Mendoza Herrer, Óscar
Peguero Pina, José Javier (dir.) ; Sancho Knapik, Domingo (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Abstract: El clima Mediterráneo se caracteriza por veranos cálidos y secos, e inviernos fríos, presentando durante la estación estival un mínimo (menos del 20%) de precipitaciones, las cuales pueden venir en forma de tormentas de corta duración y baja intensidad que se desprecian en el balance hídrico del suelo. Esta coincidencia de las temperaturas máximas con las precipitaciones mínimas produce la característica aridez estival del clima Mediterráneo. En la Cuenca Mediterránea, caracterizada por dicho clima, la encina (Quercus ilex L.) es una de las especies vegetales arbóreas más representativa, por su extensión y por su abundancia, siendo identificada como una especie paradigmática del clima mediterráneo, al generar paisajes característicos de un alto valor ecológico en dicho entorno. Además de su importancia paisajística, la encina tiene un enorme valor económico por su capacidad de simbiosis con la trufa negra (Tuber melanosporum Vittad.), siendo la especie más utilizada como planta micorrizada para la implantación de explotaciones truferas.
Para la presente tesis, se tiene en consideración el modelo continuo suelo-planta-atmósfera, que analiza el flujo de agua en los vegetales terrestres como un proceso dinámico desde la fuente (suelo) hasta el sumidero final (atmósfera). De esta manera, se observa que la encina en el clima mediterráneo, se enfrenta durante el periodo estival a un doble estrés hídrico, el edáfico y el atmosférico. Además, bajo un escenario de calentamiento global del planeta, la encina puede verse afectada por un aumento del estrés hídrico estival y la aparición de mayores episodios térmicos extremos, tanto en las épocas estivales como invernales, afectando de forma directa a la salud de las masas forestales actuales y a la producción económica relacionada con las explotaciones agrícolas.
El objetivo general de la presente tesis es profundizar en el conocimiento del comportamiento ecofisiológico de la encina (Quercus ilex L.) frente al estrés hídrico, justificado por ser un buen indicador de la salud de las masas forestales del entorno mediterráneo frente al cambio climático, debido a su extensión geográfica, su abundancia en dicho entorno y las adaptaciones evolutivas que le confieren resistencia frente al aumento de estreses hídrico y térmico previstos; y por permitir, a su vez, evaluar y mejorar las plantaciones truferas, al estar en relación directa con el sistema productivo de la trufa, y por tanto, tener importantes implicaciones económicas.
Para ello, en la tesis se comienza analizando el papel de la encina (Quercus ilex subsp. rotundifolia) como una especie mediterránea que puede soportar una intensa sequía estival gracias a una alta resistencia a la cavitación más allá del cierre estomático. Además de las limitaciones estomáticas, las limitaciones mesofílicas y bioquímicas a la captación de CO2 también podrían aumentar en la encina bajo sequía. Sin embargo, ningún estudio ha abordado cómo los factores hidráulicos y no hidráulicos pueden limitar la recuperación de la fotosíntesis tras rehidratación después de inducir una pérdida del 50% de la conductividad hidráulica por estrés hídrico. En este primer estudio de la tesis se midieron los parámetros fotosintéticos, la embolia nativa del xilema y la concentración de ácido abscísico (ABA) en encinas con niveles crecientes de estrés hídrico edáfico y después de siete días de recuperación tras haber regado de nuevo la planta. El estrés hídrico causó una fuerte disminución en la asimilación neta de CO2 (AN), en la conductancia estomática y del mesófilo (gs y gm), y en la velocidad máxima de carboxilación de la Rubisco (Vcmax). El cierre estomático podría estar inducido por el rápido incremento registrado en la concentración de ABA. El alto nivel de embolia medido en el xilema explicó la fuerte regulación a la baja de gs incluso después de un nuevo riego. Por este motivo, sólo se observó una recuperación parcial del AN a pesar de que los factores no hidráulicos no limitaron la recuperación de AN, ya que i/la concentración de ABA disminuyó fuertemente y ii/ gm y Vcmax recuperaron sus valores originales tras rehidratación. Por lo tanto, el modelo de limitación hidráulico-estomático de la fotosíntesis estaría implicado en la recuperación parcial de la AN, con el fin de evitar la embolia generalizada del xilema bajo eventos de sequía posteriores que podrían comprometer la supervivencia de la encina.
