YARA ZIM Plant Technology:

Remote control of plant water status in

real time via Internet

Speakers: Simon Rüger (Managing Director) and

Marta Castiella (Agronomic engineer)

Date: Tuesday 09 December 2014

Time: 09h30 – 16h00

Venue: Anfiteatro de Fisiologia Vegetal, pavilhão

de Horticultura – USP/Esalq, em Piracicaba

Geral

• Background

• Introdução ao inovador principio de medida ZIM-probe

A pressão de turgescência pressiona a membrana plasmática da célula

contra a parede das células da planta.

Esta pressão, turgescência, é causada pelo fluxo osmótico de água a partir

da área de baixa concentração de soluto para fora da célula para o vacúolo,

que possui uma maior concentração de soluto. Células vegetais saudáveis são

turgidas e as plantas dependem de turgescência para manter a rigidez..

A pressão de turgescência demonstra uma mudança diurna devido à perda

de água por transpiração.

Pressão de Turgor

www.wikipedia.com

Pressão de Turgor

Pressão de Turgor é um importante parâmetro do suprimento de água das plantas

Well watered: 5-7 bar

Drought stress: < 1 bar

Turgor Pressure

Microclimate

Irrigation

Fertilizer

Growth

Quality

Productivity

…and diurnal change in turgor pressure due to water loss by transpiration

A Tecnologia ZIM-probe

O inovador princípio de medida ZIM-probe

ZIM-probe mede a pressão de turgor e indicando a “sede” da planta

leaf

movable toric

magnet

lower toric

magnet

pressure sensor

threaded rod

cable to

ZIM-transmitter

magnetic

pressure

turgor pressure

Signals of ZIM-probe

magnetic

pressure

The ZIM-probe

measures the

difference between

magnetic pressure

and turgor

Signals of ZIM-probe:

(Zimmermann et al., 2008; Westhoff et al., 2009)

Alternância Dia/ Noite nas leituras do ZIM-probe

• Medidas contínuas de patch pressure (Pp)

• Patch pressure (Pp) é inversamente correlacionada a pressão de turgor

• Período de leitura entre 10 sec e 10 min

• Comprovação do principio ocorreu em 2007 pelo Prof. Zimmermann e colegas

Aparencia Adaxial e abaxial das manchas da

folha após 3 - 4 meses de fixação do probe

Banana

Laranja

Oliveira

Diminuição da clorofila, mas ainda hidraulicamente conectado.

data-analysis ZIM-user data center

O sistema ZIM informa sobre o fornecimento

da água para as plantas em tempo real

ZIM-repeater

USB-Datalogging

Portfolio de sensores

...all combinations

are possible. Also with USB-

connection available.

soil temperature

sensor

ZIM-relative humidity

probe

light sensor

(PAR or global)

soil moisture

sensor

(FDR)

ZIM-probe

(turgor pressure)

ZIM-temperature probe

(local ambient temperature)

O inovador princípio de medidas ZIM-probe

ZIM-probe mede a pressão de turgor e indicando a “sede” da planta

leaf

movable toric

magnet

lower toric

magnet

pressure sensor

threaded rod

cable to

ZIM-transmitter

magnetic

pressure

turgor pressure

Signals of ZIM-probe

magnetic

pressure

The ZIM-probe

measures the

difference between

magnetic pressure

and turgor

Signals of ZIM-probe:

clampP

aF

a

bc

aP

b

pP

1

• Pp = patch pressure

• Pc = turgor pressure

• Pclamp = clamp pressure

• Fa = attenuation factor (compression of cuticle, cell walls and air-filled interspaces)

• a, b = elasticity constants

O inovador pincípio de medida do ZIM-probe

(Zimmermann et al., 2008)

Calibração de leaf patch clamp pressure probe

(Pp) contra the leaf cell turgor pressure probe

(Pc)

(Zimmermann et al. 2008, Westhoff et al., 2009)

O ZIM-system opera continuamente :

Aquisição de dados em tempo real em condições de

campo

Iinstalação em um campo de canola na

Australia

(Melbourne)

Instalação em parreiral no Chile

Interpretação de dados

• Qual o tipo de informação pode ser deduzida

com os dados do ZIM-probe?

Parâmetros para determinar o nivel de stress

hídrico

24 25 26 27 28

40

60

80

100

120

Pp (

kP

a)

1

2

3

2

4

Increase of Pp maxima and/or the base line (Pp values at night)

Increase of the recovery time at night

Inversion of the Pp curve

1 2

3

4

20

40

60

80

8 11 14 17

20

30

40

20

40

60

80

100

Pp [

kP

a]

July 2009

T [°C

]

R.H

. [%]

Aumento da Pp

maxima e /ou da baseline e

recuperação sob irrigação

Setas marcam a irrigação

laranja

Westhoff et al., 2009

Em citricos, cereja e algumas variedades de videira

4 Jan 8 Jan 12 Jan 16 Jan 20 Jan

15

25

35

T (

°C)

40

60

80

100

R.H

. (%)

30

40

50

Pp (

kP

a)

irrigação

parreira

Aumento de Pp

máximos e mínimos em clementina sob

seca

10.5

17.513.3 11.6

9.112.6

16.0

24 Aug 28 Aug 1 Sep 5 Sep 9 Sep

20

30

T [

°C]

Date

30

80

R.H

. [%]

15

30

45

60

Turgor 5533

Pp [

kP

a]

start irrigation recovery

start water withholding

5

15

25

DI - 2 west middle

s (b

ar)

