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XI Simposio Hispano-Portugués de Relaciones Hídricas en las Plantas

Sevilla, 17-20 de septiembre de 2012


Por un mejor uso y distribución del agua

Sevilla, 17 - 20 de Septiembre de 2012

Libro de Resúmenes



COMITÉ ORGANIZADOR

Presidente: José Enrique Fernández Luque Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (CSIC)

Secretario: Antonio Díaz Espejo Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (CSIC)

Vocales: Alfonso de Cires Segura Facultad de Biología (Universidad de Sevilla)

Mari Cruz Díaz Barradas Facultad de Biología (Universidad de Sevilla)

José Luis Muriel Fernández Centro Las Torres-Tomejil (IFAPA)

Luis Villagarcía Saiz Universidad Pablo de Olavide

COMITÉ CIENTÍFICO

Maria João Carreira Universidade do Algarve

Alfonso de Cires Segura Universidad de Sevilla

Mª Victoria Cuevas Sánchez IRNAS, CSIC

Mari Cruz Díaz Barradas Universidad de Sevilla

Antonio Díaz Espejo IRNAS, CSIC

José Enrique Fernández Luque IRNAS, CSIC

José Luis Muriel Fernández IFAPA

Alfonso Pérez Martín IRNAS, CSIC

Mari Carmen Ruiz Sánchez CEBAS, CSIC

Arturo Torrecillas Melendreras CEBAS, CSIC

José Manuel Torres Ruiz IRNAS, CSIC

Luis Villagarcía Saiz UPO



PATROCINADORES



LOCALIZACIÓN

El simposio tendrá lugar en el Paraninfo de la Universidad de Sevilla (17 de septiembre) y en el Pabellón de México (18 - 20 de septiembre).

Paraninfo de la Universidad de Sevilla Calle San Fernando 4, 41004 Sevilla

Pabellón de México Paseo de las Delicias s/n 41013 Sevilla

Programa

Día Hora Actividad

17 20.00-22:30 Acto inaugural. Paraninfo de la Universidad de Sevilla (antigua Fábrica de Tabacos, C/ San Fernando, 4). Autoridades universitarias y del CSIC. Miembros del Grupo de RR.HH. en las Plantas y organizadores del Simposio.

Copa de bienvenida. Patio del Rectorado de la Universidad de Sevilla (antigua Fábrica de Tabacos).

Inscripción de participantes El resto de las sesiones tendrán lugar en el Pabellón de México (Paseo de las Delicias, s/n)

18 Desde 8.30 Inscripción de participantes

9.00-9.15 Apertura del simposio

9.15-10.00 Moderador: Luis Villagarcía Saiz

Conferencia inaugural. Aquaporins: how water channel proteins favour plant life in an ever changing environment. Christophe Maurel. INRA-Montpellier, Francia

Sesión 1. Aspectos fisiológicos y moleculares de las relaciones hídricas en plantas

10.00 a 11.00 Impact of irrigation regime on berry development and flavonoids composition in Aragonez (Syn. Tempranillo) grapevine. Zarrouk O., R. F., Pintó-Marijuan M., Brossa R., Santos R.R., Pinheiro C., Costa J.M., Lopes C., Chaves M.M.

Water use efficiency (WUE) and carbon-isotope composition (δ13C) in grapevine. Bchir A., Gallé A., Escalona J.M., Medrano H.

Genotypic variation in soluble carbohydrate contents of the last stem internode among recombinant chromosome substitution lines (RCSLs) of barley under long-term drought stress. Méndez A.M., Pérez P., Martínez-Carrasco R., Morcuende R.

11.00 a 11.30 Café

11.30 a 13.10 Moderador: Alfonso de Cires Segura

Evaluación de la respuesta fotosintética e hídrica durante el día y concentración iónica de plantas de evónimo regadas con agua regenerada con altos niveles de salinidad. Gómez-Bellot M.J., Nortes P.A., Gonçalves K.S., Acosta J.R., Ortuño M.F., Sánchez-Blanco M.J.

Día Hora Actividad

18 Portuguese wild beet ecotypes (Beta vulgaris ssp. maritima): physiological performance under drought and salinity and genetic affinities. Ribeiro I.C., Pinheiro C., Ribeiro C., Veloso M., Paulo O., Ricardo C.P.

Photosynthetic response of Arabidopsis plants overexpressing (OE) or antisense (AS) for the patatin-like gene AtpPLAIIα to water deficit. Vieira da Silva I., Bernardes da Silva A., Alcântara A., Marques da Silva J., Arrabaça J. D., Matos A. R.

Fagus sylvatica L. y cambio climático: contenido y actividad de la Rubisco ante el déficit hídrico y el incremento de la temperatura. Potentini Couput M.F., Erice Soreasu G., Irigoyen Iparrea J.J.

Ecophysiology of wild and domesticated tomatoes. Galmés J., Muir C.D., Molins A., Peguero-Pina J., Roldán E., Ponce J., Moyle L.C., Conesa M.À.

13.10-13.30 Pósteres (P01 a P12)

13.30-15.00 Almuerzo

15.00-15.45 Moderador: Jeroni Galmés Galmés

Charla invitada. Measuring & Modelling the Water Footprint of Fruit Production: Eco-verification & Adapting to Climate Change. Brent Clothier. Food Research, Nueva Zelanda.

Sesión 2. Relaciones hídricas en especies de interés agrícola

15.45-17.05 Efecto del estrés hídrico en la acumulación de ceras

epicuticulares en Brachypodium distachyon. de Andrés E.F., Casanova C., Soler C.

Using a process-based stomatal model in olive and its potential application to deficit irrigation studies. Rodriguez-Dominguez C.M., Buckley T.N., Fernández J.E., de Cires A., Rubio-Casal A.E., Cuevas M.V., Elsayed-Farag S., Martin-Palomo M.J., Muriel J.L., Perez-Martin A., Torres-Ruiz J.M., Diaz-Espejo A.

Using a virtual fruit tree model (QualiTree) for evaluating the effects of water stress on fruit sugar content. Validation with real data from a mid-late maturing peach cultivar. Mirás-Avalos J.M., Alcobendas R., Alarcón J.J., Valsesia P., Génard M., Nicolás E.

Physiological responses of drought-sensitive and drought-resistant Phaseolus vulgaris L. cultivars to water deficit stress. Silvestre S., Alcântara A., Carrasco A., Araújo S.S., Bernardes da Silva A., Marques da Silva J.

Día Hora Actividad

18 17.05-17.30 Café

17.30-18.50 Moderador: Emilio Nicolás Nicolás

Variabilidad radial y acimutal del flujo de savia en olivos plantados en seto. Elsayed-Farag S., Palomo M.J., Fernández J.E., Pérez-Martin A., Díaz-Espejo A.

Análisis de la eficiencia del uso del agua y del nitrógeno mediante la utilización de técnicas de discriminación isotópica en pomelo. Resultados preliminares. Romero-Trigueros C., Nortes P.A., Alarcón J.J., Querejeta J.I., Nicolás E.

Distribución radicular de tres portainjertos de vid en el suelo y relación con la disponibilidad hídrica. de Herralde F., Aranda X., Biel C., Savé R.

Average daily light interception determines leaf water use efficiency among different canopy locations in grapevine. Medrano H., Pou A., Tomás M., Martorell S., Gulías J., Flexas J., Escalona J.

19 9.00-9.45 Moderador: Mari Carmen Ruiz Sánchez

Charla invitada. Water deficit and plant performance: time scales of metabolic and physiological responses. Carla Pinhero. Universidade Nova de Lisboa, Portugal.

Sesión 2 (cont.). Relaciones hídricas en especies de interés agrícola

9.45-11.05 Indicadores alternativos al potencial hídrico para la determinación

de estrés hídrico en cítricos. Ballester C., Castel J., Jiménez-Bello M.A., Intrigliolo D.S., Castel J.R.

A non-invasive, plant-based probe for online monitoring of water stress in real-time under field conditions. Bitter R., Rüger S., Ehrenberger W., Fitzke R., Zimmermann U.

Research on automatic irrigation control. State of the art and recent results. Romero R.; Muriel J.L., Garcia I., Muñoz de la Peña D.

Low water stress conditions in table olive trees (Olea europaea L.) during pit hardening produced a different response of fruit and leaf water relations. Dell'Amico J.; Moriana A.; Corell M.; Girón I.; Morales D.; Torrecillas A., Moreno F.

11.05 a 11.30 Café

Día Hora Actividad

19 11.30 a 13.10 Moderador: José Luis Muriel Fernández

Pomegranate (Punica granatum L.) fruit response to different deficit irrigation conditions. Mellisho C.D., Egea I., Galindo A., Rodríguez P., Rodríguez J., Conejero W., Romojaro F., Torrecillas A.

Efectos a largo plazo del riego deficitario sostenido en la producción de cítricos en Andalucía occidental. García-Tejero I.F., Arriaga J., Durán-Zuazo V.H., Muriel-Fernández J.L.

Huella y eficiencia hídricas del melocotonero extratemprano con riego localizado. Vera J., López-Martínez L., Abrisqueta I., Conejero W., Abrisqueta J.M., Ruiz-Sánchez M.C.

Sustainable water management in a late season table grape in California. Abrisqueta I., Ayars J.E.

