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Noviembre 2019 | Cerezos

Inviernos más cálidos

El silencioso impacto del cambio climático en los frutales de hoja caduca

  Eduardo Fernándeza*, Italo F. Cuneob. aHorticultural Sciences, University of Bonn, Bonn, Germany. bEscuela de Agronomía, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Casilla 4-D, Quillota, Chile. *Corresponding author: Eduardo Fernandez (efernand@uni-bonn.de)

Eduardo Fernández.

Los impactos del cambio climático en los sistemas agrícolas se han convertido en una de las mayores preocupaciones de la última década para agricultores, investigadores y autoridades. Actualmente el foco mediático ha sido volcado a la disponibilidad del recurso hídrico, vital para la subsistencia no solo de los cultivos y el ganado, sino que también para la estabilidad de las comunidades rurales. Sin embargo, un impacto ligeramente más silencioso ha afectado las principales regiones agrícolas del centro y centro-norte del país y amenaza con reducir el potencial productivo de diversas especies frutales de hoja caduca. De acuerdo con cifras de la FAO en el 2016, Chile se ubicó en el primer lugar a nivel mundial en las exportaciones (toneladas) de uva de mesa, tercero en exportaciones de nueces, quinto en exportaciones de manzanas y primero en exportaciones de cerezas. En efecto, de acuerdo con cifras de ODEPA en 2016, la producción frutícola representó alrededor del 38% del producto bruto interno agrícola del país, y en términos de superficie, los frutales de hoja caduca representaron cerca del 76% de la superficie cultivada con frutales.

Italo F. Cuneo.

Las especies caducifolias se caracterizan por sufrir un período de dormancia o latencia durante el invierno. Dicha característica permite que las plantas sobrevivan a las bajas temperaturas habituales en los climas donde se originaron. En términos generales, la dormancia es definida como la ausencia de división y expansión celular en los meristemas de las yemas o de cualquier otra parte de la planta. A su vez, diversos estudios han propuesto dividir la dormancia en dos sub-estados conocidos como endo- y ecodormancia. Se ha demostrado que durante la endodormancia la planta estaría inhabilitada para retomar la actividad a pesar de encontrarse en condiciones favorables para el desarrollo. Por el contrario, durante la ecodormancia las yemas responden al aumento de las temperaturas pudiendo generar nuevas estructuras para la siguiente temporada. Generalmente, la transición entre los estados endo- y ecodormante coincide con el incremento en las temperaturas observado a fines de invierno y principios de primavera.

No obstante, para superar el estado de endodormancia las yemas requieren la exposición a bajas temperaturas invernales. De esta manera se ha establecido el uso del concepto “Requerimiento de Frío” (RF) para identificar y cuantificar las necesidades térmicas de cada especie y variedad durante el receso. Con la finalidad de encontrar el rango de temperaturas más efectivo para superar la endodormancia, diversos modelos matemáticos han sido desarrollados para estimar el frío acumulado. Los tres modelos más conocidos y utilizados en la agricultura son el modelo de Horas Frío, el modelo Utah y el Modelo Dinámico, todos desarrollados hace más de 20 años. El modelo de Horas Frío, que ha mostrado diversas debilidades en estudios comparativos, sigue siendo ampliamente utilizado en la industria frutícola, principalmente debido a su simplicidad. Este modelo considera que todas las temperaturas entre 0 y 7,2°C son igualmente efectivas para superar la dormancia. En la actualidad, el Modelo Dinámico parece ser la mejor alternativa disponible debido principalmente al razonamiento biológico adoptado por sus autores. Este modelo se basa en la hipótesis de que el frío estimula la producción de un intermediario, aún no identificado, que puede ser destruido por temperaturas muy elevadas. Sin embargo, si una cierta cantidad (i.e. umbral) de este intermediario se acumula entonces se forma una Porción de Frío (PF) que es definitivamente acumulada por la planta. Aun cuando dicho enfoque no es totalmente válido en términos fisiológicos, ha demostrado ser el más apropiado para regiones con clima Mediterráneo, como Sudáfrica, la cuenca del mar Mediterráneo, California, el valle central de Chile, entre otras.

