water Management  259,, 107257
• Martínez-Peña, R., Schlereth, A., Höhne, M., Encke, B., Morcuende, R., Nieto-Taladriz, M.T., Araus, J.L., Aparicio, N., Vicente, R. 2022. Source-sink dynamics in field-grown durum wheat under contrasting nitrogen supplies: key role of non-foliar organs during grain filling. Frontiers in Plant Science 13, 869680. 
• Rezzouk F.Z., Gracia-Romero A., Kefauver S., Kefauver S., Nieto-Taladriz M.T., Serret M.D., Araus J.L., 2022. Dataset of above and below ground traits assessed in Durum wheat cultivars grown under Mediterranean environments differing in water and temperature conditions. Data Br. 40, 1-6.
• Segarra, J., Rezzouk, F.Z., Aparicio, N., González-Torralba, J., Aranjuelo, I., Gracia-Romero, A., Araus, J.L., Kefauver, S.C. 2022b. Multiscale monitoring of wheat grain nitrogen content. Information Processing in Agriculture (en prensa).
• Martínez-Peña, R., Vergara-Díaz, O., Schlereth, A. et al. N. Aparicio (2023) Analysis of durum wheat photosynthetic organs during grain filling reveals the ear as a water stress-tolerant organ and the peduncle as the largest pool of primary metabolites. March 2023. Planta 257(4):81. DOI: 10.1007/s00425-023-04115-1 
• Rezzouk FZ, Valter Jário del Lima, Diez-Fraile, MC, N. Aparicio, MD, Serret, JL Araus (2023) Assessing performance of European elite bread wheat cultivars under Mediterranean conditions: Breeding implications. Field Crops Research, Volume 302,2023,
• Gracia-Romero Adrian, Vatter Thomas, Kefauver Shawn C., Rezzouk Fatima Zahra, Segarra Joel, Nieto-Taladriz María Teresa, Aparicio Nieves, Araus José Luis. 2023. Defining durum wheat ideotypes adapted to Mediterranean environments through remote sensing traits. Frontiers in Plant Science .Vol 14 . DOI=10.3389/fpls.2023.1254301 
• Raquel Martínez-Peña, F Zahra Rezzouk, MC Díez-Fraile, MT Nieto-Taladriz, José Luis Araus, N. Aparicio, Rubén Vicente. 2023. Genotype-by-environment interaction for grain yield and quality traits in durum wheat: Identification of ideotypes adapted to the Spanish region of Castile and León. European Journal of Agronomy, Vol 151. DOI: 10.1016/j.eja.2023.126951    
• Jose Luis Araus, Fatima Zahra Rezzouk, Rut Sanchez-Bragado, Nieves Aparicio, Maria Dolores Serret. 2023. Phenotyping genotypic performance under multistress conditions: Mediterranean wheat as a case study. Field Crops Research, Volume 303 
• Fatima Zahra Rezzouk, Adrian Gracia-Romero, Joel Segarra, Shawn C. Kefauver, Nieves Aparicio, Maria Dolors Serret, José Luis Araus. 2023. Root traits and resource acquisition determining durum wheat performance under Mediterranean conditions: An integrative approach, Agricultural Water Management. Volume 288.
• Caldelas, C., Rezzouk, F.Z., Aparicio Gutiérrez, N., Diez-Fraile, M.C., Araus J.L. 2023. Interaction of genotype, water availability, and nitrogen fertilization on the mineral content of wheat grain. Food Chemistry, 404, 134565.
• Hamdane, Y., Segarra, J., Buchaillot, M.L., Rezzouk, F.Z., Gracia-Romero, A., Vatter, T., Benfredj, N., Hameed, R.A., Aparicio Gutiérrez, N., Torró Torró, I., Araus, J.L., Kefauver, S.C. 2023. Using ground and UAV vegetation indexes for the assessment of fungal resistant bread wheat varieties. Drones 7, 454.

Asistencia a congresos, conferencias o workshops relacionados con el subproyecto

• Raquel Martínez-Peña, Emilio Marcos-Barbero, Armin Schlereth, Berta Gil-Pérez, Ismael Araus-González, Melanie Höhne, Beatrice Encke, Fatima Zahra Rezzouk, María Teresa Nieto-Taladriz, Rosa Morcuende, José Luis Araus, Nieves Aparicio, Rubén Vicente. (2021). "Effects of nitrogen supply, genotypic variability and organ-specific metabolism on grain quality in field-grown durum wheat". Oral presentation. IV Symposium on Physiology and Breeding of Cereals. Pamplona. 16-17 diciembre 2021. 
• Raquel Martínez-Peña, Rosa Morcuende, Rubén Vicente, Nieves Aparicio. 2021. "Nutrients content under adverse growth conditions in durum wheat". XI Congreso Ibérico de Agroingeniería. 11-12 noviembre 2021.
• Raquel Martínez-Peña, Emilio Marcos-Barbero, Fatima Zahra Rezzouk, Berta Gil-Pérez, Rosa Morcuende, José Luis Araus, Nieves Aparicio, Rubén Vicente. 2021. "Effect of nitrogen supply and genotypic variability on mineral nutrient composition of photosynthetic organs and grains in field-grown durum wheat". XXIV Meeting of the Spanish Society of Plant Biology / XVII Spanish Portuguese Congress on Plant Biology (BP 2021). Vigo 7-9 julio 2021.
• Raquel Martínez-Peña, Yésica Pallavicini, Rosa Morcuende, María Teresa Nieto-Taladriz, Nieves Aparicio, Rubén Vicente. 2020. "Genetic variability for nutrient composition in durum wheat grains under different agronomic conditions". III Spanish Symposium on Cereal Physiology and Breeding. Pamplona. 17-18 noviembre 2020. 
• Raquel Martínez-Peña, Berta Gil-Pérez, Ismael Araus-González, Adrian Gracia-Romero, Shawn Carlisle Kefauver, Melanie Höhne, Beatriz Encke, Rosa Morcuende, José Luis Araus, Nieves Aparicio, Rubén Vicente. 2020. "Genotypic variability and ear metabolism in field-grown durum wheat: identification of new traits for grain yield improvement". III Spanish Symposium on Cereal Physiology and Breeding. Pamplona. 17-18 noviembre 2020.