En segundo lugar, se plantea que las sequías extremas y los eventos de calor, producidos frecuentemente en los climas mediterráneos, inducen anomalías en los flujos de CO2 ecosistema-atmósfera. Para mitigar las consecuencias sobre los bosques y la agricultura, los gestores deben tener un mejor conocimiento del ecosistema mediante el seguimiento del estado de las plantas. El estado hídrico se observa comúnmente midiendo el potencial hídrico, pero cuando el evento extremo ha terminado, este parámetro no puede mostrar a los gestores la recuperación de otros procesos fisiológicos como la fotosíntesis. Para abordar este problema, se ha evaluado el estado hídrico y la capacidad fotosintética de Quercus ilex a lo largo de un evento intenso de estrés hídrico y una posterior rehidratación. La capacidad fotosintética se evaluó a través de los parámetros de fluorescencia de clorofila y los índices de reflectancia de la hoja. Se observó que todos los parámetros de fluorescencia cambiaron a medida que el potencial hídrico disminuía, y no se recuperaron completamente después de la rehidratación. Entre los índices de reflectancia, el índice de reflectancia fisiológico (IRP, en inglés photochemical reflectance index, PRI) varió de forma similar a la fluorescencia, obteniéndose una fuerte correlación con el quenching no fotoquímico (en inglés non photochemical quenching, NPQ). Se propuso utilizar el PRI para detectar el nivel de capacidad fotosintética en Quercus ilex, por su facilidad de manejo. También se concluyó que las sequías intensas y el estrés térmico no sólo podrían reducir la capacidad fotosintética a través de los cambios en los parámetros de fluorescencia de clorofila durante el periodo de estrés, sino que también podrían afectar a la capacidad fotosintética una vez recuperado el estado hídrico de la planta.
En tercer lugar, en la tesis se analiza cómo las altas tasas de déficit de presión de vapor de agua (DPV, en inglés vapor pressure deficit, VPD) pueden disminuir gravemente la productividad de las plantas al reducir la conductancia estomática, lo que podría agravarse durante los periodos estivales en climas mediterráneos debido al déficit hídrico del suelo. En este tercer estudio, se monitorizó la respuesta de Quercus ilex a los cambios en el VPD durante el verano para evaluar los efectos y consecuencias de ambos estreses hídricos (atmosférico y edáfico) en el intercambio de gases. Para ello se realizaron mediciones en árboles de una plantación experimental durante dos veranos consecutivos con déficit hídrico moderado, utilizando tres métodos diferentes: a nivel de hoja con un analizador de gases, utilizando una cámara de planta entera para un seguimiento a corto plazo a nivel de árbol, y midiendo la temperatura de la copa para un seguimiento a largo plazo. Los tres métodos proporcionaron relaciones negativas entre el VPD y la conductancia foliar con discrepancias probablemente asociadas a la escala de medición. En general, los resultados mostraron que el estrés hídrico atmosférico y el del suelo tenían un efecto aditivo. Bajo un óptimo estado hídrico del suelo, un aumento del VPD se vio parcialmente compensado por una reducción de la conductancia estomática, lo que dio lugar a un ligero aumento de las tasas de transpiración. Con déficit hídrico en el suelo, la respuesta al VPD se tradujo en una mayor disminución de la conductancia estomática, reduciendo la transpiración como estrategia de ahorro de agua. La disminución de la conductancia en respuesta al VPD fue transitoria, recuperándose los valores iniciales tan pronto como el VPD disminuyó, tanto en óptimas condiciones hídricas del suelo como en sequía. Debido a esta alta sensibilidad a la sequía atmosférica, las tasas máximas de ganancia de carbono de la encina se vieron restringidas a un rango ambiental reducido, lo que podría modular su rendimiento fisiológico y su distribución natural.
Por último, ante el hecho de que la sequía estival que caracteriza al clima mediterráneo incluye eventos de baja precipitación (por debajo de 1 mm) como una de las formas de precipitación más comunes, y aunque, estos eventos de baja precipitación se consideran insignificantes en términos del balance hídrico del suelo, éstos podrían desempeñar un importante papel ecofisiológico en los árboles, ya que podrían reducir el estrés de la planta a través de la humectación del dosel y una posterior absorción de agua vía foliar. En este cuarto estudio de la tesis, se monitorizó la respuesta a corto plazo de Quercus ilex a un evento de baja precipitación ocurrido durante el periodo estival. Para ello se midió el VPD, el potencial hídrico del suelo y de la planta, la conductancia foliar total (gt), la máxima eficiencia potencial del fotosistema II (FV/FM), y el PRI. Se detectó que, para un evento de lluvia de 0,6 mm, un aumento de la conductancia foliar medido justo antes de la propia lluvia podría ser atribuible exclusivamente a la disminución del VPD provocado por el cambio en las condiciones climáticas precedentes a la lluvia. Por el contrario, el aumento de la conductancia foliar registrado durante y con posterioridad a la lluvia pudo ser atribuible a la combinación del descenso en el VPD mas una posible absorción de agua por las hojas, que provocó una recuperación parcial del FV/FM y del PRI. Así pues, las tormentas de baja precipitación podrían tener una importancia significativa a la hora de considerar el balance hídrico de una especie vegetal concreta al igual que otros fenómenos naturales, como la niebla o el rocío, ya considerados especialmente importantes en entornos sometidos a sequías temporales.
