In vitro organogenesis of zucchini squash cv. Caserta

A protocol for the in vitro culture of Cucurbita pepo cv. Caserta was studied, using a cotyledon segment with an attached hypocotyl fragment as an explant. First, to determine the optimal seedling age, explants were collected from 4 to 6-day-old in vitro germinated seedlings and cultured in MS basal medium supplemented with benzylaminopurine (BAP, 4.5 mu M), under a 16-h photoperiod at 27 degrees C. Based on the results obtained, the explants collected from the 4-day-old seedlings were then cultured in MS basal medium supplemented with different concentrations of BAP (0, 1.1, 2.2, 3.3, 4.5, or 5.5 mu M) and incubated under a 16-h photoperiod at 27 degrees C. In vitro organogenesis was most efficient with explants collected from 4-day-old seedlings cultured in medium supplemented with 4.5 mu M of BAP. After 4 weeks of incubation the development of adventitious buds at the cotyledon/hypocotyl junction could be observed. These buds were transferred to elongation and rooting medium and the developed plants were acclimatized to greenhouse conditions. The morphogenic process was characterized using light and scanning electron microscopy analyses to confirm the organogenesis. The results showed that this alternate explant is efficient for in vitro culture of zucchini squash cv. Caserta. The protocol will be further examined for future use in genetic transformation experiments in this species.

Validation and comparison of two soil-vegetation-atmosphere transfer models for tropical Africa

This study aims to compare and validate two soil-vegetation-atmosphere-transfer (SVAT) schemes: TERRA-ML and the Community Land Model (CLM). Both SVAT schemes are run in standalone mode (decoupled from an atmospheric model) and forced with meteorological in-situ measurements obtained at several tropical African sites. Model performance is quantified by comparing simulated sensible and latent heat fluxes with eddy-covariance measurements. Our analysis indicates that the Community Land Model corresponds more closely to the micrometeorological observations, reflecting the advantages of the higher model complexity and physical realism. Deficiencies in TERRA-ML are addressed and its performance is improved: (1) adjusting input data (root depth) to region-specific values (tropical evergreen forest) resolves dry-season underestimation of evapotranspiration; (2) adjusting the leaf area index and albedo (depending on hard-coded model constants) resolves overestimations of both latent and sensible heat fluxes; and (3) an unrealistic flux partitioning caused by overestimated superficial water contents is reduced by adjusting the hydraulic conductivity parameterization. CLM is by default more versatile in its global application on different vegetation types and climates. On the other hand, with its lower degree of complexity, TERRA-ML is much less computationally demanding, which leads to faster calculation times in a coupled climate simulation.

Pre-procambial cells are niches for pluripotent and totipotent stem-like cells for organogenesis and somatic embryogenesis in the peach palm: a histological study

The direct induction of adventitious buds and somatic embryos from explants is a morphogenetic process that is under the influence of exogenous plant growth regulators and its interactions with endogenous phytohormones. We performed an in vitro histological analysis in peach palm (Bactris gasipaes Kunth) shoot apexes and determined that the positioning of competent cells and their interaction with neighboring cells, under the influence of combinations of exogenously applied growth regulators (NAA/BAP and NAA/TDZ), allows the pre-procambial cells (PPCs) to act in different morphogenic pathways to establish niche competent cells. It is likely that there has been a habituation phenomenon during the regeneration and development of the microplants. This includes promoting the tillering of primary or secondary buds due to culturing in the absence of NAA/BAP or NAA/TDZ after a period in the presence of these growth regulators. Histological analyses determined that the adventitious roots were derived from the dedifferentiation of the parenchymal cells located in the basal region of the adventitious buds, with the establishment of rooting pole, due to an auxin gradient. Furthermore, histological and histochemical analyses allowed us to characterize how the PPCs provide niches for multipotent, pluripotent and totipotent stem-like cells for vascular differentiation, organogenesis and somatic embryogenesis in the peach palm. The histological and histochemical analyses also allowed us to detect the unicellular or multicellular origin of somatic embryogenesis. Therefore, our results indicate that the use of growth regulators in microplants can lead to habituation and to different morphogenic pathways leading to potential niche establishment, depending on the positioning of the competent cells and their interaction with neighboring cells. Key message Our results indicate that the use of growth regulators in microplants can lead to habituation and to different morphogenic pathways leading to potential niche establishment, depending on the positioning of the competent cells and their interaction with neighboring cells.

