Measurements obtained by the continuous monitoring of trunk diameter fluctuations
were compared with discrete measurements of midday stem water potential (stem)
and midday leaf conductance (gl) in adult pomegranate trees (Punica granatum (L.) cv.
Mollar de Elche). Control plants (T0) were irrigated daily above their crop water
requirements in order to attain non‐limiting soil water conditions, while T1 plants
were subjected to water stress by depriving them of irrigation water for 34 days, after
which time irrigation was restored and plant recovery was studied for 7 days. T1 plants
showed a substantial degree of water stress, which developed slowly. Maximum daily
trunk shrinkage (MDS) was identified to be the most suitable plant‐based indicator for
irrigation scheduling in adult pomegranate trees, because its signal:noise
((T1/T0):coefficient of variation) ratio was higher than that for stem
((T1/T0):coefficient of variation) and gl ((T0/T1):coefficient of variation). MDS
increased in response to water stress, but when the stem fell below −1.67 MPa, the
MDS values decreased.This research was supported by CICYT/FEDER
(AGL2010‐19201‐C04‐01AGR) and AECID
(A1/035430/11) grants to the authors. AG, JCG
and ZNC were funded by a FPU, a FPI and a
AECID grant, respectively

Collado González, Jacinta

Cruz, Z.N.

Galindo Egea, Alejandro

Moreno, F.

Moriana Elvira, Alfonso

Ondoño Tovar, Sara

Rodríguez, P.

Torrecillas, A.