Curva reversa de Pp

se a pressão de turgor está

próxima a zero

1 Aug 2 Aug 3 Aug 4 Aug

0

20

40

60

inversehalf inverse

Pp [

kP

a]

turgescent

turgor pressure > ca.100 kPa

turgor pressure < ca.50 kPa

turgor pressure ~ 0 kPa

Clear stress parameter in olive, grapevine, persimmon, wheat, almond

Zimmermann et al. Journal of Experimental Botany 59,3157-3167, 2008

Ehrenberger et al. Plant Biology 14,666-674 , 2012

Secciones de hojas de olivo:

(a) óptimo riego

(b) estrés hídrico severo

28 Jul 30 Jul 1 Aug 3 Aug 5 Aug 7 Aug 9 Aug 11 Aug0

20

40

VW

C [

%]

Date

60

90

120

150P

p [

kP

a]

Curva reversa da PP

inversa de Oliveiras sob

irrigação

(Olive farm. Albacete, Spain)

Ajustando estratégias de irrigação em oliveiras de

de acordo com a curva de inversão de PP

Fernández et al., Agricultaral Water Management, 100, 25-35, 2011

O estresse hídrico leva a um atraso da recuperação da

pressão de turgor durante a tarde

Exponential fit of the turgor

pressure recovery after peaking

at noon.

τ = relaxation time (the time

when 66% of end value is

reached)

Efeito de não-irrigação em τ na período da tarde

Zimmermann et al. Plant Biology 424 - 436, 2010

Banana

Abertura dos estomatos e reflexo na oscilação na

leaf patch pressure (Pp)

wheat banana

Pp = oscillation period about 20 min (Rueger et al., 2009; Zimmermann et al., 2010)

06 10 14 18

T (

°C)

Time of day

60

70

R.H

. (%)

10

25

40

Pp (

kP

a)

10

20

Depressão medida ao meio dia em videira com o

ZIM probe

00 12 00

20

30

40

T [

°C]

Time [h] 06. August, 2013

20

40

60

80

100

R.H

. [%]

30

40

50

60

Pp [

kP

a]

Commercial winery in Sicily, Italy

80

90

100

Pp [kP

a]

20

30

40

50

60

Pp [kP

a]

10

20

P

p [kP

a]

28 Jun 29 Jun 30 Jun

10

20

30

T [°C

]

Date

40

60

80 R.H

. [%]

Riesling

Silvaner

Spätburgunder

Rüger et al. Australian Journal of Grape and Wine Research16, 405-412, 2010

Comparação das leituras do ZIM-

probe com os métodos tradicionais

• Pressure chamber, Dendrometer, Sap flow, Soil moisture,

Transpiration

Câmara de pressão de Scholander

Manometer

gas pressure

Variações diurnas nos valores de patch

pressure (Pp) e balancing pressure (P

b) em

plantas bem irrigadas

Pb: north-directed leafs (n = 5 per data-point)

Pp: east-directed leaf

02 06 10 14 18 22

40

60

80

100

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

Pp [kP

a]

Time [h] 28 July 2009

Pb [M

Pa

]

(Ben-Gal et al., Agricultural Water Management 98, 124-133,2010)

Comparativo das leituras de status hídrico da

folha utilizando ZIM-probe (Pp) e bomba de

pressão(Pb)

(A) and (B) Avocado, (C) Grapefruit, (D) Oak (Rüger et al., 2010)

Leituras comparativas em trigo

Pp: ZIM-probe, solid line

Ψ : pressure chamber readings, filled circles

Pp: ZIM-probe, solid line

Eplant: transpiration (normalised by leaf area), filled

circles

Pp: ZIM-probe, solid line

Gs: stomatal conductance, filled circles

means ± SEM, n = 4 (Bramley et al., 2013)

Troca gasosa e ZIM-probe em folhas de videira

(Rüger et al., 2010)one day before irrigation one day after irrigation

Troca gasosa e ZIM-probe em folhas de banana

(Zimmermann et al., 2009)

Same frequency in gas exchange and ZIM-probe oscillations

Fluxo de seiva

Leituras de ZIM-probe (A) e fluxo de seiva (B)

em oliveiras sob condição de seca

(C) Solar radiation (Rs; dashed line) and vapour pressure deficit of the air (solid line)

(Rodriguez-Dominguez et al., Agricultural Water Management, 114, 50-58, 2012)

Plotagem das mudanças nas taxas diárias

máximas de fluxo de seiva (Q) versus os

estados medidos pela sonda ZIM

(Rodriguez-Dominguez et al., Agricultural Water Management, 114, 50-58, 2012)

Dendrometro

Curvas diárias de Pp

, stem water deficit e

umidade do solo medidos em carvalho

droughtwell-watered

Ehrenberger et al., Funct. Plant Biol. 39, 297-305,2012

Tempo de atraso das leituras máximada e mínima de Pp em

dendrometros com leituras diárias

0

500

1000

SR

[W

/m²]

10

20

30

Ta [

°C]

40

60

80

100

RH

[%]

30

40

50

60

Pp [

kP

a]

03 05 08 10 13 16 18 21 00

420

435

450

465

Time [hh]

De

nd

rom

ete

r [µ

m]

01/02 Jun 2009

-03:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:000

10

20

30

40

50

Co

un

ts

Time delay [hh:mm]

-03:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:000

10

20

30

40

50

Counts

Time delay [hh:mm]

control

drought

Ehrenberger et al., Funct. Plant Biol. 39, 297-305,2012

Unidade do solo

28 Jul 30 Jul 1 Aug 3 Aug 5 Aug 7 Aug 9 Aug 11 Aug0

20

40

VW

C [

%]

Date

60

90

120

150P

p [

kP

a]

Curva inversa de PP

em oliveiras sob irrigação

(Olive farm. Albacete, Spain)

Muito obrigado pela sua

atenção

This study was funded by a grant of the Europäischer Fonds für

regionale Entwicklung (EFRE 80145650; State Brandenburg) to

YARA ZIM Plant Technology GmbH.