The Tomato (Solanum Lycopersicum cv. Micro-Tom) Natural Genetic Variation Rg1 and the DELLA Mutant Procera Control the Competence Necessary to Form Adventitious Roots and Shoots

Despite the wide use of plant regeneration for biotechnological purposes, the signals that allow cells to become competent to assume different fates remain largely unknown. Here, it is demonstrated that the Regeneration1 (Rg1) allele, a natural genetic variation from the tomato wild relative Solanum peruvianum, increases the capacity to form both roots and shoots in vitro; and that the gibberellin constitutive mutant procera (pro) presented the opposite phenotype, reducing organogenesis on either root-inducing medium (RIM) or shoot-inducing medium (SIM). Mutants showing alterations in the formation of specific organs in vitro were the auxin low-sensitivity diageotropica (dgt), the lateral suppresser (ls), and the KNOX-overexpressing Mouse ears (Me). dgt failed to form roots on RIM, Me increased shoot formation on SIM, and the high capacity for in vitro shoot formation of ls contrasted with its recalcitrance to form axillary meristems. Interestingly, Rg1 rescued the in vitro organ formation capacity in proRg1 and dgtRg1 double mutants and the ex vitro low lateral shoot formation in pro and ls. Such epistatic interactions were also confirmed in gene expression and histological analyses conducted in the single and double mutants. Although Me phenocopied the high shoot formation of Rg1 on SIM, it failed to increase rooting on RIM and to rescue the non-branching phenotype of ls. Taken together, these results suggest REGENERATION1 and the DELLA mutant PROCERA as controlling a common competence to assume distinct cell fates, rather than the specific induction of adventitious roots or shoots, which is controlled by DIAGEOTROPICA and MOUSE EARS, respectively.

Propagação vegetativa de progênies de meios-irmãos de angico-vermelho (Anadenanthera macrocarpa (Benth) Brenan) por miniestaquia

Objetivou-se com o presente estudo avaliar a eficiência da técnica de miniestaquia na propagação vegetativa de progênies de meios-irmãos de angico-vermelho (Anadenanthera macrocarpa (Benth) Brenan) quanto à produção de brotações e sobrevivência das minicepas, enraizamento das miniestacas apicais e intermediárias tratadas com diferentes doses do AIB (0; 2.000; 4.000 e 6.000 mg L-1), assim como determinar a velocidade de enraizamento em casa de vegetação. As minicepas foram obtidas a partir de mudas produzidas via sementes de seis progênies de meios-irmãos de angico-vermelho. Com base nos resultados obtidos, as minicepas apresentaram produtividade de 1,2 a 3,7 miniestacas/minicepa/coleta e sobrevivência de 84% a 98% ao longo das seis coletas realizadas. As miniestacas apicais foram superiores em relação às intermediárias, com maior predisposição ao enraizamento, no entanto o AIB não teve efeito significativo sobre o enraizamento das progênies estudadas. Quanto à velocidade de enraizamento, os resultados indicaram variação entre as progênies.

Characterization of igneous terranes by zircon dating: implications for the UHP relicts occurrences and suture identification in the Central Rhodope, Northern Greece

One of the key for the understanding of an orogenic belt is the characterization of the terranes involved and the identification of the suture(s) separating crustal blocks: these are essential information for large-scale paleo-reconstructions. In addition, the structural relationships between the terranes involved in the collisional processes and the eventual UHP relicts may provide first order inputs to exhumation models of subducted rocks. The structure of the Rhodope Massif (northern Greece and southern Bulgaria) results from the stacking of high-grade nappes during a continental collision, which age is comprised between Latest-Jurassic and Early-Cenozoic. UHP and HP relicts, associated with oceanic and ultramafic material, suggest the presence of a dismembered suture zone within the massif. The location of this suture remains unclear; furthermore, up to now, the UHP and eclogitic localities represent isolated spots and no synthesis on their structural position within the massif has been proposed. The first aim of this work is to define the relationships between HP-UHP relicts, crustal blocks, shear zones and amphibolitic material. To achieve this objective, we characterized the accreted blocks in terms of protoliths ages of the orthogneisses mainly along two cross sections on the Greek part of the belt. Geochemical affinities of meta-igneous rocks served as a complementary tool for terrane characterization and geodynamic interpretation. Single-zircon Pb-Pb evaporation and zircon U-Pb SHRIMP dating of orthogneiss protoliths define two groups of intrusion-ages: Permo-Carboniferous and Late Jurassic-Early Cretaceous. Structurally, these two groups correspond to distinct units: the Late Jurassic gneissic complex overthrusts the one bearing the Permo-Carboniferous orthogneisses. Mylonites, eclogites, amphibolites of oceanic affinities, and UHP micaschists, mark a “melange” zone, intensively sheared towards the SW, which separates the two units. Thus, we interpret them as two distinct terranes, the Rhodope and Thracia terranes, separated by the Nestos suture. The correlation of our findings in northern Greece to the Bulgarian part of the Massif suggests a northern rooting of the Nestos Suture. This configuration results of the closure of a marginal oceanic basin of the Tethys system by a north-directed subduction. This interpretation is supported by the geochemical affinities of the orthogneisses: the Late-Jurassic igneous rocks formed by subduction-related magmatism, pprobably the same north-directed subduction that gave rise to the UHP metamorphism of the metasediments of the “melange” zone. It is noteworthy that the UHP-HP relicts seem to be restricted to the contact between the two terranes suggesting that the UHP relicts are exhumed only within the suture zone. Furthermore, the singularity of the suture suggests that the Late-Jurassic subduction explains the occurrence of UHP and eclogite relicts in the Central Rhodope despite the large age range previously attributed the UHP and/or HP stage.