English

Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena

III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  163 | 274  Plant water status indicators for detecting water stress in pomegranate trees  A. Galindo(1), P. Rodríguez(2), S. Ondoño(1), J. Collado‐González(1), A. Moriana(3), Z.N. Cruz(2), F. Moreno(4), A. Torrecillas(1)  (1)  Centro  de  Edafología  y  Biología  Aplicada  del  Segura  (CSIC).  Apartado  164,  30100  Espinardo (Murcia).España. agalindo@cebas.csic.es (2)  Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas  (INCA). Ctra. de Tapaste, km 3.5. San  José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. (3) Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica. Universidad de Sevilla, Carretera de Utrera, km 1, E‐41013 Sevilla, España. (4) Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (CSIC), P.O. Box 1052, E‐41080 Sevilla, España.   SUMMARY Measurements obtained by the continuous monitoring of trunk diameter fluctuations were compared with discrete measurements of midday stem water potential (stem) and midday leaf conductance (gl) in adult pomegranate trees (Punica granatum (L.) cv. Mollar  de  Elche).  Control  plants  (T0) were  irrigated  daily  above  their  crop water requirements  in order  to attain non‐limiting  soil water  conditions, while T1 plants were subjected to water stress by depriving them of irrigation water for 34 days, after which time irrigation was restored and plant recovery was studied for 7 days. T1 plants showed a substantial degree of water stress, which developed slowly. Maximum daily trunk shrinkage (MDS) was identified to be the most suitable plant‐based indicator for irrigation  scheduling  in  adult  pomegranate  trees,  because  its  signal:noise ((T1/T0):coefficient  of  variation)  ratio  was  higher  than  that  for  stem ((T1/T0):coefficient  of  variation)  and  gl  ((T0/T1):coefficient  of  variation).  MDS increased in response to water stress, but when the stem fell below −1.67 MPa, the MDS values decreased. Key words: Plant water relations; Punica granatum; trunk diameter fluctuations   1. Introduction Pomegranate  (Punica  granatum  L.)  is  a  very interesting  fruit  tree  species  because  it  has drought resistant characteristics [1], being able to  thrive well  in arid and  semiarid areas, even under desert conditions [2]. However, to reach optimal  growth,  yield  and  fruit  quality, pomegranate  trees  require  regular  irrigation, particularly during the dry season [3]. The use of plant‐based water status  indicators has become  very popular  for planning precise irrigation,  because  plant water  status may  be the  ideal  method  for  predicting  crop performance under a given irrigation scheduling regime. Since plant water status controls many physiological  processes  and  crop  productivity, this information can be highly useful in irrigation scheduling  [4].  Measurements  of  trunk diameter  fluctuations  (TDF)  using  trunk diameter  sensors  provide  continuous  and automated  recording  of maximum  daily  trunk shrinkage  (MDS), which has been shown  to be suitable  for  the  development  of  automated irrigation scheduling in fruit trees [5].  In  this  study,  the  sensitivity  of  MDS  in comparison  with  other  discretely  measured indicators of plant water status in response to a cycle  of  water  deprivation  and  recovery  was studied.   2. Materials and Methods 2.1. Plant material, experimental conditions and treatments The  experiment was  carried  out  in  2009 on  a farm  located  near  the  city  of  Murcia  (Spain) (37°57' N, 0°56'W). The plant material consisted of own  rooted 10‐year old pomegranate  trees (Punica granatum L.) cv. Mollar de Elche, with an average  trunk  diameter  of  about  15  cm.  Tree spacing followed a 3 m × 6 m pattern, with an average ground cover of about 59 %.  The soil of the orchard was a weakly saline Xeric Torriorthent,  with  silt  loam  texture.  The III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  164 | 274  irrigation water had an electrical conductivity of between  1.7  and  2.2  dS  m‐1  and  the  Cl‐ concentration  in  the  irrigation  water  ranged from 36 to 48 mg l‐1. Control  plants  (treatment  T0)  were  irrigated above  crop  water  requirements  (115  %  ETo), using  six  emitters  (each delivering 4  l h−1) per plant. Irrigation in T1 plants was withheld for 34 days  (from day of  the  year  (DOY) 209  to 243, second  half  of  rapid  fruit  growth period).  The recovery of plants was ensured by re‐irrigation at the levels used in T0 for 6 days (from DOY 244 to  250).  Total  water  amounts  applied  in  the experimental period were 261 and 38 mm for T0 and T1 treatments, respectively.  During  the  experiment  pest  control  and fertilization practices were those usually used by local  growers,  and no weeds were  allowed  to develop  within  the  orchard.  Irrigation  was carried out  daily  and  during  the night using  a drip  irrigation system with one  lateral pipe per tree row.  2.2 Measurements Meteorological  data  were  collected  by automatic  weather  stations  located  near  the experimental  sites.  Mean  daily  air  vapour pressure deficit (VPDm) and daily crop reference evapotranspiration  (ETo)  were  calculated according to Allen et al. [6].  