Uno de los impactos más conocidos del cambio climático es el aumento global de la temperatura debido a las emisiones de gases de efecto invernadero. De acuerdo con el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) la década de 2006 – 2015 fue 0,87°C más calurosa que el promedio registrado entre 1850 – 1900. Lo anterior supone una considerable pérdida de frío invernal especialmente en áreas con inviernos cálidos como lo son las de clima Mediterráneo. En efecto, y de acuerdo con diversos estudios, para la mitad del siglo XXI áreas como el valle central de California podrían perder entre 30 y 60% del frío observado durante 1950. En Chile, nuestras estimaciones varían dependiendo del sitio evaluado (Fig. 1). Analizando el período histórico, en Quillota hemos estimado una reducción en la disponibilidad de frío invernal desde 82 – 97 PF para 1967 (intervalo de confianza del 90%) a 38 – 58 PF para 2017. Lo anterior representaría una reducción promedio de 54% sobre un período de 51 años. Este sitio, presentó la mayor variación negativa entre los evaluados (Vallenar, Ovalle, Rengo, Curicó, Talca, Chillán, Temuco y Osorno). En general, sitios como Curicó, Talca, Chillán, Temuco y Osorno han mantenido niveles estables de frío entre 1967 y 2017, superando las 100 PF en algunos casos.

Figura 1. Disponibilidad de frío invernal (en PF o Chill Portions) en 9 sitios agrícolas de Chile. En el panel “Historic” (izquierda), el área gris representa rangos probables de haber sido observados cada año (90% de probabilidad de que el valor observado esté dentro del rango determinado usando un generador de temperaturas que produce 100 años sintéticos dadas las condiciones particulares de ese año). La línea negra en el mismo panel representa el valor central, mientras que los puntos negros indican el valor real de frío observado en cada año). Los cuatro paneles restantes (derecha) muestran resultados sobre posibles escenarios futuros definidos por dos Representative Concentration Pathways (RCP4.5 y RCP8.5) para dos años de referencia (2050 y 2085). En cada uno de estos paneles, boxplots (de diferentes colores) representan cada uno de los modelos climáticos usados para generar temperaturas futuras, mientras que puntos negros representan outliers (valores fuera de rango). Fuente: Fernandez et al. (no publicado).

Para escenarios futuros el IPCC ha definido cuatro posibles situaciones respecto de la concentración de gases de efecto invernadero al finalizar el siglo XXI. Lo anterior es conocido como Representative Concentration Pathways (RCP) e incluyen un escenario de fuertes medidas de mitigación (RPC2.6), dos escenarios intermedios (RCP4.5 y RCP6.0) y un escenario con una alta concentración de gases de efecto invernadero (RCP8.5). En términos de incremento absoluto se espera que bajo el escenario RCP2.6 la temperatura global aumente entre 0,3° y 1,7°C, mientras que bajo el escenario RCP8.5 el cambio podría promediar los 3,7°C. Utilizando los escenarios RCP4.5 y RCP8.5 para el 2050 y 2085, nuestras estimaciones muestran reducciones considerables en la disponibilidad de frío invernal en Vallenar, Ovalle, Quillota, Rengo, Curicó, Talca y Chillán. Sectores como Temuco y Osorno podrían ser los menos afectados mostrando sobre 100 PF en el escenario RCP4.5 para 2050 y 2085. Por otra parte, considerando el escenario RCP4.5 para 2050, nuestras estimaciones proyectan entre 0 y 25 PF en Vallenar, entre 13 y 38 PF en Ovalle y entre 38 y 68 PF en Quillota. Lo anterior supone un desafío importante para cultivos caducos como uva de mesa, almendro, nogal, cerezo, entre otros. En la actualidad, manejos en base al uso de productos que suplan la falta de frío se han vuelto indispensables para obtener producciones aceptables. Sin embargo, se espera que en el futuro el uso de tales productos no sea suficiente en sectores como los mencionados anteriormente. Para dichas áreas, el establecimiento de nuevas variedades con bajo requerimiento de frío o la explotación de un microclima que soporte la producción de especies caducas serían algunas de las alternativas más efectivas para mitigar los impactos del cambio climático.

Considerando la elevada variabilidad que existe en términos de acumulación de frío entre un año y otro, es que se ha vuelto común el uso de métricas como “Frío Invernal de Seguridad” (Safe Winter Chill – SWC) (Fig. 2). Dicha métrica representa el nivel de frío que razonablemente se puede esperar el 90% del tiempo y es calculado como el primer decil sobre los valores proyectados. Así, esta métrica permitiría ayudar a los agricultores en la toma de decisiones durante la planificación de nuevos proyectos agrícolas, reduciendo parcialmente el riesgo de futuras insuficiencias de frío.

Figura 2. Frío invernal de seguridad (Safe Winter Chill – SWC) expresado como porciones de frío (PF o Chill Portions) de acuerdo al Modelo Dinámico. Análisis en 9 sitios agrícolas de Chile bajo dos posibles escenarios futuros RCP4.5 y RCP8.5 para tres horizontes de tiempo (Historic = 1967 – 2017, 2050 y 2085) utilizando 15 modelos climáticos globales. SWC es la cantidad de frío razonable de superar en el 90% de los años. Fuente: Fernandez et al. (no publicado).