Abstract (other lang.):
Para la presente tesis, se tiene en consideración el modelo continuo suelo-planta-atmósfera, que analiza el flujo de agua en los vegetales terrestres como un proceso dinámico desde la fuente (suelo) hasta el sumidero final (atmósfera). De esta manera, se observa que la encina en el clima mediterráneo, se enfrenta durante el periodo estival a un doble estrés hídrico, el edáfico y el atmosférico. Además, bajo un escenario de calentamiento global del planeta, la encina puede verse afectada por un aumento del estrés hídrico estival y la aparición de mayores episodios térmicos extremos, tanto en las épocas estivales como invernales, afectando de forma directa a la salud de las masas forestales actuales y a la producción económica relacionada con las explotaciones agrícolas.
El objetivo general de la presente tesis es profundizar en el conocimiento del comportamiento ecofisiológico de la encina (Quercus ilex L.) frente al estrés hídrico, justificado por ser un buen indicador de la salud de las masas forestales del entorno mediterráneo frente al cambio climático, debido a su extensión geográfica, su abundancia en dicho entorno y las adaptaciones evolutivas que le confieren resistencia frente al aumento de estreses hídrico y térmico previstos; y por permitir, a su vez, evaluar y mejorar las plantaciones truferas, al estar en relación directa con el sistema productivo de la trufa, y por tanto, tener importantes implicaciones económicas.
Para ello, en la tesis se comienza analizando el papel de la encina (Quercus ilex subsp. rotundifolia) como una especie mediterránea que puede soportar una intensa sequía estival gracias a una alta resistencia a la cavitación más allá del cierre estomático. Además de las limitaciones estomáticas, las limitaciones mesofílicas y bioquímicas a la captación de CO2 también podrían aumentar en la encina bajo sequía. Sin embargo, ningún estudio ha abordado cómo los factores hidráulicos y no hidráulicos pueden limitar la recuperación de la fotosíntesis tras rehidratación después de inducir una pérdida del 50% de la conductividad hidráulica por estrés hídrico. En este primer estudio de la tesis se midieron los parámetros fotosintéticos, la embolia nativa del xilema y la concentración de ácido abscísico (ABA) en encinas con niveles crecientes de estrés hídrico edáfico y después de siete días de recuperación tras haber regado de nuevo la planta. El estrés hídrico causó una fuerte disminución en la asimilación neta de CO2 (AN), en la conductancia estomática y del mesófilo (gs y gm), y en la velocidad máxima de carboxilación de la Rubisco (Vcmax). El cierre estomático podría estar inducido por el rápido incremento registrado en la concentración de ABA. El alto nivel de embolia medido en el xilema explicó la fuerte regulación a la baja de gs incluso después de un nuevo riego. Por este motivo, sólo se observó una recuperación parcial del AN a pesar de que los factores no hidráulicos no limitaron la recuperación de AN, ya que i/la concentración de ABA disminuyó fuertemente y ii/ gm y Vcmax recuperaron sus valores originales tras rehidratación. Por lo tanto, el modelo de limitación hidráulico-estomático de la fotosíntesis estaría implicado en la recuperación parcial de la AN, con el fin de evitar la embolia generalizada del xilema bajo eventos de sequía posteriores que podrían comprometer la supervivencia de la encina.
En segundo lugar, se plantea que las sequías extremas y los eventos de calor, producidos frecuentemente en los climas mediterráneos, inducen anomalías en los flujos de CO2 ecosistema-atmósfera. Para mitigar las consecuencias sobre los bosques y la agricultura, los gestores deben tener un mejor conocimiento del ecosistema mediante el seguimiento del estado de las plantas. El estado hídrico se observa comúnmente midiendo el potencial hídrico, pero cuando el evento extremo ha terminado, este parámetro no puede mostrar a los gestores la recuperación de otros procesos fisiológicos como la fotosíntesis. Para abordar este problema, se ha evaluado el estado hídrico y la capacidad fotosintética de Quercus ilex a lo largo de un evento intenso de estrés hídrico y una posterior rehidratación. La capacidad fotosintética se evaluó a través de los parámetros de fluorescencia de clorofila y los índices de reflectancia de la hoja. Se observó que todos los parámetros de fluorescencia cambiaron a medida que el potencial hídrico disminuía, y no se recuperaron completamente después de la rehidratación. Entre los índices de reflectancia, el índice de reflectancia fisiológico (IRP, en inglés photochemical reflectance index, PRI) varió de forma similar a la fluorescencia, obteniéndose una fuerte correlación con el quenching no fotoquímico (en inglés non photochemical quenching, NPQ). Se propuso utilizar el PRI para detectar el nivel de capacidad fotosintética en Quercus ilex, por su facilidad de manejo. También se concluyó que las sequías intensas y el estrés térmico no sólo podrían reducir la capacidad fotosintética a través de los cambios en los parámetros de fluorescencia de clorofila durante el periodo de estrés, sino que también podrían afectar a la capacidad fotosintética una vez recuperado el estado hídrico de la planta.