Relevancia del índice de cosecha de las plantas de trigo en su capacidad de respuesta al CO2 elevado. Erice G., Sanz-Sáez A., Araus J.L., Irigoyen J.J., Sánchez-Díaz M., Aranjuelo I.

13.10-13.30 Pósteres (P13 a P22)


15.00-16.00 Moderadora: Carmen Biel Loscos

Entrega del VII Premio Ibérico de Investigación en Relaciones Hídricas, por D. Carlos Martínez Bertrand, de Vías y Construcciones, S.A.

Conferencias del VII Premio Nacional de Investigación en Relaciones Hídricas en las Plantas.

Respuestas fisiológicas de la cebada a la interacción de la salinidad y el elevado CO2 -Prospección ante el cambio climático. Usue Pérez López

Conferencia del VII Premio Nacional de Investigación en Relaciones Hídricas en las Plantas.

Respuestas fisiológicas de la Vid al déficit hídrico y durante la recuperación: implicaciones en la eficiencia en el uso del agua. Alicia Pou

Sesión 2 (cont.). Relaciones hídricas en especies de interés agrícola

16.00-17.00 Evaporative cooling effects on tree transpiration.

Green S.R., Goodwin I., Cornwall D.

Día Hora Actividad

19 Potential changes in irrigation requirements and phenology of maize, apple trees and alfalfa under global change conditions in Fluvià watershed during XXIst century: results from a modeling approximation to watershed-level water balance. Savé R., de Herralde F., Aranda X., Pla E., Pascual D., Funes I., Biel C.

What are olive trees doing during a summer night at Alentejo - water potential, water redistribution and water reserves. Ferreira I., Conceição N., Fernández J.E., Nadezhdina N. Green S.

17.00-17.30 Café

17.30-18.30 Reunión de los Grupos de RR.HH. en las Plantas de la SEFV y

SPFV

20.00 Visita a centro histórico y copa

20 9.00-9.45 Moderador: Ismael Aranda García

Charla invitada. In honour of Professor Manuel Sánchez-Díaz, a pioneer in the study of plant-water relations. Manuel Becana. Aula Dei-CSIC, Zaragoza.

Sesión 3. Relaciones hídricas en especies no cultivadas y forestales

9.45-11.05 Dynamics of embolism formation in Eucalyptus pauciflora seedlings.

Martorell S., Díaz-Espejo A., Medrano H., Ball M.C., Choat B.

Xylem hydraulic traits and anatomy of two Mediterranean shrubs: Rhamnus ludovici-salvatoris and Rhamnus alaternus. El Aou-ouad H., López Rodríguez R.A., Venturas M.D., Martorell S., Medrano H., Lamarti A., Gulías J.

Some secrets of Argania spinosa water economy in a semiarid climate. Díaz Barradas M.C., Zunzunegui M., Esquivias M.P., Boutaleb S., Valera-Burgos J., Tagma T., Ain-Lhout F.

Calibracion de sondas ECH2O de humedad del suelo.

Usubelli A., Domene M., Rodrigo G., Cabot O., Ferrer F.

11.05 a 11.30 Café

11.30 a 12.50 Moderador: Mari Cruz Díaz Barradas

Efecto de la aplicación de aire caliente en el estado hídrico de acículas y tallos de cuatro especies del género Pinus. Pita P., López R.A., Gil L.

Día Hora Actividad

20 Functional and biochemical response to drought of 6 clones of Pinus pinaster Ait. de Miguel M., Sánchez-Gómez D., Guevara M.A., de María N., Mancha J.A., Barbero M.C., Díaz-Díez L., Cervera M.T., Aranda I.

Evaluación de diversos indicadores de tolerancia al estrés hídrico en Pinus radiata D. Don. De Diego N., Muñoz-Rueda A., Mena-Petite A., Moncaleán P., Lacuesta M.

Interactions between water stress and high temperatures on the pine wilt disease development in Pinus spp. Fernandes P., Mendes A., Fonseca L., Abrantes I., Máguas C., Correia O.

12.50-13.30 Pósteres (P23 a P32)


Sesión 3 (cont.). Relaciones hídricas en especies no cultivadas y forestales

15.00-15.40 Moderadora: Carla Pinheiro

Influencia del manejo del suelo en las relaciones ecohidrológicas de una plantación agroforestal. Biel C., Molina A.J., Aranda X., Llorens P., Savé R.

Efecto del déficit hídrico en la eficiencia en el uso del agua en especies mediterráneas útiles en el ajardinamiento de cubiertas verdes extensivas. Azeñas V.A., Conesa M.A., Medrano H., Gulías J.

15.40-16.40 Conferencia de Clausura. Respuestas fisiológicas de las plantas a componentes del cambio climático: CO2, temperatura, UV-B y sequía. Mecanismos e interacciones. Manuel Sánchez Díaz. Universidad de Navarra.

16.40-17.00 Clausura

21.00 Cena de despedida

Charlas invitadas



Conferencia Inaugural Martes 18

Aquaporins: how water channel proteins favour plant life in an ever changing environment

Christophe Maurel, Véronique Santoni, Doan-Trung Luu, Karine Prado, Guowei Li, Colette Tournaire-Roux, Moira Sutka, Yann Boursiac, Lionel Verdoucq, Michael Wudick

Biochemistry and Plant Molecular Physiology, Integrative Biology Institute for Plants, CNRS/INRA UMR5004, 2 place Viala, F-34060 Montpellier, France

Abstract.

Plants have to constantly adjust their water status during development and in response to sometimes very challenging environmental conditions. Uptake of soil water by roots and its delivery from xylem vessels to inner leaf tissues are crucial for maintaining the plant water status. The present talk will discuss how the integrated function and regulation of plant aquaporins can be addressed by a combination of genetic, molecular and physiological approaches. We will show how aquaporins contribute to water transport throughout the whole plant body and will dissect the signalling events and molecular mechanisms that govern aquaporin regulation. These phenomena allow a continuous adjustment of cell and tissue hydraulics, during development or in response to environmental stimuli.

Introduction

Although they are exposed to ever changing and sometimes challenging environmental conditions, higher plants can achieve remarkable metabolic and growth performance. For this, they have to precisely maintain their water status and failure to do so can dramatically impact their growth and ultimately their survival (Tardieu, 2005). The control of water flow in the soil-plant-atmosphere continuum and the fine-tuning of water transport within the plant body represent important mechanisms in these respects.

In most plant species, the transcellular transport of water can be facilitated by water channel proteins named aquaporins. These proteins belong to the ubiquitous superfamily of Major Intrinsic Proteins (Maurel et al., 2008). They insert as tetramers in cell membranes to form four individual pores, which allow the passage of water, small neutral molecules or gases (Maurel et al., 2008). In plants, aquaporins fall in 4 to 5 homology subfamilies, among which the Plasma membrane Intrinsic Proteins (PIPs) represent the most abundant aquaporins at the plasma membrane. PIPs are divided into two subgroups (PIP1 and PIP2) with five and eight isoforms, respectively, in Arabidopsis thaliana.



Genetics of plant aquaporins

Knock-out mutants of Arabidopsis thaliana for PIPs were used to dissect water transport functions of this class of aquaporins in roots and leaves (Javot et al, 2003; Postaire et al, 2010). In the latter case, we recently showed that three isoforms (AtPIP1;2, AtPIP2;1, AtPIP2;6), that are expressed in leaf veins mostly, contribute to hydraulic conductivity of the rosette. Water permeability measurements in protoplasts isolated from various leaf tissues and specific expression of aquaporins in these tissues was also used to establish the limiting role of veins in leaf hydraulics. In roots, mutant analysis revealed distinct contribution of specific PIP isoforms to osmotic and/or hydrostatic modes of water uptake. In addition, the variation of root hydraulic architecture and of aquaporin expression in natural accessions of Arabidopsis provided complementary insights into the role of specific cell layers and aquaporin isoforms in root water uptake (Sutka et al, 2011).

Plant aquaporin regulation

Aquaporins are also crucial for adjusting cell and tissue hydraulics in response to various environmental stimuli. A variety of mechanisms involving transcriptional control (Alexandersson et al, 2005; Maathuis et al, 2003), stimulus-induced internalisation of PIPs (Boursiac et al, 2008a), or regulated channel opening and closing (gating) by cytosolic calcium, cytosolic protons, or aquaporin phosphorylation has been revealed (Boursiac et al, 2008a; Törnroth-Horsefield et al, 2006; Tournaire-Roux et al, 2003; Verdoucq et al, 2008). Several studies have highlighted the role of Reactive Oxygen Species (ROS)-dependent signalling paths in the response of roots and leaves to water stress, anoxia or changes in irradiance. The effects of ROS on phosphorylation, gating and sub-cellular trafficking of aquaporins have also been described (Boursiac et al, 2008b; Prak et al, 2008). The precise mechanisms and routes of ROS- and salt stress-dependent trafficking of PIPs were recently dissected in root cortical cells. Both salt stress and ROS were shown to enhance the cycling of PIPs between the plasma membrane and endosomes (Luu et al, 2012)(Wudick et al., unpublished). The compartmentalization of these proteins in microdomains, their dynamic properties in these domains, and the molecular components involved in their constitutive cycling will be discussed. These studies provide insights into cell-specific responses and mechanisms involved in the early response of plants to salt stress.