Timing of extreme drought modifies reproductive output in semi-natural grassland

Questions Do extreme dry spells in late summer or in spring affect abundance and species composition of the reproductive shoots and the seed rain in the next annual crop? Are drought effects on reproductive shoots related to the rooting depths of species? Location Species-rich semi-natural grassland at Negrentino, Switzerland. Methods In plots under automated rain-out shelters, rainwater was added to simulate normal conditions and compare them with two experimentally effected long dry spells, in late summer (2004) and in the following spring (2005). For 28 plots, numbers of reproductive shoots per species were counted in 1-m2 areas and seed rain was estimated using nine sticky traps of 102 cm2 after dry spells. Results The two extreme dry spells in late summer and spring were similar in length and their probability of recurrence. They independently reduced the subsequent reproductive output of the community, while their seasonal timing modified its species composition. Compared to drought in spring, drought in late summer reduced soil moisture more and reduced the number of reproductive shoots of more species. The negative effects of summer drought decreased with species’ rooting depth. The shallow-rooted graminoids showed a consistent susceptibility to summer drought, while legumes and other forbs showed more varied responses to both droughts. Spring drought strongly reduced density (–53%) and species richness (–43%) of the community seed rain, while summer drought had only a marginally significant impact on seed density of graminoids (–44%). Reductions in seed number per shoot vs reproductive shoot density distinguished the impacts of drought with respect to its seasonal timing. Conclusion The essentially negative impact of drought in different seasons on reproductive output suggests that more frequent dry spells could contribute to local plant diversity loss by aggravating seed deficiency in species-rich grassland.

Variación de la concentración de nitratos en un suelo franco limoso del Alto Valle de Río Negro.

La abundancia y bajo costo del recurso hídrico en el Alto Valle de Río Negro combinados con un manejo ineficiente del mismo, principalmente durante la primera parte de la primavera, época en la que los productores riegan con mayor frecuencia para luchar pasivamente contra las probables heladas tardías, permiten inferir que los nitratos presentes en el suelo, así como el aportado por los fertilizantes nitrogenados, están sujetos al lixiviado durante una gran parte del ciclo productivo. En la actualidad no existen estudios regionales que ilustren la variación estacional de la concentración de nitratos en la zona de exploración radical de frutales, por lo que se inició el presente trabajo con el propósito de: a) medir la concentración de los nitratos en el perfil del suelo cultivado con manzanos, desde el período de floración hasta el inicio de caída de hojas, con fertilización nitrogenada en dos dosis y sin fertilización a distintas profundidades de extracción; b) determinar la eficiencia del riego a manto de dicho monte. Se ensayaron dos concentraciones de nitrógeno, adicionado como nitrato de amonio en dos oportunidades: el 50% a la caída de los pétalos y el 50% restante cercano a la cosecha, correspondiendo a dosis de 100 kg ha-1 (N1), 200 kg ha-1 (N2) y un testigo sin agregado de N (N0), durante el período 2004-2005 y 2005-2006. Para determinar los niveles de N en el suelo, expresado como nitratos, se extrajeron muestras del mismo a tres profundidades 0-30; 30-60; 60-90 cm, al inicio de floración, antes del primer riego y después de cada riego. La lámina de agua empleada para el riego a manto osciló entre 1712 y 2400 mm, con un aprovechamiento a campo del 30%. La concentración de nitratos fue baja cuando no se fertilizó, manteniéndose alrededor de 22 mg kg-1 en superficie y reduciéndose a la mitad a la profundidad de 30-60 cm, durante el período de muestreo. En ambas dosis empleadas, el contenido de nitratos del suelo fue mayor llegando a 175 y 300 mg kg-1, respectivamente. Estos valores se igualan a los del testigo a los 30 días en el caso de N1 y a los 60 días para N2. Los resultados permiten inferir que la concentración de nitratos fue efímera en el perfil del suelo y mejoró la eficiencia de riego, principalmente durante la primavera con el fin de minimizar pérdidas de nitrógeno.

Micropropagación de Cissus tiliacea, planta del sur del estado de México

Se micropropagó Cissus tiliacea, recurso fitogenético con potencial agronómico y farmacológico, en los medios de cultivo Murashige-Skoog (MS) y Lloyd y McCown (WPM). En ambos medios se generaron resultados similares para número de brotes, nudos, hojas y raíces adventicias, sólo existió diferencia significativa (p ≤ 0,05) en la formación de callo. Para la multiplicación in vitro se utilizó WPM adicionado con 0; 0,5; 1,0; 1,5 ó 2,0 mg L-1 de benciladenina (BA) y se emplearon tres tipos de segmentos nodales (basal, medio y apical). Las concentraciones de 0 y 0,5 mg L-1 de BA resultaron en un mayor tamaño y desarrollo del explante, además permitieron la formación de 1,2 a 1,6 raíces por explante. Las concentraciones de 1,5 y 2,0 mg L-1 de BA indujeron la formación de callo. No existió diferencia significativa en las variables evaluadas por efecto del tipo de segmento nodal establecido in vitro. En el enraizamiento, en el medio MS, se evaluaron tres tipos de auxinas: ácido naftalen-1-acético (ANA), ácido indol-3-butírico (AIB) y ácido indol- 3-acético (AIA) a 0,5 mg L-1; el mayor número de raíces secundarias y diámetro de la raíz principal fue inducido por ANA, sin embargo AIB indujo una mayor elongación de la raíz principal. Los resultados del presente trabajo sugieren que el cultivo in vitro de C. tiliacea es una alternativa para su conservación y multiplicación.