En tercer lugar, en la tesis se analiza cómo las altas tasas de déficit de presión de vapor de agua (DPV, en inglés vapor pressure deficit, VPD) pueden disminuir gravemente la productividad de las plantas al reducir la conductancia estomática, lo que podría agravarse durante los periodos estivales en climas mediterráneos debido al déficit hídrico del suelo. En este tercer estudio, se monitorizó la respuesta de Quercus ilex a los cambios en el VPD durante el verano para evaluar los efectos y consecuencias de ambos estreses hídricos (atmosférico y edáfico) en el intercambio de gases. Para ello se realizaron mediciones en árboles de una plantación experimental durante dos veranos consecutivos con déficit hídrico moderado, utilizando tres métodos diferentes: a nivel de hoja con un analizador de gases, utilizando una cámara de planta entera para un seguimiento a corto plazo a nivel de árbol, y midiendo la temperatura de la copa para un seguimiento a largo plazo. Los tres métodos proporcionaron relaciones negativas entre el VPD y la conductancia foliar con discrepancias probablemente asociadas a la escala de medición. En general, los resultados mostraron que el estrés hídrico atmosférico y el del suelo tenían un efecto aditivo. Bajo un óptimo estado hídrico del suelo, un aumento del VPD se vio parcialmente compensado por una reducción de la conductancia estomática, lo que dio lugar a un ligero aumento de las tasas de transpiración. Con déficit hídrico en el suelo, la respuesta al VPD se tradujo en una mayor disminución de la conductancia estomática, reduciendo la transpiración como estrategia de ahorro de agua. La disminución de la conductancia en respuesta al VPD fue transitoria, recuperándose los valores iniciales tan pronto como el VPD disminuyó, tanto en óptimas condiciones hídricas del suelo como en sequía. Debido a esta alta sensibilidad a la sequía atmosférica, las tasas máximas de ganancia de carbono de la encina se vieron restringidas a un rango ambiental reducido, lo que podría modular su rendimiento fisiológico y su distribución natural.
Por último, ante el hecho de que la sequía estival que caracteriza al clima mediterráneo incluye eventos de baja precipitación (por debajo de 1 mm) como una de las formas de precipitación más comunes, y aunque, estos eventos de baja precipitación se consideran insignificantes en términos del balance hídrico del suelo, éstos podrían desempeñar un importante papel ecofisiológico en los árboles, ya que podrían reducir el estrés de la planta a través de la humectación del dosel y una posterior absorción de agua vía foliar. En este cuarto estudio de la tesis, se monitorizó la respuesta a corto plazo de Quercus ilex a un evento de baja precipitación ocurrido durante el periodo estival. Para ello se midió el VPD, el potencial hídrico del suelo y de la planta, la conductancia foliar total (gt), la máxima eficiencia potencial del fotosistema II (FV/FM), y el PRI. Se detectó que, para un evento de lluvia de 0,6 mm, un aumento de la conductancia foliar medido justo antes de la propia lluvia podría ser atribuible exclusivamente a la disminución del VPD provocado por el cambio en las condiciones climáticas precedentes a la lluvia. Por el contrario, el aumento de la conductancia foliar registrado durante y con posterioridad a la lluvia pudo ser atribuible a la combinación del descenso en el VPD mas una posible absorción de agua por las hojas, que provocó una recuperación parcial del FV/FM y del PRI. Así pues, las tormentas de baja precipitación podrían tener una importancia significativa a la hora de considerar el balance hídrico de una especie vegetal concreta al igual que otros fenómenos naturales, como la niebla o el rocío, ya considerados especialmente importantes en entornos sometidos a sequías temporales.
Abstract (other lang.):
Pal. clave: cambio climático ; ciencias agrarias ; fisiología vegetal ; botánica
Titulación: Programa de Doctorado en Ciencias Agrarias y del Medio Natural
Plan(es): Plan 508
Knowledge area: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 30 05 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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