In Arabidopsis thaliana, the hydraulic conductivity of the rosette is controlled by the light regime and is the highest during the night (Postaire et al, 2010). The mechanisms of PIP regulation during this process were investigated at the cell, tissue and organ levels by water permeability measurements on isolated protoplasts or rosettes, subcellular localization studies by multiphotonic microscopy and proteomics. Quantitative phosphoproteomics revealed light-dependent changes in AtPIP2;1 phosphorylation at two C-terminal sites. In planta complementation using AtPIP2;1 mutants deregulated at these sites was used to demonstrate a phosphorylation-dependent activity of AtPIP2;1. This approach provides the first genetic evidence for a direct role of aquaporin phosphorylation in plant tissue hydraulics.

Besides environmental stimuli, auxin was found to regulate aquaporin expression and hydraulic conductivity in roots. An integrated model will be presented,



showing how this hormonal regulation can be connected to a novel role for a PIP isoform in lateral root emergence. Whilst water transport and its regulation are known to dramatically affect the growth of leaves and primary roots (Ehlert et al, 2009), these findings identify a new context in which plant growth is hydraulically limited.

Conclusion and perspectives

Plants have to find a compromise between water loss by transpiration and photosynthetic assimilation of atmospheric CO2. Therefore, the finding that some plant aquaporins are permeable to gases such as CO2 is of prime importance to address their function in plant leaves. The alteration of mesophyll conductance to CO2 in some PIP knock-out mutants (Heckwolf et al, 2011) will be discussed with regard to a model whereby PIPs facilitate CO2 diffusion across the membranes of mesophyll cells. In conclusion, a wide range of selectivity profiles and regulation properties allows aquaporins to be integrated in numerous functions, throughout plant development, and during adaptations to variable living conditions. In particular, the possible coupling of tissue hydraulics with growth and carbon assimilation provides unique research perspectives in plant integrative biology.

References Alexandersson E, Fraysse L, Sjovall-Larsen S, Gustavsson S, Fellert M, Karlsson M, Johanson U, Kjellbom P (2005) Whole gene family expression and drought stress regulation of aquaporins. Plant Mol Biol 59: 469-484

Boursiac Y, Boudet J, Postaire O, Luu DT, Tournaire-Roux C, Maurel C (2008a) Stimulus-induced downregulation of root water transport involves reactive oxygen species-activated cell signalling and plasma membrane intrinsic protein internalization. Plant J 56: 207-218

Boursiac Y, Prak S, Boudet J, Postaire O, Luu D-T, Tournaire-Roux C, Santoni V, Maurel C (2008b) The response of Arabidopsis root water transport to a challenging environment implicates reactive oxygen species- and phosphorylation-dependent internalization of aquaporins. Plant Signal Behav 3: 1096-1098

Ehlert C, Maurel C, Tardieu F, Simonneau T (2009) Aquaporin-mediated reduction in maize root hydraulic conductivity impacts cell turgor and leaf elongation even without changing transpiration. Plant Physiol 150: 1093-1104

Heckwolf M, Pater D, Hanson DT, Kaldenhoff R (2011) The Arabidopsis thaliana aquaporin AtPIP1;2 is a physiologically relevant CO2 transport facilitator. Plant J 67:795-804

Javot H, Lauvergeat V, Santoni V, Martin-Laurent F, Guclu J, Vinh J, Heyes J, Franck KI, Schäffner AR, Bouchez D, Maurel C (2003) Role of a single aquaporin isoform in root water uptake. Plant Cell 15: 509-522

Luu DT, Martinière A, Sorieul M, Runions J, Maurel C (2012) Fluorescence recovery after photobleaching reveals high cycling dynamics of plasma membrane aquaporins in Arabidopsis roots under salt stress. Plant J 69: 894-905

Maathuis FJ, Filatov V, Herzyk P, Krijger GC, Axelsen KB, Chen S, Green BJ, Li Y, Madagan KL, Sanchez-Fernandez R, Forde BG, Palmgren MG, Rea PA, Williams LE, Sanders D, Amtmann A (2003) Transcriptome analysis of root transporters reveals participation of multiple gene families in the response to cation stress. Plant J 35: 675-692



Postaire O, Tournaire-Roux C, Grondin A, Boursiac Y, Morillon R, Schäffner T, Maurel C (2010) A PIP1 aquaporin contributes to hydrostatic pressure-induced water transport in both the root and rosette of Arabidopsis. Plant Physiol 152: 1418-1430

Prak S, Hem S, Boudet J, Viennois G, Sommerer N, Rossignol M, Maurel C, Santoni V (2008) Multiple phosphorylations in the C-terminal tail of plant plasma membrane aquaporins. Role in sub-cellular trafficking of AtPIP2;1 in response to salt stress. Mol Cell Proteomics 7: 1019-1030

Sutka M, Li G, Boudet J, Boursiac Y, Doumas P, Maurel C (2011) Natural variation of root hydraulics in Arabidopsis grown in normal and salt stress conditions. Plant Physiol 155: 1264-1276

Tardieu F (2005) Plant tolerance to water deficit: physical limits and possibilities for progress. C R Geoscience 337: 57-67

Törnroth-Horsefield S, Wang Y, Hedfalk K, Johanson U, Karlsson M, Tajkhorshid E, Neutze R, Kjellbom P (2006) Structural mechanism of plant aquaporin gating. Nature 439: 688-694

Tournaire-Roux C, Sutka M, Javot H, Gout E, Gerbeau P, Luu DT, Bligny R, Maurel C (2003) Cytosolic pH regulates root water transport during anoxic stress through gating of aquaporins. Nature 425: 393-397

Verdoucq L, Grondin A, Maurel C (2008) Structure-function analysis of plant aquaporin AtPIP2;1 gating by divalent cations and protons. Biochem J 415: 409-416



Charla invitada Martes 18

Measuring & Modelling the Water Footprint of Fruit Production: Eco-verification & Adapting to Climate Change

Brent Clothier1,2, Steve Green1, Indika Herath1,2, Carlo van den Dijssel1, Alistair Hall1, Greg Dryden3 & Mike Butcher4

1 Plant & Food Research, Palmerston North, New Zealand [email protected] 2 Massey University, Palmerston North, New Zealand 3 Fruition Horticulture, Nelson, New Zealand 4 Pipfruit NZ, Hastings, New Zealand

ABSTRACT

Water will be the critical resource of the 21st century. The water footprint of a good or service can be used as an indicator of the sustainability of water usage. A water footprint assesses the impact of the life cycle of a product, or a service, on the scarcity and quality of water resources. Supermarket chains are increasingly demanding ‘eco-verification’ of their products in their quest to attract more consumers. We describe a rational protocol for assessing the water footprint of an export apple produced in New Zealand. The thrifty water imperative for agriculture will be ever more challenging and will require nimble responses to climate changes that will affect the demand for, and the supply, of available water. We outline the magnitude of the adaptations needed for wine-grape production in Marlborough

INTRODUCTION

Water footprints are touted as indicators of the influence of primary products on water scarcity and water quality. We have developed a hydrological approach to water footprinting that extends the methods developed by the Water Footprint Network (WFN), and the stress-weighted approach of Ridoutt and Pfister (2010). We link our footprint to hydrological phenomena in the water cycle and discuss this for apple production in New Zealand’s main growing regions of Hawke’s Bay, Tasman and Central Otago. Our approach is underpinned by measurements and a survey of the water used for irrigation by growers. We also considered direct and indirect water uses in the orchard and in the packhouse and coolstore

Finally we discuss how climate change might affect the demand for irrigation, and the supply of water to groundwater. The impacts of climate change on the water needs and supply for grapes in Marlborough were modelled. Two climate-change scenarios were considered; the IPCC A2 ‘high’ scenario, and the ‘low’ B1 scenario (Clothier et al., 2012).



MEASUREMENTS AND SURVEY

From our research in the Hawke’s Bay on a range of horticultural crops, including apples, we present some key results to show the good understanding of the water and nutrient dynamics we have obtained. We also have the ability to model these through our SPASMO (Soil Plant Atmosphere System Model) framework. The orchard site was flat and a well-drained Heretaunga silt loam. Heat-pulse sensor enabled direct measurement of transpiration over the season (Figures 1), and our modelling was able to predict the daily pattern of tree water use over the season.

So that we could better understand the amounts of water currently being used by growers for irrigation, we carried out a survey of irrigation usage in Hawke’s Bay. The results are presented in Figure 2 for the 4 years from 2008 to 2011. These results show that irrigation water-use is temporally variable and depends on the seasonal weather. But also there is large grower-to-grower variation in the application of irrigation, which will depend on the local soil type, as well as the individual grower’s attitude to irrigation. This means that water footprint calculations, even for a small and seemingly homogeneous region, will possess a high degree of natural variation.

LIFE CYCLE ASSESSMENT AND METHODOLOGY

The functional unit we consider here is a kilogram of apples at the coolstore gate awaiting export. Thus the system boundary, as shown in red (Figure 3), encompasses the orchard phase, plus that of the packhouse and coolstore. There are three water colours associated with the water footprint of a product: the green water of the water stored in soil, the blue water stored in lakes, streams and groundwaters and used for irrigation, plus the grey water of the changed water quality of the leachate from the rootzone. Our focus here is only on water quantity, so we just discuss the green-water (GFP), and blue water footprints (BFP).