Midday  (12 h solar  time) stem water potential (stem) was measured on  the south  facing side and  the middle  third of  the  trees,  in  two  fully developed  leaves  per  tree  of  each  replicate, enclosing  leaves  in  small  black  plastic  bags covered  with  aluminium  foil  for  at  least  2  h before measurements in the pressure chamber (model  3005,  Soil  Moisture  Equipment  Co., Santa  Barbara,  CA,  USA).  Midday  leaf conductance  (gl)  in  attached  leaves  was measured  with  a  steady‐state  porometer  (LI‐1600,  LICOR  Inc.,  Lincoln, USA) on  the  abaxial surface of the leaves and in a similar number and type  of  leaves  as  used  for  the  stem measurements The  micrometric  trunk  diameter  fluctuations (TDF)  were  measured  throughout  the experimental  periods  in  four  trees  per treatment,  using  a  set  of  linear  variable displacement transducers (LVDT) as indicated by Moriana et  al.  [5]. MDS was  calculated  as  the difference  between  the  daily  maximum diameter and the minimum diameter. To  compare  the  sensitivity  of  the  plant‐based indicators for use as water stress indicators it is more suitable  to compare  their values  relative to those of the control trees. For this, the signal intensity of both continuous and discrete plant water status measurements were defined as the relative values (T1/T0 or T0/T1), while variability or  noise  was  defined  as  the  coefficient  of variation  of  the  mean.  Thus,  the  signal:noise ratio integrates both the indicator strength and its variability, and is important for assessing the usefulness  of  plant‐based  water  stress indicators for irrigation scheduling. 2.3 Statistical analysis The  design  of  the  experiment was  completely randomized with  four  replications.  Data were analyzed  using  SPSS  software  [7].  Analysis  of variance was performed and means values were compared  by  an  LSD0.05  test.  Values  for  each replicate were averaged before  the mean and the  standard  error  of  each  treatment  were calculated.  3. Results and Discussion During  the  experimental  period,  average daily maximum and minimum air temperatures were 32.5  and  20.2  ºC,  respectively.  VPDm  ranged from 0.98 to 2.84 kPa, and accumulated ETo was 226  mm.  There  was  no  rainfall  during  the experimental period.   The  high  stem  and  gl  values  in  T0  plants throughout  both  experimental  periods  (Figure 1A and B) suggested that control pomegranate plants  were  under  non‐limiting  soil  water conditions. Despite that T1 plants at the end of the  water  withholding  period  pointed  to  a relatively  strong  water  stress  situation,  the decrease  in stem  values  at  a  rate  of  around 0.025 MPa  d−1  indicates  that  the water  stress developed quite slowly (Figure 1A and B). MDS  values  showed  substantial  fluctuations during  the  experimental  period  (Figure  1C). Differences between T0 and T1 treatments were evident as early as four days after the imposition of water stress, due to the MDS  increase  in T1 plants  (Figure  1C).  When  T1  plants  were rewatered, MDS values fell and were similar  in both treatments during the recovery period. The fact that MDS signal:noise ratio was higher than that for stem and gl for all the intervals of time considered (Table 1) suggested that MDS is the  most  suitable  indicator  for  pomegranate irrigation scheduling. In this sense, Ortuño et al. [8]  showed  that  continuously measured  plant water  status  indicators were more  immediate and  sensitive  than  discretely  measured indicators. Moreover, Remorini and Massai  [9] III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  165 | 274  indicated  that  trunk  diameter  fluctuations differed between  irrigation  treatments even  in the  absence  of  differences  in  stem,  and Goldhamer  et  al.  [10]  indicated  that  MDS responded sooner than stem to water stress.   gl (mmol m-2 s-1)100200300400* * * * * * * * *stem (MPa)-2.0-1.6-1.2-0.8* * * * * * * * * * *ABDOY210 220 230 240 250MDS (mm)0.10.20.30.40.5* *** * *******************C  Figure 1. Midday stem water potential (stem) (A), midday leaf conductance (gl) (B) and maximum daily trunk shrinkage (MDS) (C) in T0 (closed symbols) and T1 (open symbols) plants during the 2009 experimental period. Bars on data points are  S.E. of the mean (not shown when smaller than symbols). Vertical dotted line indicated the time at which irrigation was restored. Asterisks indicate statistically significant differences by least significant difference at 5% level (LSD0.05) range test. Each point is the mean of four values  Taking  into  consideration  the  stem  values obtained  during  the  experimental  period  and the  MDS  values  taken  at  the  same  times,  a polynomial  relationship  between  both parameters  (MDS  (mm)  =  0.419  +  0.979stem (MPa) + 1.118stem2 (MPa) + 0.331stem3 (MPa), r2 = 0.685, MSE = 0.003) was evident in the range of water stress studied (stem values from –0.72 to –1.98 MPa) (Figure 2).   Table 1. Mean signal intensity, mean noise, and signal:noise ratio of maximum daily trunk shrinkage (MDS), midday stem water potential (stem) and midday leaf conductance (gl) at different intervals of the 2009 water stress period. For each interval, mean signal or mean noise values that do not have a common letter are significantly different according to the LSD0.05 range test. DOY   Mean signal Mean noise Signal: noise 209‐217 MDS 1.24a  0.17a  7.31  stem  1.27a  0.21a  6.16 gl 1.04a  0.15a  6.93209‐224 MDS 1.31ab  0.17b  7.84  stem  1.46a  0.23a  6.27 gl 1.15b  0.15b  7.73209‐231 MDS 1.37ab  0.17b  7.95  stem  1.59a  0.22ab  7.13 gl 1.29b  0.24a  5.34209‐238 MDS 1.41b  0.17b  8.24  stem  1.72a  0.23a  7.39 gl 1.40b  0.23a  6.07209‐243 MDS 1.46b  0.18b  8.31  stem  1.81a  0.24a  7.63 gl 1.49b  0.26a  5.82 This  relationship  was  characterized  by  two different  phases.  