Micropropagación de la enredadera nativa Mutisia subspinosa Cav.

La especie nativa Mutisia subspinosa es una enredadera perenne, resistente a heladas, con hermosas flores anaranjadas que presenta gran interés como ornamental. En trabajos previos de propagación a través de semillas o estacas se obtuvieron escasos resultados, lo que justificó el uso de la micropropagación. Para el establecimiento in vitro se utilizó el medio de Murashige Skoog (MS) diluido a la mitad. Se evaluó la adición de 6-bencilaminopurina (BAP) sola o en combinación con thidiazurón (TDZ) y un testigo sin hormonas. En la etapa de multiplicación se utilizó el mismo medio basal y se probaron dos auxinas: los ácidos indol butírico (AIB) y naftalén acético (ANA), además del uso de carbón activado. La composición del medio de cultivo más adecuada para el establecimiento fue la del testigo, mientras que para la multiplicación los mejores resultados se obtuvieron con la adición de 4 μmoles.L-1 de ANA. El agregado de 1 g.L-1 de carbón activado al medio de cultivo con 2,7 μmoles.L-1 mejoró la tasa de multiplicación y el enraizamiento.

Regeneración de plantas de té (Camellia sinensis) por cultivo in vitro de meristemas, yemas axilares y segmentos uninodales

Tres tipos de explantes de dos clones ( C H 1 4 I N TA y C H 3 1 8 I N TA ) d e t é (Camellia sinensis (L.) O. Kuntze) fueron evaluados para su regeneración in vitro, bajo la influencia de dos citocininas (BAP y CIN) y una giberelina (AG3). Previa desinfección, con etanol 70% (1 minuto) e hipoclorito de sodio 1,5% (20 minutos) y tres enjuagues con agua destilada estéril, los explantes fueron aislados y cultivados en los distintos medios de cultivo. Las mejores respuestas en formación de vástagos se registraron con los segmentos uninodales de ambos clones cultivados en el medio ½ MS + 1 mg/L de BAP o con el cultivo de yemas axilares del clon CH 14 INTA en el medio ½ MS + 1 mg/L de BAP o del clon CH 318 INTA en el medio ½ MS + 1 mg/L BAP + 1 mg/L AG3. Los mejores resultados con el empleo de meristemas caulinares se obtuvieron en el medio ½ MS + 1 mg/L de CIN y 1 mg/L de AG3. Los vástagos obtenidos fueron enraizados mediante su cultivo en ¼ MS + 6 mg/L de IBA.

Impact studies from different factors on root development from Stevia rebaudiana bertoni

The demand for an alternative and a high potency sweetener to substitute sugar increases year in year out, more so as a high percentage of the world population becomes increasingly diabetic. The alternative natural sweetener at hand has been Stevia rebaudiana Bertoni, a plant species, native to Paraguay and a member of the family compositae. Stevia is usually propagated by stem cuttings due to low percentage (10 %) seed germination, thus limiting large scales cultivation. To cultivate this crop en mass therefore, there is need to evolve efficient rooting techniques. Influences of irradiation from light, and hormones on rooting have been reported. The rooting efficacy in stem cuttings of this crop under varying light wavelengths, dark and hormone factors was investigated. Evaluated parameters include- (i) day of root emergent, (ii) percentage of rooted cuttings, (iii) average number, (iv) length and (v) width, of roots. Analysis of variance at p<.05 revealed that the number, length and width, of roots differed significantly in each case at p<0.000. Light irradiation was highly effective and a necessary factor for rooting in stems cuttings of this crop. The red light-IBA combined factors served best in stem micro-cutting practice and facilitation of effective mass cultivation in stevia crop.

Distribution of indole-3-acetic acid in Petunia hybrida shoot tip cuttings and relationship between auxin transport, carbohydrate metabolism and adventitious root formation.