Deurer et al. (2011) and Herath et al. (2011) proposed a hydrological method for considering the water footprint of goods and services. This considers all hydrological flows in the system. The precipitation (P) is a vital input, as is the drainage and runoff return of both blue and green water to the blue water resource (B) in irrigated systems (DI, RI ) (Figure 4). We account for all mass flows and storages of water, and consider the net water balance of the soil water store as GFP and the net water balance of groundwater as BFP.

RESULTS

The SPASMO modelling of these flows was carried out. Irrigation in SPASMO was carried out whenever the soil water content dropped to the refill point, and a standard aliquot of water was applied. The water balances of the irrigated apple orchards across the various zones of the three regions are shown in Figure 5. As rainfall decreases from Tasman, though Hawke’s Bay, to Central Otago, the need for irrigation rises from 195 mm in Tasman, through 222 mm in Hawke’s Bay, to 350 mm in Central Otago. These values of predicted irrigation, using optimal scheduling in SPASMO are similar those measured on average in the surveys by Fruition Horticulture (Figure 2.). The



drainage and runoff returns to the blue-water resource (B) tracks the trend in rainfall between regions. It is highest in Tasman.

In the orchard phase, we consider the green water footprint, GFP is essentially near zero, as we found from our measurements that every year the rootzone soil-water content returns to field capacity in winter. On national average, the blue-water footprint BFP is -3.3 l/kg, thanks in large part to the contribution from apples in Tasman where rainfall well exceeds evaporation and transpiration (Figure 5). Indeed because of the greater need for irrigation in the low rainfall region of Central Otago, the blue water footprint there is quite large averaging 48.0 l/kg. However, this contribution is diluted nationally because of the dominance of Tasman, and Hawke’s Bay in the production of export apples.

We also considered the water footprint of the energy used in the packhouse and coolstore (Figure 3), as well as the water footprint of the packaging material. Electricity and cardboard dominate the water footprint values of the inputs into the packhouse and coolstore. The full hydrological analysis for New Zealand’s hydropower (Herath et al. 2011) provides a water footprint of just 0.58 l/kg of apples for the electricity used in the packhouse and coolstore. For the cardboard packaging pulped from trees grown in the Central North Island of New Zealand, there is 262.1 mm of groundwater recharge under the trees, every year for 28 years of their growth prior to harvest. Following the hydrological analysis of Deurer et al. (2011) and Herath et al. (2011), we would then estimate that the water footprint of paper is -327 l/kg due to the forest production phase. So when this is all added together, we estimate that the water footprint of paper is -137 l/kg.

From the sum of GFP + BFP we consider that the water footprint of export apple production in New Zealand is slightly negative, but for practical purposes it is essentially zero (Table 1). That is, as much water is returned to the blue water resource (B) by winter rains, as is withdrawn for irrigation in summer. We conclude therefore that export apple production in New Zealand appears sustainable with regard to water quantity. Nonetheless, there is burgeoning pressure on our water resources, and apples growers, along with all others, must be encouraged to reduce further their usage of, and impacts on our water resources.

CLIMATE CHANGE

To assess the impact of climate change on irrigation demand, and the potential supply of groundwater, we considered the two climate change scenarios of B1 (low) and A2 (high). These scenarios have been scaled down to the local level in New Zealand using finer resolution Regional Climate Models. The SPASMO modeling for these scenarios was centred on 2050, but encompassed the results of daily simulations from 2030 to 2070. Account is taken of 5 local grape-growing soils in Marlborough. The need for irrigation is strongly dependent on the soil’s ability to hold water, such that deep soils with a high value of plant-available water require less irrigation.



Depending upon soil type, under scenario A2 the irrigation allocations at PE80 (80% probability of exceedance) will increase. On the deeper soils it increases from 12mm to 52mm (Figure 7). On soils of lower water-holding capacity it rises by about 10% from 177mm to 195mm, as a result of the balance between the new pattern of water demands and the changed water supply of summer rainfall.

Drier conditions in Marlborough will increase the need for irrigation water. Whether there will be enough water available for this increased demand will depend upon how the aquifers will be recharged in the future. Our modelling of drainage recharge (DI) indicates there is likely to be a small reduction in groundwater resupply under the two future scenarios. Recharge to the blue-water resource (B) decreases from the current 187 (±91) mm, to 178 (±87) mm under scenario B1, and to 173 (±101) mm for scenario

A2. Although these changes might seem small, the increased demand which is of the order of 40 mm/yr means that it is likely that there will be greater pressure on water resources. Reducing the water footprint of production will be an imperative.

REFERENCES

Clothier, B.E., A. Hall, and S.R. Green. 2012. Horticulture. In A. Clark and R. Nottage (eds.), Enhanced climate change impact and adaptation evaluation for New Zealand’s primary sectors, Technical Report to MAF, NIWA, Wellington (in press).

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Ridoutt, B. G., and Pfister, S. (2010). A revised approach to water footprinting to make transparent the impacts of consumption and production on global freshwater scarcity. Global Environmental Change-Human and Policy Dimensions 20, 113-120.



Figure 1. Daily sap flow (red symbols) and modelled transpiration losses (blue line) for apple trees at the Close orchard near Whakatu in the 2010 harvest year. Sap flow data were integrated over the day (midnight to midnight), and are expressed in units of mm (=L/m2) assuming 1900 trees per hectare. The ‘consumptive’ water use of these trees over the full year is calculated to be 650 mm/yr. Soil and inter-row evaporation was estimated to be 200 mm/yr.

Figure 2. The probability of exceedence of water-use of apple irrigation in orchards in the Hawke’s Bay region. The growing seasons of 2010 and 2011 were much wetter than normal, and so average water use was about half the amount of the other two years.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

Nov Dec Jan Feb Mar Apr May

Tra

nsp

ira

tion

[mm

/d]

Apple - Pink Lady

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 100 200 300 400 500 600

Pro

ba

bili

ty o

f exc

ee

de

nce

Annual Irrigation [mm/yr]

2008 2009 2010 2011



Figure 3. The life cycle of export apples from New Zealand showing in red the system boundary that we consider here for the water footprint calculations.

Figure 4. The hydrological flows of water in the orchards of rain-fed apples (left) and irrigated apples with frost fighting (right). These flows were all modelled using the SPASMO model (Soil Plant Atmosphere System Model). Here Tc

R is the transpiration from a rainfed apple tree EsR is

the soil-water evaporation from the inter-row of a rainfed orchard. The precipitation is P and interception losses directly from the canopy is PL, and RR and RI are the respective surface run-off losses from rainfed and irrigated orchards which that eventually find their way back to the blue water resources (B). The drainage and runoff are returned back to groundwater as DR and DI respectively. Water is drawn from groundwater for irrigation (I).

EsR

TcR

Blue Water Resource (B)

I

DI

RI

PL

IrrigatedApples

P



Figure 5. The key components of the water balance for irrigated orchards in the main apple growing districts in New Zealand averaged over the time period of 1973-2010. The components are the precipitaion (P), irrigation (I), the evapotranspiration of the soil-plant-atmosphere system as given by the sum of tree transpiration (TI

c) plus soil and inter-row evaporation (EIS), and the

net recharge from drainage below the root zone (DI) and run-off (RI) from the soil surface. The bars represent the standard error of the regional mean, as determined by the long-term average for 3-7 sub-regions within each district.

Figure 6. The water footprint of New Zealand export apples (orchard phase) as calculated using a hydrological method for irrigated orchards in the three regions. The error bars are measure of the variation within the various zones of each region, and the variability between soils within each zone.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Tasman Hawkes Bay Otago

Water balance com

ponent

[mm/yr]

P I TC + ES D + R



Table 1. A summary of hydrological approach used to calculate the water footprint of New Zealand’s export apples. Orchard Phase Footprint

(l/kg) Packhouse-Coolstore Footprint (l/kg)

Total Footprint (l/kg)

Green/Blue Footprint

(GIFP + BI

FP)

-1.3 -4.0 -5.3

Figure 7. The effect of climate change on the annual irrigation requirements of grapes in Marlborough as a function of the soil’s storage of plant-available water (mm). The markers represent the annual average, and the ‘error bars’ represent the PE80 value which has an 80% chance of meeting the vines’ needs.

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200

Irri

ga

tion

req

uir

em

en

t [m

m/y

r]

Plant available water [mm/m]

current B1 scenario A2 scenario



Charla invitada Miércoles 19

Water deficit and plant performance: time scales of metabolic and physiological responses

Pinheiro C.1, Ribeiro I.C.1, Dodd I.C.2, António C.3,4, Mariott A.3, Pintó-Marijuan M1., Rodrigues M.A.A.1, Machado A.1, Bicho C.1, Ortuño M.F.1,5, Ricardo, C.P.1, Chaves M.M.1, Wilson J.C.3, Thomas-Oates J.3

1 Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa, Av. da República, 2780-157 Oeiras, Portugal. [email protected] 2 Lancaster Environment Centre, Lancaster University, Lancaster, LA1 4YQ, UK 3 Department of Chemistry, University of York, Heslington, York YO10 5DD, UK 4 current address: Max-Planck-Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam, Germany 5 current address: CEBAS-CSIC, Campus Universitario de Espinardo, Murcia, España

ABSTRACT

Plants perceive and respond to alterations in soil water content via a series of physiological, cellular, and molecular events that develop in parallel. The modulation of carbon sensing and signaling by progressive soil water deficit was investigated in Arabidopsis thaliana (a model plant) and Thellungiella salsuginea (an extremophile). Our working hypothesis is that the combined alterations in hormone and carbohydrate levels play an important role in the stress response mechanism. After withholding water, the rate of soil water depletion was similar for Arabidopsis and Thellungiella for 2 days, then (days 3-5) Arabidopsis plants took up more water from the soil (5-10%). At similar soil water contents, Arabidopsis and Thellungiella performance were quite distinct, and were accompanied by distinct effects on the rosette carbohydrate metabolism and ABA levels (related to timing and magnitude of response). The direct comparison of these two contrasting plant systems offers the possibility to improve understanding of physiological and biochemical drought-related mechanisms.