Above stem  values  of  ‐1.67 MPa,  MDS  values  increased  sharply  as  stem decreased, and when stem values were below this  threshold  value  the  relationship  changed and  any  further  reduction  in  stem  was associated with a decrease  in MDS. This  is  the behaviour more frequent in most species values [11]. However,  Intrigliolo et al.  [12], suggested that  the  best  fit  between  MDS  and  stem  in pomegranate  trees was obtained with a  linear regression,  and  that  there  was  not  a  single unique  relationship  between  both  variables valid  for  the whole  season  due  to  changes  in fruit  growth pattern  and  fruit  removal.  In  this sense, our data also revealed  the possibility of presenting  the  relationship between MDS and stem by means of a first‐order fit (MDS (mm) = 0.056  ‐  0.168stem  (MPa),  r2  =  0.587,  MSE  = 0.004) but  the correlation obtained was worse than  for  the  polynomial  regression  model (Figure 2).  In our opinion,  to clarify  the model that  defines  the  relationship  between  both variables, a higher number of MDS data points corresponding to stem values below ‐1.67 MPa would have been necessary.  III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  166 | 274  stem(MPa)-2.0 -1.6 -1.2 -0.8MDS (mm)0.10.20.30.40.50.6 0.003 =MSE ; 685.0=rΨ 331.0+Ψ 118.1+Ψ 979.0+419.0=MDS***23stem2stemstem0.004 = MSE ;  0.587 =rΨ 0.168 - 0.056 = MDS***2stem Figure 2. Relationship between and maximum daily trunk shrinkage (MDS) and stem water potential (stem) in T0 (closed symbols) and T1 (open symbols) plants during the 2009 water stress period. Each value is the mean of four measurements   4. Conclusions The  results  indicated  that  MDS  is  a  reliable plant‐based  water  stress  indicator  in  adult pomegranate  trees.  In  addition,  the  fact  that LVDT  sensors  used  in  the  experiment  did  not have  to  be  repositioned,  together  with  other operational  advantages  over  discretely measured  indicators,  such  as  the  low  labour costs involved and the possibility of connection to  remotely  operated  irrigation  controllers, confirm  that  MDS  is  a  suitable  plant‐based indicator  for  precise  irrigation  scheduling practices  based  on  plant  water  status measurements.   5. Acknowledgements This  research  was  supported  by  CICYT/FEDER (AGL2010‐19201‐C04‐01AGR)  and  AECID (A1/035430/11) grants to the authors. AG, JCG and  ZNC were  funded  by  a  FPU,  a  FPI  and  a AECID grant, respectively.  6. References [1] Rodríguez, P., Mellisho, C.D., Conejero, W., Cruz, Z.N., Ortuño, M.F., Galindo, A., Torrecillas, A.,  2012.  Plant  water  relations  of  leaves  of pomegranate  trees  under  different  irrigation conditions. Environ. Exp. Bot. 77: 19‐24. [2] Sarkhosh, A., Zamani, Z., Fatahi, R.. Ebadi, A., 2006.  RAPD  markers  reveal  polymorphism among  some  Iranian  pomegranate  (Punica granatum L.) genotypes. Sci. Hort. 111: 24–29. [3] Holland, D., Hatib, K., Bar‐Yàakov,  I., 2009. Pomegranate:  botany,  horticulture,  breeding. Hortic. Rev. 35: 127–191. [4]  Fernández,  J.E.,  Cuevas,  M.V.,  2010. Irrigation  scheduling  from  stem  diameter variations: a review. Agric. For. Meteorol. 150: 135‐151. [5] Moriana, A., Girón, I.F., Martín‐Palomo, M.J., Conejero,  W.,  Ortuño,  M.F.,  Torrecillas,  A., Moreno, F., 2010. New approach for olive trees irrigation  scheduling  using  trunk  diameter sensors. Agric. Water Manage. 97: 1822‐1828. [6] Allen, R.G., Pereira, R.S., Raes, D., Smith, M., 1998.  Crop  evapotranspiration‐guidelines  for computing  crop  water  requirements.  FAO Irrigation  and  Drainage  paper  No  56.  Rome, Italy, pp 15–27. [7] SPSS Inc., 2002. SPSS Professional Statistics. Business Intelligence Division, v. 12, Chicago [8] Ortuño, M.F., García‐Orellana, Y., Conejero, W., Ruiz‐Sánchez, M.C., Alarcón, J.J., Torrecillas, A.,  2006  Stem  and  leaf  water  potentials,  gas exchange,  sap  flow  and  trunk  diameter fluctuations for detecting water stress in lemon trees. Trees 20: 1–8. [9] Remorini, D., Massai, R., 2003. Comparison of water status indicators for young peach trees. Irrig. Sci. 22: 39–46. [10]  Goldhamer,  D.A.,  Fereres,  E.,  Mata,  M,. Girona,  J.,  Cohen,  M,  1999.  Sensitivity  of continuous  and  discrete  plant  and  soil  water status monitoring  in  peach  trees  subjected  to deficit irrigation. J. Am. Soc. Hortic. Sci. 124: 437‐444. [11]  Ortuño, M.F.,  Conejero, W., Moreno,  F., Moriana, A.,  Intrigliolo, D.S., Biel, C., Mellisho, C.D.,  Pérez‐Pastor,  A.,  Domingo,  R.,  Ruiz‐Sánchez,  M.C.,  Casadesus,  J.,  Bonany,  J., Torrecillas,  A.,  2010.  Could  trunk  diameter sensors  be  used  in woody  crops  for  irrigation scheduling? A review of current knowledge and future perspectives. Agric. Water Manage. 97: 1‐11. [12]  Intrigliolo,  D.S.,  Puerto,  H.,  Bonet,  L., Alarcón,  J.J.,  Nicolás,  E.,  Bartual,  J.,  2011b. Usefulness  of  trunk  diameter  variations  as  a continuous  water  stress  indicators  of pomegranate  (Punica  granatum)  trees.  Agric. Water Manage. 98: 1462‐1468. 

Plant water status indicators for detecting water stress in pomegranate trees

https://repositorio.upct.es/bitstream/10317/10851/1/39-pws.pdf

Plant water status indicators for detecting water stress in pomegranate trees

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena