Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/10362
Title: Innovative strategies to mitigate effects of climate change for sustainable hazelnut production
Authors: Cabo, Sandra Cristina Santos do
Advisor: Macedo, Berta Maria de Carvalho Gonçalves
Silva, Ana Paula Calvão Moreira da
Pascual Seva, Núria
Keywords: Corylus avellana L.
kaolin
Issue Date: 24-Sep-2020
Abstract: Climate change affects directly several economic sectors, namely agriculture, forestry, energy consumptions, tourism among others. In agriculture, the climate change has a huge impact on crop growth and yield. This takes great importance in perennial fruit crops due to their higher sensitivity to environmental conditions, particularly on floral differentiation, blossom, pollination, fruit setting and growth stages. Temperate fruit treesrequire some chilling during the development, however climate change is making climates warmer, which significantly influence the crops growth and yield. Furthermore, the average global temperature will move plant species to new areas with more favourable climate conditions. These difficulties will be transversal to all perennial fruit species being hazelnut (Corylus avellana L.) one of them, especially those growing in Mediterranean countries. The main objective of this Doctoral Thesis is to contribute with strategies to mitigate effects of climate change and on the other hand, to enhance the quality and production of hazelnut by different approaches. To achieve these goals, an evaluation of the suitability of preharvest foliar spray treatments was performed, gaining a further insight in the agricultural management strategies by understanding the plant physiological and biochemical response, enhance hazelnut quality, environmental sustainability and economic viability for hazelnut production. In addition, regarding the massive amounts of bio-wastes, namely the hazelnut husks, the determination of the suitability of husks (hazelnut by-product) as a source of bioactive compounds was also studied. In this sense, two experiments were carried out, the first experiment consisted in spraying treatments combined with irrigation: kaolin (K, 4%); natural bioestimulant Ascophyllum nodosum (An, 0.15%); salicylic acid (SA, 0.01 %); K with irrigation (Ki); An with irrigation (Ani); SA with irrigation (SAi); control with irrigation (Ci) and control (C), during 2016 and 2017, in a hazelnut orchard with adult trees in full production using an economically important hazelnut cultivar ‘Grada de Viseu’, located in Moimenta da Beira (Northern Portugal). A positive effect of the spray treatment on ‘Grada de Viseu’ yield, physiological and biochemical responses was shown. Results showed that K and An were effective for reducing hazelnut heat and drought stresses by increasing the relative water content, net CO2 assimilation rate, water use efficiency and by reducing the leaf mass per area and electrolyte leakage. Moreover, concentration of abscisic acid, malondialdehyde, proline, lipid peroxidation and the average content of antioxidant enzymes was lower, suggesting that under K and An treatments, plants have a better physiological performance than control trees. Under K, An and SA with and without irrigation treatments, the content of total sugars decreased and the content of starch, salicylic acid, thiols and the ratio between total chlorophylls and total carotenoids increased, demonstrating that these treatments can be effective against drought. These treatments affected positively the biometric parameters, namely nut and kernel sizes, vitamin E levels, antioxidant activity and some phenolic compound contents. The sensorial attributes were not affected by the treatments, this way the application of K, AN and SA improve the hazelnut tree physiological response to the climate change, without compromising the hazelnut chemical and sensorial quality. Other experiment was carried in a hazelnut orchard with adult trees in full production in Vila Real, Portugal. Hazelnuts husks were obtained from four cultivars: ‘Butler’, ‘Grada de Viseu’, ‘Morell’ and ‘Lansing’, and the bioactive potential of hazelnut husks was determined as a function of their cultivar source and extraction solvent. A total of 11 phenolics were identified. The results showed that cultivar and extraction solvent influenced significantly the extraction yield. Methanolic husk extracts exhibited the greatest antioxidant potentials followed by water and acetone. ‘Grada de Viseu’ husks presented the highest content of individual phenolics and antioxidant activity, while the husks from the cultivar ‘Lansing’ showed the lowest levels. The valorization of hazelnuts husks gives an important contribution for the isolation and purification of bioactive molecules. In conclusion, this thesis contributed to increase knowledge of the use of promising preharvest compounds for the improvement of the hazelnut physiological and biochemical performance as well the nut quality. Nonetheless lower and non-significant differences between treatments with and without irrigation were observed revealing that K, An and SA can be used without irrigation to mitigate summer stress effects being these compounds useful strategies to mitigate climate change effects for sustainable hazelnut production
As alterações climáticas afetam fortemente vários sectores económicos da sociedade, nomeadamente a agricultura, silvicultura, consumo de energia, turismo entre outros. Na agricultura, as alterações climáticas têm um enorme impacto no desenvolvimento e produtividade das culturas, assumindo uma grande importância ao nível das espécies fruteiras perenes, devido à sua sensibilidade relativamente às condições ambientais, em particular durante a diferenciação floral, polinização, frutificação e crescimento. As espécies frutícolas, de clima temperado necessitam de frio no seu desenvolvimento e com o aumento da temperatura resultante das alterações climáticas, estas necessidade poderão ser afectadas. Para além disso, o aumento da temperatura média global, fará com que as espécies encontrem condições favoráveis ao seu crescimento em novas regiões, tornando o seu cultivo mais difícil devido ao stresse estival. Estas dificuldades serão transversais a todas as espécies de fruteiras perenes, como é o caso da aveleira (Corylus avellana L.), especialmente as que crescem nos países mediterrânicos. O principal objetivo desta Tese de Doutoramento é contribuir com estratégias para a mitigação dos efeitos das alterações climáticas e, ao mesmo tempo, aumentar a qualidade e a produção de avelã recorrendo a diversas abordagens. Essas abordagens focam-se na avaliação da aplicação de tratamentos em pré-colheita, de forma a ganhar uma visão mais aprofundada de estratégias agrícolas, nomeadamente na resposta fisiológica e bioquímica das árvores, no aumento da qualidade da avelã, na sustentabilidade ambiental e na viabilidade económica para a produção de avelãs. Para além disso, e tendo em conta as grandes quantidades de bio resíduos, e em particular os invólucros das avelãs (co-produto) desenvolveu-se um estudo com o objetivo de determinar o potencial dos invólucros como fonte de bioatividade. Neste sentido realizaramse dois ensaios experimentais, o primeiro consistiu na aplicação de compostos combinados com e sem rega: Caulino (K, 4%); bioestimulante natural à base de Ascophyllum nodosum (An, 0,15%); ácido salicílico (SA, 0,01%); K com rega (Ki); An com rega (Ani); SA com rega (SAi); controlo com rega (Ci) e controlo (C), durante 2016 e 2017, num avelanal com árvores adultas em plena produção, da cultivar economicamente importante em Portugal, ‘Grada de Viseu’, localizado em Moimenta da Beira (Norte de Portugal). Verificou-se um efeito positivo nas árvores pulverizadas com os compostos ao nível da produção, da resposta fisiológica e bioquímica. Os resultados demonstraram que K e An foram eficazes na redução dos efeitos do stresse estival, aumentando o conteúdo relativo de água, a assimilação líquida de CO2 e a eficiência de uso de água e verificando-se a redução da massa foliar por área e da fuga de eletrólitos. Além disso, a concentração de ácido abscísico, malondialdeído, prolina, peroxidação lipídica e a concentração de enzimas antioxidantes foi menor nos tratamentos, sugerindo que as árvores tratadas com K e An, tiveram um melhor desempenho fisiológico do que as árvores controlo. Nas aveleiras tratadas com K, An, e SA com e sem rega, o conteúdo total de açúcares solúveis diminuiu e o conteúdo em amido, ácido salicílico, tióis e a razão entre as clorofilas totais e os carotenoides totais aumentou, demonstrando assim que os tratamentos são eficientes contra os efeitos da seca. Os tratamentos afetaram positivamente os parâmetros biométricos avaliados, assim como o calibre da avelã e do miolo, o conteúdo em vitamina E, a atividade antioxidante e alguns compostos fenólicos. Os atributos sensoriais avaliados não foram afetados pelos tratamentos demonstrando que a aplicação de K, An e SA melhorou a resposta da árvore sob efeito dos tratamentos às alterações climática sem comprometer a qualidade química e sensorial da avelã. O segundo ensaio experimental realizou-se em Vila Real, Portugal, num avelanal com árvores adultas em plena produção. Os invólucros foram obtidos a partir de quatro cultivares: ‘Butler’, ‘Grada de Viseu’, ‘Morell’ e ‘Lansing’, foi avaliado o potencial bioativo dos invólucros em função da cultivar e do solvente de extração. Os resultados demonstraram que, quer a cultivar quer o solvente de extração influenciaram o rendimento de extração. Os invólucros extraídos com o metanol exibiram maior potencial antioxidante seguindo-se pela água e acetona. No total foram identificados 11 compostos fenólicos sendo que os invólucros da cultivar ‘Grada de Viseu’ apresentaram maiores conteúdos de compostos fenólicos individuais e de atividade antioxidante, enquanto os invólucros da cultivar ‘Lansing’ foram os que apresentaram menores níveis. O isolamento e purificação destas moléculas bioativas contribui de forma significativa para a valorização dos invólucros. Em conclusão, o trabalho realizado contribuiu para o aumento do conhecimento da utilização de compostos promissores em pré-colheita, com o intuito de aumentar o desempenho fisiológico e bioquímico, bem como a qualidade da avelã. As diferenças não significativas ou reduzidas observadas nos tratamentos com e sem rega permitem afirmar que os compostos K, An e SA podem ser usados sem o recurso à rega de forma a mitigar os efeitos do stresse estival assim como uma excelente estratégia para mitigar os efeitos das alterações climáticas.
Description: This thesis was expressly elaborated to fulfil the requirements application to the Doctoral Degree in Agricultural Production Chains - From Fork to Farm by the University of Trás-os Montes e Alto Douro
URI: http://hdl.handle.net/10348/10362
Document Type: Doctoral Thesis
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