INTRODUCTION

Understanding the mechanisms of drought tolerance in order to maintain plant productivity poses a major scientific challenge (Bressan et al., 2009; Pinheiro and Chaves, 2011). Significant advances have resulted by studying Arabidopsis, a well characterized and widely used model plant in molecular research (Cramer et al., 2011; Pinheiro and Chaves, 2011) but available information is mostly transcription-based. Furthermore, Arabidopsis is not described as a drought tolerant plant. Thellungiella salsuginea is a close relative of Arabidopsis (also a member of the agriculturally important Brassicacea), which exhibits higher stress tolerance than its relative (Amtmann, 2009; Bressan et al., 2009). The use of two closely related species with contrasting responses to drought may allow differentiation of tolerance and injury, thereby identifying tolerance pathways. Furthermore, linking physiology, biochemistry



and molecular biology is essential in plant stress biology (Bressan et al., 2009; Cramer et al., 2011).

Our work has highlighted carbon status and hormone balance as major players in the response to progressive drought. The earliest alterations in carbohydrate metabolism and hormonal balance were associated with lower leaf conductance and unchanged plant water status, suggesting that water deficit is perceived before decreases in plant water status (Pinheiro et al., 2011). We have proposed a mechanism to discriminate between environmental fluctuation and steady, progressive soil water deficit (Pinheiro et al., 2011). The mechanism implies plant responses to different degrees of drought and the need to make daily adjustments (Sulpice et al., 2009; Boyer, 2010). Although abscisic acid (ABA) accumulation is triggered in response to stress, other metabolic alterations are also involved in the drought decision-making mechanism(s) (Chaves et al., 2009; Sulpice et al., 2009; Cramer et al., 2011; Pinheiro et al., 2011). Critical events leading to a given physiological response can result from progressive and cumulative changes in carbon metabolism (Pinheiro et al., 2011). We aimed to verify the existence of such pattern in Arabidopsis and Thellungiella.

MATERIAL AND METHODS

Plant growth and drought imposition: Seed priming (imbibition in petri dish with hydrated 3MM paper) was performed in the dark at 4ºC for 3 days (Arabidopsis) and 14 days (Thellungiella). The experiments were conducted in a growth chamber (12h

photoperiod, temperature 20º/24ºC, 40-50% relative humidity, 240mol m-2 s-1 average

photosynthetically active radiation).

Soil water content, plant water status and photosynthetic performance: taken every other day, gas exchange measurements (Li-6400, Li-Cor), the soil water content and the relative water status were determined as previously described (Pinheiro et al., 2011).

Carbohydrate analysis: Following chloroform/methanol extraction, water soluble sugars and starch were determined as previously described (Pinheiro et al., 2011).

Abscisic acid determination: Immunological quantification of aqueous tissue extracts determined (Quarrie et al. 1988) using the monoclonal antibody AFRC MAC 252.

Multivariate analysis: Principal component analysis (PCA) was carried out using the R software (version 2.13.1) and the ade4 package (Chessel et al., 2004).

RESULTS

The progressive decline in soil water content was reflected in decreasing plant water status, but in a species specific way. Based on the relative water content (leaf, root) and plant biomass it was possible to distinguish Arabidopsis from Thellungiella on the 1st component axis of the PCA plot (Fig. 1). The rate of soil water depletion was similar for both species during the initial days of treatment, having no effect on leaf relative water content. However, biochemical analysis revealed that Arabidopsis and Thellungiella had differences in starch, sugar and ABA concentrations when both species experienced the same soil water content (Fig. 1B & Fig. 2).



Sucrose, glucose and raffinose were detected in the water-soluble carbohydrate fraction in all samples. Glucose was the most abundant sugar in both species, but its concentration was higher in Thellungiella. Raffinose levels were much lower than those

of glucose and sucrose (nmol g-1 DW versus mol g-1 DW), and more abundant in Arabidopsis. Carbohydrate metabolism was affected earlier than either leaf relative water content or ABA levels. The pattern of ABA response was distinct in both plants, with greater ABA accumulation (and persistence after rewatering) in Arabidopsis, while rewatering Thellungiella returned ABA values to control values after 24h (Fig. 2). Arabidopsis and Thellungiella were able to recover from drought, the plant water status being restored 24h after rewatering (Fig. 2).

DISCUSSION AND CONCLUSION

The earliest responses to progressive soil water deficit in Arabidopsis and Thellungiella were lower leaf conductance and altered carbon metabolism (starch and sugar levels), which occurred prior to detecting changes in leaf relative water content. On the other hand, (foliar) ABA concentrations were only observed once plant water status was affected. These findings are similar to that observed for Lupinus albus (Pinheiro et al., 2011). However, the timing and magnitude of these physiological responses differed between L. albus and the two species considered here. These differences can be related with the survival ability and with the mechanism used by each plant to cope with lower water availability. Since soil water deficit is slowly imposed and both plants are able to survive severe drought, distinct pathways of acclimation can be highlighted. The physiological relevance and the implications for plant survival need to be explored in order to extract critical information on drought tolerance.

ACKNOWLEDGEMENTS

This work was partially supported by the Treaty of Windsor (Anglo-Portuguese Joint Research Programme, B-18/08).

REFERENCES

Amtmann (2009). Learning from ….abiotic stress tolerance in plants. Mol. Plant 2:3-12.

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Quarrie et al. (1988). A monoclonal antibody….. lupin leaves. Planta 173: 330-339

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Figure 1. Principal component analysis (PCA) using as variables: A) the leaf and root relative

water content (RWC) and the plant dry weight (DW) of Arabidopsis (At) and Thellungiella (Th)

submitted to progressive soil water deficit; B) leaf and root relative water content (RWC), the

leaf conductance, ABA, glucose, sucrose, raffinose and starch concentration. d0 – day zero

(onset of the assay); WD1 – 1day after withholding water; WD3 – 3days after withholding water;

WD5 – 5days after withholding water.



Figure 2. Progressive soil water deficit effects (relative to control plants) on Arabidopsis and

Thellungiella water status, leaf conductance, carbohydrate levels (starch, sucrose, raffinose and

glucose) and abscisic acid (ABA) levels.



Charla invitada Jueves 20

In honour of Professor Manuel Sánchez-Díaz, a pioneer in the study of plant-water relations

Becana M.

Departamento de Nutrición Vegetal, Estación Experimental de Aula Dei, CSIC, Apartado 13034, 50080 Zaragoza, Spain

ABSTRACT

In this talk, I will give an overview of the human profile and scientific achievements of Prof. Manuel Sánchez-Díaz, on the occasion of his retirement after more than 40 years of service in several academic and research institutions, especially in the University of Navarra (Pamplona, Spain). During his remarkable career, he has worked in different aspects of water stress in cereals, legumes, and grapevine using ecophysiological and biochemical approaches. In Spain, Manuel was a pioneer of studies in plant physiology and, particularly, in plant-water relations. The subjects of his research included, to name a few, the effects of rhizobial and mycorrhizal symbioses, antioxidant defenses, and high carbon dioxide-temperature interactions on the water stress tolerance of plants. All of us, who have had the immense pleasure and privilege to work with him, will miss his honest support and timely advice but will be comforted by his enduring friendship.

THE EARLY YEARS

Manuel was born in Cádiz (1941) and graduated in Biology at the University of Barcelona (1965). He then moved to the Instituto de Edafología y Biología Vegetal (CSIC) in Madrid to initiate his PhD studies under the supervision of Prof. González Bernáldez, the first full professor of terrestrial ecology in Spain. In 1968 Manuel defended his PhD on the responses of sorghum and maize leaves to drought, and moved to Duke University (North Carolina, USA) to perform postdoctoral studies under the supervision of Prof. Paul Kramer, a world leader on plant-water relations. He worked at Duke for nearly two years on the higher drought tolerance of sorghum compared to maize (Sánchez-Díaz and Kramer, 1971). Moving back to Spain in 1972, Manuel obtained a permanent post as scientific collaborator in the same CSIC Institute and was soon appointed as an associate professor at the University of Bilbao. In 1975, he carried out a second visit to the US, this time as visiting professor at Stanford University, under the supervision of Prof. Harold Mooney, to work on plants endemic to the Death Valley (Sánchez-Díaz and Mooney, 1979). In 1977, Manuel was promoted to full professor at the University of Santiago de Compostela and one year later he decided to settle down at the University of Navarra, where he was appointed Head of the Plant Physiology Department.