To determine the contribution of polar auxin transport (PAT) to auxin accumulation and to adventitious root (AR) formation in the stem base of Petunia hybrida shoot tip cuttings, the level of indole-3-acetic acid (IAA) was monitored in non-treated cuttings and cuttings treated with the auxin transport blocker naphthylphthalamic acid (NPA) and was complemented with precise anatomical studies. The temporal course of carbohydrates, amino acids and activities of controlling enzymes was also investigated. Analysis of initial spatial IAA distribution in the cuttings revealed that approximately 40 and 10% of the total IAA pool was present in the leaves and the stem base as rooting zone, respectively. A negative correlation existed between leaf size and IAA concentration. After excision of cuttings, IAA showed an early increase in the stem base with two peaks at 2 and 24h post excision and, thereafter, a decline to low levels. This was mirrored by the expression pattern of the auxin-responsive GH3 gene. NPA treatment completely suppressed the 24-h peak of IAA and severely inhibited root formation. It also reduced activities of cell wall and vacuolar invertases in the early phase of AR formation and inhibited the rise of activities of glucose-6-phosphate dehydrogenase and phosphofructokinase during later stages. We propose a model in which spontaneous AR formation in Petunia cuttings is dependent on PAT and on the resulting 24-h peak of IAA in the rooting zone, where it induces early cellular events and also stimulates sink establishment. Subsequent root development stimulates glycolysis and the pentosephosphate pathway

Effect of conservation tillage on soil physical properties, in-situ rainwater harvesting, and erosion control in arid and semi-arid regions

La escasez del agua en las regiones áridas y semiáridas se debe a la escasez de precipitaciones y la distribución desigual en toda la temporada, lo que hace de la agricultura de secano una empresa precaria. Un enfoque para mejorar y estabilizar el agua disponible para la producción de cultivos en estas regiones es el uso de tecnologías de captación de agua de lluvia in situ y su conservación. La adopción de los sistemas de conservación de la humedad del suelo in situ, tales como la labranza de conservación, es una de las estrategias para mejorar la gestión de la agricultura en zonas áridas y semiáridas. El objetivo general de esta tesis ha sido desarrollar una metodología de aplicación de labranza de depósito e investigar los efectos a corto plazo sobre las propiedades físicas del suelo de las diferentes prácticas de cultivo que incluyen labranza de depósito: (reservoir tillage, RT), la laboreo mínimo: (minimum tillage, MT), la no laboreo: (zero tillage, ZT) y laboreo convencional: (conventional tillage, CT) Así como, la retención de agua del suelo y el control de la erosión del suelo en las zonas áridas y semiáridas. Como una primera aproximación, se ha realizado una revisión profunda del estado de la técnica, después de la cual, se encontró que la labranza de depósito es un sistema eficaz de cosecha del agua de lluvia y conservación del suelo, pero que no ha sido evaluada científicamente tanto como otros sistemas de labranza. Los trabajos experimentales cubrieron tres condiciones diferentes: experimentos en laboratorio, experimentos de campo en una región árida, y experimentos de campo en una región semiárida. Para investigar y cuantificar el almacenamiento de agua a temperatura ambiente y la forma en que podría adaptarse para mejorar la infiltración del agua de lluvia recolectada y reducir la erosión del suelo, se ha desarrollado un simulador de lluvia a escala de laboratorio. Las características de las lluvias, entre ellas la intensidad de las precipitaciones, la uniformidad espacial y tamaño de la gota de lluvia, confirmaron que las condiciones naturales de precipitación son simuladas con suficiente precisión. El simulador fue controlado automáticamente mediante una válvula de solenoide y tres boquillas de presión que se usaron para rociar agua correspondiente a diferentes intensidades de lluvia. Con el fin de evaluar el método de RT bajo diferentes pendientes de superficie, se utilizaron diferentes dispositivos de pala de suelo para sacar un volumen idéntico para hacer depresiones. Estas depresiones se compararon con una superficie de suelo control sin depresión, y los resultados mostraron que la RT fue capaz de reducir la erosión del suelo y la escorrentía superficial y aumentar significativamente la infiltración. Luego, basándonos en estos resultados, y después de identificar la forma adecuada de las depresiones, se ha diseñado una herramienta combinada (sistema integrado de labranza de depósito (RT)) compuesto por un arado de una sola línea de chisel, una sola línea de grada en diente de pico, sembradora modificada, y rodillo de púas. El equipo fue construido y se utiliza para comparación con MT y CT en un ambiente árido en Egipto. El estudio se realizó para evaluar el impacto de diferentes prácticas de labranza y sus parámetros de funcionamiento a diferentes profundidades de labranza y con distintas velocidades de avance sobre las propiedades físicas del suelo, así como, la pérdida de suelo, régimen de humedad, la eficiencia de recolección de agua, y la productividad de trigo de invierno. Los resultados indicaron que la RT aumentó drásticamente la infiltración, produciendo una tasa que era 47.51% más alta que MT y 64.56% mayor que la CT. Además, los resultados mostraron que los valores más bajos de la escorrentía y pérdidas de suelos 4.91 mm y 0.65 t ha-1, respectivamente, se registraron en la RT, mientras que los valores más altos, 11.36 mm y 1.66 t ha-1, respectivamente, se produjeron en el marco del CT. Además, otros dos experimentos de campo se llevaron a cabo en ambiente semiárido en Madrid con la cebada y el maíz como los principales cultivos. También ha sido estudiado el potencial de la tecnología inalámbrica de sensores para monitorizar el potencial de agua del suelo. Para el experimento en el que se cultivaba la cebada en secano, se realizaron dos prácticas de labranza (RT y MT). Los resultados mostraron que el potencial del agua del suelo aumentó de forma constante y fue consistentemente mayor en MT. Además, con independencia de todo el período de observación, RT redujo el potencial hídrico del suelo en un 43.6, 5.7 y 82.3% respectivamente en comparación con el MT a profundidades de suelo (10, 20 y 30 cm, respectivamente). También se observaron diferencias claras en los componentes del rendimiento de los cultivos y de rendimiento entre los dos sistemas de labranza, el rendimiento de grano (hasta 14%) y la producción de biomasa (hasta 8.8%) se incrementaron en RT. En el experimento donde se cultivó el maíz en regadío, se realizaron cuatro prácticas de labranza (RT, MT, ZT y CT). Los resultados revelaron que ZT y RT tenían el potencial de agua y temperatura del suelo más bajas. En comparación con el tratamiento con CT, ZT y RT disminuyó el potencial hídrico del suelo en un 72 y 23%, respectivamente, a la profundidad del suelo de 40 cm, y provocó la disminución de la temperatura del suelo en 1.1 y un 0.8 0C respectivamente, en la profundidad del suelo de 5 cm y, por otro lado, el ZT tenía la densidad aparente del suelo y resistencia a la penetración más altas, la cual retrasó el crecimiento del maíz y disminuyó el rendimiento de grano que fue del 15.4% menor que el tratamiento con CT. RT aumenta el rendimiento de grano de maíz cerca de 12.8% en comparación con la ZT. Por otra parte, no hubo diferencias significativas entre (RT, MT y CT) sobre el rendimiento del maíz. En resumen, según