La falta de frío afecta el potencial productivo de la planta al impactar negativamente durante la floración a través de cambios en la fecha, el porcentaje y la homogeneidad (Fig 3.). En cultivos como el nogal y almendro lo anterior supone una importante reducción en el potencial debido a que el rendimiento es principalmente determinado por el número de frutos. En otros, comenzar la temporada con una alta disponibilidad de frutos, para así seleccionar los mejores en manejos como el raleo, es de gran relevancia.

Figura 3. Árbol joven de manzano cv. Elstar (3 años) expuesto a condiciones de invierno cálido (35 PF). Nótese la presencia de sectores sin brotación especialmente en yemas apicales.

Figura 4. Concentración de almidón (mg g-1) en muestras de tejido leñoso de ramillas de un año de edad de 8 variedades de cerezo muestreadas en diferentes períodos representados por la acumulación de Porciones de Frío en campo (eje x). La línea negra representa la media mientras que las barras verticales representan el error estándar. Número total de muestras 160 (20 por variedad). Letras diferentes en minúscula para cada variedad representan diferencias entre los niveles de frío. Letras diferentes en mayúscula entre paneles de distinta variedad para una misma acumulación de frío representan diferencias entre las variedades. Fuente: Fernandez et al. (2019)

EL DESARROLLO DE UN MEJOR MODELO

Bien sabido es que ningún modelo es perfecto. La gran mayoría corresponde a simplificaciones de procesos altamente complejos que buscan ayudar en la toma de decisiones. Los modelos matemáticos para cuantificar la acumulación de frío, a diferencia de aquellos desarrollados para cuantificar unidades de crecimiento (Grados Día o Grados Hora), intentan aproximarse a un fenómeno que ocurre dentro de las yemas y que por lo tanto es imperceptible al ojo humano. Desde sus orígenes hace más de 50 años (modelo de Horas Frío), los modelos de frío se han basado en cómo la temperatura afecta el período de floración. El objetivo actual, por lo tanto, es incorporar todo el conocimiento fisiológico de la dormancia ganado en las últimas décadas y volcarse a un modelo basado en el proceso completo. Sin embargo, se ha demostrado que el proceso de dormancia posee numerosas aristas que en su mayoría están interrelacionadas.

Recientemente, algunos esfuerzos han emergido para modelar esta etapa como una función de la dinámica de carbohidratos y sus enzimas relacionadas. Durante el inicio de la temporada, las especies caducifolias soportan todo su crecimiento en las reservas. En efecto, se ha reportado que durante el otoño la planta sintetiza y almacena reservas en la forma de almidón alcanzando un peak que coincide con la caída de las hojas. Posteriormente, durante la dormancia y en presencia de bajas temperaturas, la planta degrada el almidón a azúcares solubles a medida que el frío es acumulado (Fig 4.). La hipótesis sugiere que dichos azúcares solubles son los que la planta utilizaría para sustentar el crecimiento futuro en ausencia de hojas. A pesar de que dicha hipótesis tiene un sentido biológico razonable, no es capaz de explicar por sí sola lo que ocurre. Otro punto de vista tiene que ver con el estrés oxidativo que sufre la yema durante el reposo. Esta teoría se basa en experimentos realizados con sustancias como la Cianamida Hidrogenada que aumentan la concentración de especies oxígeno reactivas (ROS) al interior de la célula, las que a su vez desencadenarían una serie de vías para que la yema salga del receso. No obstante, la producción de ROS y el metabolismo de carbohidratos están altamente relacionados. Del mismo modo, se ha establecido el rol de un grupo de genes (DAM – Dormancy-Associated MADS-BOX), de hormonas (GAs y ABA), conexiones celulares (plasmodesmas), entre otros.

Hasta que se logre entender el proceso completo y se pueda generar un modelo basado en dicho conocimiento, la mejor opción aparente es el uso y validación particular del Modelo Dinámico. Idealmente, un agricultor podría estimar los requerimientos de frío del cultivo bajo las condiciones particulares de su sector. De esta forma, potencialmente mejoraría manejos tales como la aplicación de compensadores de frío y probablemente también la planificación de otras importantes labores.

Referencias

Fernandez, E., Cuneo, I.F., Luedeling, E., Alvarado, L., Farias, D., and Saa, S. (2019). Starch and hexoses concentrations as physiological markers in dormancy progression of sweet cherry twigs. Trees-Struct. Funct. 33(4), 1187-1201. doi: 10.1007/s00468-019-01855-0.