A LONG TIME AT THE UNIVERSITY OF NAVARRA

An outstanding aspect of Manuel’s scientific and personal virtues was his capacity to simultaneously implement laboratory infrastructures, coordinate research and teaching duties, and develop new research activities revolving round plant-water relations. The first of these activities at the University of Navarra was focused on the physiological response of important forage legumes, such as alfalfa and clover, to water and salt stress (Aparicio-Tejo et al. 1980; Sánchez-Díaz et al. 1982). These studies were central to the two first PhDs supervised by Manuel and paved the way for further research on nitrate assimilation in legume nodules and its interaction with nitrogen fixation. Over the 1980-1995 period, Manuel’s lab produced a significant number of papers on nitrogen and carbon metabolism in nodules experiencing water stress (Becana et al. 1986; Aguirreolea and Sánchez-Díaz, 1989; Irigoyen et al. 1992), but also on various other subjects, including the effects of herbicides on legume physiology (Muñoz-Rueda et al. 1986) and some incursions into the field of bryology (Martínez-Abaigar et al. 1994). In that period, the lab was also involved in a series of papers about the alleviating effect of arbuscular mycorrhizal fungi on drought-stressed legumes (Peña et al. 1988) and the role of antioxidant enzymes and metabolites in the protection of symbiotic nitrogen fixation (Becana et al. 1988). The 1996-2005 decade was also very productive, with studies revealing the beneficial effect of drought on chilling tolerance in maize (Irigoyen et al. 1996; Ribas-Carbó et al. 2000; Aroca et al. 2003) and the influence of mycorrhizae in the hormonal status of drought-stressed alfalfa (Goicoechea et al. 1996; 1998). This period was also characterized by studies showing Manuel’s major concern about the adaptation of legumes to stress factors typical of Mediterranean environments (Sánchez-Díaz, 2001) and by the initial reports of his lab on grapevine physiology (Baigorri et al. 2001) and on the availability of heavy metals for plants in arid soils (Pascual et al. 2004). In the last period of Manuel’s intense research activity, 2006-2012, work continued into the interaction between water deficits and soil amendments with sewage sludge and their effects on a number of important agronomical, microbiological, physiological, and biochemical parameters such as plant yield, microbial soil populations, photosynthesis, nitrogen assimilation, and antioxidant protection (Antolín et al. 2010). However, if I had to define the keywords for his research in this period, I would choose, with no doubt, ‘global climate change’. Considering Manuel’s background knowledge on Mediterranean stressful factors, mainly high temperature combined with episodic drought, the introduction of high CO2 levels as an additional environmental concern, according to prediction models of climatic change, was a logical complement for his studies on plant-water relations. Manuel’s group engaged in a series of studies on the effects of simulated climate change (high CO2 and temperature, and moderate drought) on photosynthesis, carbon partitioning, N2 fixation, and antioxidants in alfalfa (Aranjuelo et al. 2007; Erice et al. 2007), showing, for example, that photosynthetic downregulation under high CO2 can be prevented by supplying nitrogen to nodulated plants (Sanz-Sáez et al. 2010). Similar studies on the effects of climate change on ripening (Salazar et al. 2010) and antioxidant responses (Salazar et al. 2012) were conducted with grapevine. For these studies of grapevine under water stress conditions, it is noteworthy that a very innovative experimental setting was implemented in the lab (Antolín et al. 2010).



SUMMING UP

By looking at the representative references cited above (and to the references therein and the authors involved), it is easy to conclude that Manuel has been a prolific professor, with more than 160 articles (over 100 SCI) and several chapters in textbooks of plant physiology, considered to be basic to studies of plant-water relations. It is also not surprising that Manuel has guided more than thirty students through their PhDs, most of whom are now professors at universities or CSIC. He has participated in several international committees, especially COST actions, and was one of the founders of the Spanish Society of Plant Physiology (SEFV) and its president in 2005-2009. He founded and was coordinator of the section of plant-water relations of the SEFV in 1992-1997 and 2002-2004. He was also group leader of the Associated Unit between the University of Navarra and two centers of CSIC (Estación Experimental de Aula Dei and Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino).

ACKNOWLEDGEMENTS

I thank Jone Aguirreolea, Juan José Irigoyen, and Jesús Val for kindly supplying photos of the early, and not so early, days. Because of space limitations, this contribution is not intended to provide an exhaustive account of Manuel’s scientific activities, but to provide an overview of his research lines, illustrated with some representative references, throughout his prolific career. Therefore, I apologize to those colleagues and friends whose work I have been unable to cite.

REFERENCES

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Aranjuelo et al. (2007) Effect of elevated temperature and water availability on CO2 exchange and nitrogen fixation of nodulated alfalfa plants. Environ Exp Bot 59: 99-108.

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Conferencia del VII Premio Nacional de Investigación en RRHH Miércoles 19

Respuestas fisiológicas de la cebada a la interacción de la salinidad y el elevado CO2 -Prospección ante el cambio climático-

Pérez-López Usue*.

Departamento de Biología Vegetal y Ecología, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco (UPV/EHU). *Contacto: [email protected]

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

El estrés salino constituye para la agricultura mundial uno de los más importantes estreses abióticos. Las altas concentraciones salinas son, además, un fenómeno que puede ser agravado por la sequía y/o por las prácticas agrícolas de riego con agua de escasa calidad. El alto contenido en sales provoca tanto toxicidad iónica como estrés osmótico dando lugar a un desequilibrio en la homeostasis celular de la planta, lo que conduce a un descenso del rendimiento de los cultivos1, 2, 3. Por otro lado, junto con el aumento de la superficie salina, se prevé que para finales del siglo XXI la concentración de CO2 atmosférica alcance niveles que dupliquen los actuales4. Si bien el elevado CO2 conduce a un mayor crecimiento de la planta por mayores tasas fotosintéticas y mayor eficiencia en el uso del agua, estos efectos positivos están sujetos a otras limitaciones ambientales como la salinidad5, 6.

La cebada es uno de los cultivos de mayor importancia a nivel mundial, siendo el cuarto cereal más cultivado después del trigo, maíz y arroz. A pesar de ser una especie tolerante a la salinidad, ha mostrado descensos en su rendimiento, observándose diferencias entre cultivares.

Con esta perspectiva, resulta de extraordinaria importancia conocer la respuesta fisiológica de la cebada a las condiciones climáticas futuras donde la planta encontrará suelos salinos en atmósferas enriquecidas en CO2. Además, se quiere conocer si existen cultivares que se adapten mejor a esas condiciones combinadas y si se pueden identificar indicadores de tolerancia frente a la salinidad y el elevado CO2. Para lograr estos objetivos se ha trabajado con dos cultivares de cebada (Hordeum vulgare cv. Alpha y cv. Iranis) crecidos bajo distintas concentraciones salinas (0, 80, 160 y 240 mM NaCl) y a la concentración actual de CO2 o a la que se prevé para el futuro. La respuesta fisiológica se ha analizado a diferentes escalas, partiendo de planta entera hasta llegar a nivel bioquímico, determinando parámetros de relaciones hídricas, metabolismo fotosintético, metabolismo antioxidante, nutrición mineral, metabolismo del nitrógeno, crecimiento y calidad. Para el desarrollo de este estudio han sido analizados más de 800 artículos científicos de relevancia internacional.

1Rivelli y cols. (2002) Funct Plant Biol 20: 1065-1074.

2Parida y Das (2005) Ecotox Environ Safe 60: 324-349. 3Rodríguez y cols. (2005) Env Exp Bot 53: 113-123.



4IPCC (2007) http://www.ipcc.ch. 5Chaves y cols. (2011) Adv. Bot. Res. 57: 49-104. 6Sánchez-Díaz y cols. (2002) Photosynthetica 40: 415-421.

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

En la figura 1 se describe un resumen gráfico con los resultados más sobresalientes de la Tesis Doctoral.

Fig. 1. Efecto de la [CO2] y de la salinidad [240 mM NaCl] en los cultivares de cebada Alpha (A) e Iranis

(B) en los diversos parámetros fisiológicos analizados. Los % de cambio toman como referencia basal el

valor absoluto de cada parámetro bajo condiciones control y CO2 ambiental.



A continuación paso a describir los resultados más relevantes de la Tesis, agrupados por procesos fisiológicos, haciendo hincapié en aquellas conclusiones más novedosas.

1) El impacto del estrés salino en el estado hídrico de la cebada es mitigado parcialmente por el elevado CO2, debido, en parte, a una mayor capacidad de realizar ajuste osmótico y una menor pérdida de elasticidad

Se ha constatado una clara interacción entre el estrés salino y el aumento del CO2 en lo que respecta al estado hídrico de la planta de cebada y, consecuentemente, se pone de manifiesto que el elevado CO2 se asocia con la mejora del estado hídrico de las plantas de cebada estresadas por salinidad. Estos hechos se deben a que cuando la cebada crece bajo el efecto simultáneo de estrés salino y elevado CO2, ambos cultivares 1) presentan un ajuste osmótico superior que a CO2 ambiental, como consecuencia de una mayor tasa de fotosíntesis y una acumulación de iones (Na+ y Cl-

) tomados del suelo, azúcares y otros metabolitos, y 2) ven disminuida la deshidratación pasiva debido al cierre estomático. De esa manera mantienen un potencial de turgencia mayor, un contenido hídrico relativo más alto y una mayor eficiencia en el uso del agua. El grado de esta respuesta depende del cultivar analizado, marcando así grados de tolerancia a la salinidad entre los diferentes cultivares. Además, se ha observado una alta correlación entre la eficiencia en el uso del agua y la discriminación isotópica del 13C, pudiendo utilizar éste último como indicador de la eficiencia en el uso del agua (Pérez-López y cols., 2009a; 2010a).