los resultados de estos experimentos, se puede decir que mediante el uso de la labranza de depósito, consistente en realizar depresiones después de la siembra, las superficies internas de estas depresiones se consolidan de tal manera que el agua se mantiene para filtrarse en el suelo y por lo tanto dan tiempo para aportar humedad a la zona de enraizamiento de las plantas durante un período prolongado de tiempo. La labranza del depósito podría ser utilizada como un método alternativo en regiones áridas y semiáridas dado que retiene la humedad in situ, a través de estructuras que reducen la escorrentía y por lo tanto puede resultar en la mejora de rendimiento de los cultivos. ABSTRACT Water shortage in arid and semi-arid regions stems from low rainfall and uneven distribution throughout the season, which makes rainfed agriculture a precarious enterprise. One approach to enhance and stabilize the water available for crop production in these regions is to use in-situ rainwater harvesting and conservation technologies. Adoption of in-situ soil moisture conservation systems, such as conservation tillage, is one of the strategies for upgrading agriculture management in arid and semi-arid environments. The general aim of this thesis is to develop a methodology to apply reservoir tillage to investigate the short-term effects of different tillage practices including reservoir tillage (RT), minimum tillage (MT), zero tillage (ZT), and conventional tillage (CT) on soil physical properties, as well as, soil water retention, and soil erosion control in arid and semi-arid areas. As a first approach, a review of the state of the art has been done. We found that reservoir tillage is an effective system of harvesting rainwater and conserving soil, but it has not been scientifically evaluated like other tillage systems. Experimental works covered three different conditions: laboratory experiments, field experiments in an arid region, and field experiments in a semi-arid region. To investigate and quantify water storage from RT and how it could be adapted to improve infiltration of harvested rainwater and reduce soil erosion, a laboratory-scale rainfall simulator was developed. Rainfall characteristics, including rainfall intensity, spatial uniformity and raindrop size, confirm that natural rainfall conditions are simulated with sufficient accuracy. The simulator was auto-controlled by a solenoid valve and three pressure nozzles were used to spray water corresponding to different rainfall intensities. In order to assess the RT method under different surface slopes, different soil scooping devices with identical volume were used to create depressions. The performance of the soil with these depressions was compared to a control soil surface (with no depression). Results show that RT was able to reduce soil erosion and surface runoff and significantly increase infiltration. Then, based on these results and after selecting the proper shape of depressions, a combination implement integrated reservoir tillage system (integrated RT) comprised of a single-row chisel plow, single-row spike tooth harrow, modified seeder, and spiked roller was developed and used to compared to MT and CT in an arid environment in Egypt. The field experiments were conducted to evaluate the impact of different tillage practices and their operating parameters at different tillage depths and different forward speeds on the soil physical properties, as well as on runoff, soil losses, moisture regime, water harvesting efficiency, and winter wheat productivity. Results indicated that the integrated RT drastically increased infiltration, producing a rate that was 47.51% higher than MT and 64.56% higher than CT. In addition, results showed that the lowest values of runoff and soil losses, 4.91 mm and 0.65 t ha-1 respectively, were recorded under the integrated RT, while the highest values, 11.36 mm and 1.66 t ha -1 respectively, occurred under the CT. In addition, two field experiments were carried out in semi-arid environment in Madrid with barley and maize as the main crops. For the rainfed barley experiment, two tillage practices (RT, and MT) were performed. Results showed that soil water potential increased quite steadily and were consistently greater in MT and, irrespective of the entire observation period, RT decreased soil water potential by 43.6, 5.7, and 82.3% compared to MT at soil depths (10, 20, and 30 cm, respectively). In addition, clear differences in crop yield and yield components were observed between the two tillage systems, grain yield (up to 14%) and biomass yield (up to 8.8%) were increased by RT. For the irrigated maize experiment, four tillage practices (RT, MT, ZT, and CT) were performed. Results showed that ZT and RT had the lowest soil water potential and soil temperature. Compared to CT treatment, ZT and RT decreased soil water potential by 72 and 23% respectively, at soil depth of 40 cm, and decreased soil temperature by 1.1 and 0.8 0C respectively, at soil depth of 5 cm. Also, ZT had the highest soil bulk density and penetration resistance, which delayed the maize growth and decreased the grain yield that was 15.4% lower than CT treatment. RT increased maize grain yield about 12.8% compared to ZT. On the other hand, no significant differences among (RT, MT, and CT) on maize yield were found. In summary, according to the results from these experiments using reservoir tillage to make depressions after seeding, these depression’s internal surfaces are consolidated in such a way that the water is held to percolate into the soil and thus allowing time to offer moisture to the plant rooting zone over an extended period of time. Reservoir tillage could be used as an alternative method in arid and semi-arid regions and it retains moisture in-situ, through structures that reduce runoff and thus can result in improved crop yields.

Evaluación del uso y de productividad del agua de la Comunidad de Regantes “Río Adaja”

El agua de riego en España se ha reducido del 80 % al 70% tras la rehabilitación de los sistemas tradicionales de riego y el incremento de riegos a presión. La política española ha favorecido la creación de nuevos regadíos con fines sociales, para asentar a la población rural en zonas con disponibilidad de recursos hídricos. Este contexto es aplicable a la Comunidad de Regantes “Rio Adaja” (CCRR), que comenzó a funcionar en 2010 por lo que se la ha elegido para evaluar el uso y productividad del agua y manejo del riego en CCRR modernizadas de la cuenca del Duero. El estudio del manejo del riego se realizó con evaluaciones de campo, el primer año de funcionamiento, en una muestra de sistemas de riego (pivotes centrales, ramales de avance frontal, cobertura total) representativa de los sistemas predominantes en la CCRR. Además, se analizó la carta de riego propuesta por el fabricante de los pivotes centrales, considerando una distribución de caudal continua a lo largo del ramal, y se propuso una nueva carta con emisores de riego que mejoraban la uniformidad de aplicación del agua. El uso del agua en la CCRR se evaluó considerando tanto los indicadores de eficiencia del riego: suministro relativo de riego (anual relative irrigation supply, ARIS), suministro relativo del agua (anual relativewater supply, ARWS), suministro relativo de precipitación (rainfall relative supply, RRS) como los de productividad: productividad del agua (water productivity, WP) productividad del agua de riego (irrigation water productivity, IWP) y productividad de la evapotranspiración (evapotranspiration water productivity, ETWP). Primero, se determinaron: las necesidades hídricas de los cultivos para mantener un contenido de humedad óptimo en su zona radical, el coeficiente dual del cultivo, el agua disponible total (ADP) y agua fácilmente aprovechable (AFA). Después, se estimaron las necesidades hídricas de los cultivos considerando tres años tipo: húmedo, normal y seco correspondientes a la probabilidad de disponibilidad de la precipitación del 20, 50 y 80%, respectivamente. Así mismo, se realizó una encuesta a los regantes de la CCRR para conocer la dosis de riego y rendimiento anual de los cultivos principales durante sus tres años de funcionamiento: 2010-2011, 2011-2012 y 2012-2013.Finalmente, se simuló el efecto del riego y su manejo en la producción de los cultivos y en la productividad del agua. Además, el modelo de simulación AQUACROP (Geerts et al., 2010) se ha utilizado para estudiar la mejora del uso del agua de los cultivos de la CCRR. Dado que este modelo requiere de calibración específica para cada cultivo y cada zona y dado que, de todos los cultivos de la CCRR, sólo el girasol cumplía el requisito, este cultivo fue elegido para estudiar si la estrategia de riego deficitario mejoraría el uso del agua. Los resultados obtenidos indican que el 90% de los sistemas de riego evaluados distribuye el agua con una uniformidad adecuada (CUC≥75%). La simulación de la distribución del agua con las cartas de riego propuestas por el fabricante en pivotes centrales resultó en coeficientes CUC< 75% y sus valores mejoraban al eliminar el aspersor distal. La uniformidad del riego mejoraría si se trabajase con la carta de riego propuesta y que se compone por emisores de riego seleccionados en este estudio. En la mayoría de los cultivos, se aplicó riegos deficitarios (ARIS < 1 en los dos primeros años de funcionamiento de la CCRR y riegos excedentarios (ARIS > 1) el tercer año siendo significativas las diferencias observadas. El manejo del riego fue bueno (0,9 ≤ ARWS ≤1,2) en la mayoría de los cultivos. Así mismo, los indicadores de productividad del agua (WP e IWP (€.m-3)) varió entre cultivos y años estudiados y, destacan los valores observados en: cebolla, patata, zanahoria y cebada. En general, la productividad del agua en los riegos deficitarios fue mayor observándose además, que los índices de productividad mayores correspondieron al año con precipitación mayor aunque, las diferencias entre sus valores medios no fueron significativas en las tres campañas de riego estudiadas. Los resultados apuntan a que la metodología del balance hídrico y las herramientas presentadas en este trabajo (uniformidad de distribución de agua, indicadores de eficiencia del uso de agua y de su productividad) son adecuadas para estudiar el manejo del agua en CCRR. En concreto, la uniformidad en la aplicación del agua de la CCRR mejoraría seleccionando emisores de riego que proporcionen una mayor uniformidad de distribución del agua, lo que conllevaría a cambiar el diámetro de la boquilla de los emisores y/o eliminar el aspersor distal. Así mismo, puede ser de interés adoptar estrategias de riego deficitario para incrementar la productividad en el uso del agua, y las rentas de los regantes, para lo cual se propone utilizar un patrón de cultivos de referencia. Finalmente, el riego deficitario puede ser una estrategia para mejorar la eficiencia y productividad en el uso del agua de la CCRR siempre que lleve asociado un manejo del riego adecuado que resulta, relativamente, más fácil cuando se dispone de sistemas de riego con una uniformidad de aplicación alta. Sin embargo su aplicación no sería aconsejable en los cultivos de remolacha azucarera, regado con sistemas de riego con un coeficiente de uniformidad de Christiansen CUC < 75%, y maíz, regado con sistemas de riego con un coeficiente de uniformidad de Christiansen CUC < 65%. ABSTRACT The irrigation scheme modernization and the increase of sprinkler irrigation area have reduced the irrigation water use from 80 to 70%. The national irrigation policy favored the creation of new irrigation schemes with the purpose to settle the rural population in areas with availability in water resources. Within this context, the irrigation district “Río Adaja” (CCRR) started in 2010 so, it has been chosen as a case study to evaluate the water use and the irrigation management in a modernized CCRR. Several field evaluations were carried out during the first operation year, in a sample of irrigation systems (center pivot, moving lateral and solid set) selected among all the systems in the CCRR. Likewise, the manufacturer irrigation chart for the center pivot systems has been considered and the pressure and discharge distribution along the pivot have been estimated, assuming a continuous flow along the pipe. Then; the sprinkler nozzles were selected order to increase the uniformity on water application. The water use in the CCRR has been assessed by considering the water use efficiency indicators: annual relative irrigation supply (ARIS), annual relative water supply (ARWS), relative rainfall supply (RRS) and also the productivity indicators: water productivity (WP), irrigation water productivity (IWP) and evapotranspiration water productivity (ETWP). On the one hand, it has been determined the crop water requirement (to maintain the optimal soil water content in the rooting zone), the dual crop coefficient, the total available water and the readily available water. The crop water requirement was estimated by considering the typical wet, normal and dry years which correspond to the probability of effective precipitation exceedance of 20, 50 and 80%, respectively. On the other hand, the irrigation depth and crop yield by irrigation campaign have been considered for the main crops in the area. This information was obtained from a farmer’s survey in 2010-2011, 2011-2012 and 2012-2013. For sunflower, the irrigation effect and its management on the crop yield and water productivity have been simulated. Also a deficit irrigation strategy, which improves the water resources, has been determined by means of AQUACROP (FAO). The results showed that 90% of the evaluated irrigation systems have adequate irrigation water application uniformity (CUC ≥ 75%). The CUC values in center pivots, which were calculated using the manufacturer irrigation chart, are below < 75% . However, these values would increase with the change of emitter nozzle to the proposed nozzles selection. The results on water use showed a deficit irrigation management (ARIS < 1), in most of crops during the first two operation years, and an excess in irrigation for the third year (ARIS > 1) although non-significant difference was observed. In most cases, the management of irrigation is adequate (0,9≤ ARWS≤ 1,2) although there are differences among crops. Likewise, the productivity indicators (WP and IWP (€.m-3)) varied among crops and with irrigation events. The highest values corresponded to onion, potato, carrot and barley. The values for deficit irrigation were the highest and the productivity indicators increased the year with the highest effective precipitation. Nevertheless, the differences between the average values of these indicators by irrigation campaign were non-significant. This study highlights that the soil water balance methodology and other tools used in the methodology are adequate to study the use and productivity of water in the irrigation district. In fact, the water use in this CCRR can be improved if the irrigation systems were designed with higher water distribution uniformity what would require the change of sprinkler nozzles and/or eliminate the end gun. Likewise, it is advisable to set up deficit irrigation strategies to increase the water productivity taking into account certain limits on water application uniformities. In this respect, a reference cropping pattern has been proposed and the limits for water uniformity have been calculated for several crops.