2) El elevado CO2 reduce las limitaciones, tanto estomáticas como

fotoquímicas, provocadas por la salinidad en la fotosíntesis de los cultivares de cebada

En condiciones salinas, la tasa de fotosíntesis disminuye, sobre todo debido a las limitaciones estomáticas. A medida que la concentración salina se incrementa las limitaciones fotoquímicas y bioquímicas también aumentan, debido, en parte, al aumento en la atenuación no-fotoquímica y al descenso en el rendimiento del PSII. El elevado CO2 mejora el comportamiento fotosintético de las plantas sometidas a estrés salino mediante el incremento de la difusión del CO2 hacia el interior de la hoja, a pesar de la menor apertura de los estomas, contribuyendo también al incremento de los sumideros de electrones, lo cual estimula el reciclaje de los nucleótidos de piridina reducidos (NADPH). Por lo tanto, en esa circunstancia se reducen las limitaciones tanto estomáticas como fotoquímicas y bioquímicas impuestas por la salinidad. Todo ello conduce a un mejor mantenimiento de la fotoquímica y la bioquímica de la fotosíntesis a elevado CO2 (Pérez-López y cols., 2012b).



3) El estrés oxidativo causado por la salinidad en los cultivares de cebada es mitigado por el aumento de la concentración de CO2

La salinidad causa estrés oxidativo incrementando la producción de especies de oxígeno reactivo, pudiendo inducir daños celulares. De nuestros resultados se deduce que, bajo salinidad y a CO2 ambiental, se produce una regulación al alza de los enzimas antioxidantes como la SOD, la APX, la CAT, la DHAR y la GR y de los metabolitos antioxidantes como el ascorbato. Sin embargo, esta estimulación de dichas actividades enzimáticas no era suficiente para contrarrestar por completo la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS), ya que se produce tanto pérdida electrolítica como peroxidación lipídica. Cuando las plantas de cebada crecen simultáneamente a elevado CO2 y bajo estrés salino el daño oxidativo observado es menor, sobre todo en el cultivar Alpha, juntamente con una menor inducción del sistema antioxidante. Así pues, nuestros estudios confirman que el elevado CO2 mitiga el estrés oxidativo causado por la salinidad, implicando menores tasas de generación de ROS y un mejor mantenimiento de la homeostasis redox como consecuencia de una más alta tasa de asimilación y menor tasa de fotorrespiración, siendo además tal respuesta dependiente del cultivar (Pérez-López y cols., 2009b; 2010b).

4) La salinidad y la concentración de CO2 interactúan afectando a la

nutrición mineral de la cebada

El elevado CO2 incrementa el crecimiento vegetal mientras que no aumenta en la misma proporción la toma de iones. Como consecuencia de estos dos hechos, de alguna manera contrapuestos, se registran menores niveles de iones en los tejidos por un efecto de dilución. Sin embargo, no existe correlación entre las tasas de toma de nutrientes y de agua por lo que demostramos que la tasa de transpiración no es el único factor que regula la tasa de toma de nutrientes. Bajo condiciones de elevado CO2 y salinidad, la tasa de toma de N, B y K+ es superior que a CO2 ambiental, como consecuencia de una mayor fracción de raíces finas y de una mayor cantidad de esqueletos carbonados, lo que podría permitir una mayor disponibilidad de ATP, necesario para la toma de nutrientes (Pérez-López y cols., Interactive effects of CO2 enrichment and salt stress on nutrient uptake and translocation rates and on its content, en redacción).

5) El efecto de la salinidad en el metabolismo del N en cebada es modulado

por el nivel de CO2 de la atmósfera

El elevado CO2 produce cambios notables en el metabolismo del N, aumentando las tasas de toma y translocación de nitrógeno, así como incrementando las actividades nitrato reductasa y glutamina sintetasa. Las actividades máxima y real de la nitrato reductasa se ven muy afectadas por la salinidad. Cuando la salinidad se da bajo una atmósfera con elevada concentración de CO2, los efectos en el metabolismo del N se ven moderados. Bajo salinidad, el elevado CO2 mejora el



metabolismo del nitrógeno a través de mayores tasas de toma, reducción y asimilación del nitrógeno, mostrando niveles superiores de composición isotópica de 15N y proteínas. Así, las plantas crecidas a concentraciones elevadas de CO2 ven mitigados muchos de los efectos que la salinidad tiene sobre el metabolismo del nitrógeno, lo que les permite ser más eficientes en el uso del nitrógeno y obtener un mayor desarrollo, y muestra a la cebada como una especie capaz de adaptarse a las condiciones climáticas futuras (Pérez-López y cols., 2012c, en revisión Env. Exp. Bot.).

6) La reducción del crecimiento de la cebada provocado por la salinidad es,

en parte, contrarrestada por el elevado CO2

La disminución del crecimiento causada por la salinidad se debe, por un lado, a la disminución del componente funcional, provocada por una menor tasa fotosintética y mayores tasas de respiración y, por otro lado, debido a la reducción en el componente morfológico, originada por el descenso del potencial de pared y desequilibrios nutricionales. En condiciones de elevado CO2, el colapso de ambos componentes es menor que el registrado a CO2 ambiental. El menor descenso del componente funcional a elevado CO2 se debe a que la planta es capaz de sintetizar más biomasa seca por área, consecuencia de una mayor tasa fotosintética. El menor descenso del componente morfológico a elevado CO2 sugiere una menor reducción de la expansión foliar, debido a un potencial de pared más elevado. Estos hechos abren la posibilidad de que, en un futuro, esta especie tenga un desarrollo exitoso en zonas salinas en las que hoy en día el crecimiento no es posible (Pérez-López y cols., Growth and its underlying components as affected by elevated CO2 and increasing salt concentrations, en redacción).

7) ¿Son exclusivas de la cebada estas respuestas?

Las tendencias descritas hasta ahora se han detectado en cebada pero quisimos saber si estas tendencias se podían extrapolar también a otras especies y, por tanto, se realizó una revisión bibliográfica de los resultados detectados en otras especies también sometidas a salinidad y elevado CO2. Las conclusiones más relevantes de esta revisión fueron que en condiciones de elevado CO2, cada especie sigue una estrategia específica para tolerar el estrés salino. Sin embargo, la mayoría de estas estrategias se basan en mecanismos relacionados con la regulación activa (1) del potencial hídrico y la conductancia estomática, (2) del metabolismo fotosintético, y (3) de otros mecanismos de tolerancia. El punto clave es que a elevado CO2 todos estos mecanismos parecen estar favorecidos debido a un mayor gradiente de CO2 entre el exterior e interior de la hoja, lo que se traduce en una mayor difusión del CO2 al interior de la hoja, a pesar de menores conductancias tanto estomática como del mesofilo, provocando un incremento de la Ci y la tasa fotosintética. La mayores tasas fotosintéticas y la menor conductancia estomática implican (1) una mayor disponibilidad de azúcares y ATP para un mayor ajuste osmótico, (2) una menor tasa de transpiración, (3) un menor riesgo de estrés oxidativo, y (4) una mayor



disponibilidad de proteínas y otros componentes para crear redes de antioxidantes más eficaces. Sin embargo, el otro punto clave es que la mayoría de estos mecanismos que se ven favorecidos a elevado CO2 son energéticamente costosos. Por esta razón, en algunas especies, la mayor tasa fotosintética o el mejor estado hídrico no siempre se correlacionan con una mayor producción de biomasa. Así, la interacción entre el estrés salino y el elevado CO2 se basa en las características intrínsecas de cada especie y parece ser el resultado de (1) un compromiso entre la fotosíntesis y las tasas de respiración (costo de la tolerancia a la sal), y (2) la capacidad de controlar la conductancia estomática (Pérez-López y cols. 2012a).

PUBLICACIONES DERIVADAS DE LA TESIS DOCTORAL

Pérez-López, U., Robredo, A., Lacuesta, M., Mena-Petite, A., Muñoz-Rueda, A., 2009a. The impact of salt stress on the water status of barley plants is partially mitigated by elevated CO2. Environ. Exp. Bot. 66, 463-470.

Pérez-López, U., Robredo, A., Lacuesta, M., Sgherri, C., Muñoz-Rueda, A., Navari-Izzo, F., Mena-Petite, A., 2009b. The oxidative stress caused by salinity in two barley cultivars is mitigated by elevated CO2. Physiol. Plant. 135, 29-42.

Pérez-López, U., Robredo, A., Lacuesta, M., Muñoz-Rueda, A., Mena-Petite, A., 2010a. Atmospheric CO2 concentration influences the contributions of osmolyte accumulation and cell wall elasticity to salt tolerance in barley cultivars. J. Plant Physiol. 167, 15-22.

Pérez-López, U., Robredo, A., Lacuesta, M., Sgherri, C., Mena-Petite, A., Navari-Izzo, F., Muñoz-Rueda, A., 2010b. Lipoic acid and redox status in barley plants subjected to salinity and elevated CO2. Physiol. Plant. 139, 256-268.

Pérez-López, U., Mena-Petite, A., Muñoz-Rueda, A., 2012a. Interaction between salinity and elevated CO2: a physiological approach. In: Lüttge, U., Beyschlag, W., Büdel, B., Francis, D. (eds.), Progress in Botany, Volume 73, Part III Physiology. Springer, Heidelberg, pp. 97-126.

Pérez-López, U., Robredo, A., Lacuesta, M., Mena-Petite, A., Muñoz-Rueda, A., 2012b. Elevated CO2 reduces stomatal and metabolic limitations on photosynthesis caused by salinity in Hordeum vulgare. Photosynth. Res. 111, 269-283.

Pérez-López, U., Robredo, A., Miranda-Apodaca, J., Lacuesta, M., Muñoz-Rueda, A., Mena-Petite, A., 2012c. Carbon dioxide enrichment moderates salinity-induced effects on nitrogen acquisition and assimilation and their impact on growth in barley plants. Environ. Exp. Bot., en revisión.




Respuestas fisiológicas de la Vid al déficit hídrico y durante la recuperación: implicaciones en la eficiencia en el uso del agua

Alicia Pou

Grup de Recerca en Biologia de les Plantes en Condicions Mediterrànies. Departament de Biologia, Universitat de les Illes Balears. Carretera de Valldemossa Km 7.5, 07122 Palma de Mallorca (Balears), Spain.

[email protected]

La disponibilidad de agua y la creciente falta de recursos hídricos, es un problema permanente en la agricultura mediterránea y resulta en una clara limitación para la producción de los cultivos y la distribución de comunidades naturales.

La viña es un cultivo extenso y económicamente importante en el mundo, pero sobretodo en Europa y España. Nuestro país posee la mayor superficie de cultivo de Vid en el mundo (1.100.000 ha), con una gran importancia económica (1000-1500 M€, lo que supone mas del 10% de la producción agraria), social (con unos 400.000 productores, lo que constituye una herramienta de fijación de la población rural) y ambiental – paisajística. Este cultivo está implantado en amplias regiones como cultivo de secano, donde el riego se hace cada vez más necesario para regularizar y mejorar los rendimientos. La escasez de recursos hídricos en estas zonas obliga a optimizar su uso y en definitiva a conocer mejor las respuestas de la vid frente al déficit hídrico. La extensión e importancia de este cultivo y el creciente uso del riego, generan una preocupación en cuanto a la sostenibilidad ambiental de esta práctica e incrementa la importancia de conseguir una mayor eficiencia en el uso del agua (EUA) en este cultivo.

En esta Tesis se han estudiado en el ámbito de la Ecofisiología, las respuestas de la Vid al déficit hídrico y concretamente se ha profundizado en un aspecto poco conocido como es el de la recuperación tras riego. Con esta finalidad, se han llevado a cabo en plantas mantenidas en exterior, en maceta, durante un período de estrés hídrico (moderado y/o severo), una aclimatación y una recuperación tras riego, medidas del estatus hídrico de la planta, conductividad hidráulica, transpiración y conductancia estomática, fotosíntesis, y conductancia del mesófilo, y un análisis exhaustivo de la expresión de acuaporinas. También se ha abordado un estudio conjunto de los flujos de agua y carbono y de los mecanismos de control a fin de disponer de un mejor entendimiento de diferentes aspectos de la regulación de estos flujos y de sus efectos sobre la eficiencia del uso del agua a nivel foliar.

En el presente trabajo se observa una regulación diferenciada en cuanto a las respuestas de la Vid durante la aclimatación al estrés hídrico y la recuperación tras riego. Ambas regulaciones presentan importantes diferencias entre si y con respecto a la dinámica obtenida durante un estrés hídrico progresivo. Así pues, existen una serie



de mecanismos fisiológicos y moleculares, que de manera conjunta, colaboran para conseguir una fina regulación del cierre estomático, de la fotosíntesis y que conllevan a una mejora de la eficiencia en el uso del agua. Concretamente se ha destacado el importante papel de la conductividad hidráulica a nivel de hoja y de planta entera, así como el de la conductancia del mesófilo al CO2, como mecanismos claves de esta regulación. Además, ambos factores se encuentran relacionados con la actividad de algunas acuaporinas (proteínas de membrana), que juegan también un papel importante en la adaptación al estrés hídrico y sobretodo durante la recuperación.

Durante la fase de estrés hídrico, la fotosíntesis y la apertura estomática son fuertemente reducidas como consecuencia de las elevadas concentraciones de ácido abcísico (ABA) en el xilema y a la disminución de la conductividad hidráulica (Pou et al., 2008). Además del cierre estomático, la reducción de la conductancia del mesófilo, aun no siendo tan limitante, también es responsable de la disminución de la fotosíntesis (Flexas et al., 2009), aunque el resultado global es un incremento de la eficiencia en el uso del agua a nivel foliar. Además, se sugiere la implicación de algunas de las acuaporinas analizadas en la regulación de la conductividad hidráulica y la conductancia del mesófilo durante la imposición del estrés hídrico (Galmés et al., 2007; Pou et al., enviado).

Durante el período de aclimatación, una persistente disminución de ambas conductancias (estomática y del mesófilo) limita la fotosíntesis y la transpiración aunque conduce a la obtención de una mayor EUA (Pou et al., 2008; Flexas et al., 2009).

Finalmente, al volver a aplicar el riego, se observa que el grado y la velocidad de recuperación varían en función de la intensidad y la duración del estrés hídrico previamente impuesto (Pou et al., 2008; Flexas et al., 2009). La recuperación de la conductancia del mesófilo, es más rápida que la recuperación de la conductancia estomática por lo que esta segunda resulta la principal limitante de la recuperación de la fotosíntesis. Además, durante la recuperación, cabe destacar el incremento en la expresión de algunas de las acuaporinas estudiadas, que podrían influir en una más rápida recuperación de la conductividad hidráulica (Galmés et al., 2007; Pou et al., enviado).

En resumen, los resultados de esta Tesis revelan que durante el estrés hídrico y la recuperación, el cultivo de la Vid responde con una fina regulación estomática que, juntamente con la regulación de la conductancia del mesófilo y un importante papel de la conductividad hidráulica (y por lo tanto, de algunas acuaporinas) permite minimizar la pérdida de agua por transpiración y maximizar la eficiencia en el uso del agua.

Bibliografía

Flexas J., Baron M., Bota J., Ducruet J.M., Galle A., Galmés J., Jimenez M., Pou A., Ribas-Carbo M., Sajnani C., Tomas M., Medrano H. (2009). Photosynthesis limitations during water stress acclimation and recovery in the drought-adapted Vitis hybrid Richter-110 (V. berlandieri x V. rupestris). Journal of Experimental Botany 8, 2361-2377.



Galmés J., Pou A., Alsina M.M., Tomàs M., Medrano H., Flexas J. (2007). Aquaporin expression in response to different water stress intensities, acclimation and recovery in Richter-110 (Vitis sp.): relationship with ecophysiological status. Planta 3, 671-681.

Pou A.*, Ferrio J.P*, Flores-Sarasa I., Gessler A., Kodama N., Ribas-Carbó M., Flexas J., Medrano H. (2011). Oxygen isotope enrichment in leaf water reflects changes with drought progression in leaf hydraulic conductivity and mesophyll conductance for CO2 in grapevine (*AP and JPF contributed equally to this work) Plant, Cell & Environment 35, 611-625.

Pou A., Flexas J., Alsina M.M., Bota J., Carambula C., Herralde F., Galmés J., Lovisolo C., Jiménez M., Ribas-Carbó M., Rusjan D., Secchi F., Tomàs M., Zsófi Z., Medrano H. (2008). Adjustments of water-use efficiency by stomatal regulation during drought and recovery in the drought-adapted Vitis hybrid Richter-110 (V. berlandieri x V. rupestris). Physiologia Plantarum 2, 313-323.

Pou A., Flexas J., Martorell S., Tomàs M., Medrano H. (2011). Water use efficiency during drought and recovery in grapevines: differential behaviour of three cultivars. Acta Horticulturae (Accepted).

Pou A., Medrano H., Flexas J., Tyerman S.D. (2012). Dynamics of leaf hydraulic conductance in chardonnay under water stress and re-watering and the relationship with aquaporin expression and function (sended to Plant, Cell & Environment).

Pou A., Medrano H., Tomàs M., Martorell S., Ribas-Carbó M., Flexas J. (2012). Anisohydric behaviour in grapevines results in better performance under moderate water stress and recovery than isohydric bahaviour. Plant & Soil DOI: 10.1007/s11104-012-1206-7).



Conferencia de clausura Jueves 20

RESPUESTAS FISIOLÓGICAS DE LAS PLANTAS A COMPONENTES DEL CAMBIO CLIMÁTICO: CO2, TEMPERATURA, UV-B Y SEQUÍA. MECANISMOS E INTERACCIONES

Manuel Sánchez-Díaz

Dpto de Biología Vegetal. Sección Biología Vegetal (Unidad Asociada al CSIC, EEAD Zaragoza e ICVV Logroño)

Facultades de Ciencias y Farmacia, Universidad de Navarra, Pamplona

ABSTRACT

The general scientific consensus is that a significant change in world climate will occur during the present century, largely because of an increased concentration of greenhouse gases in the atmosphere. The most important gas is CO2, which is increasing by about 0.5 % per year. It is predicted that average temperature of the earth surface will increase by 2ºC, and precipitation will also increase in high latitudes but will decrease in low latitudes. Plant growth can be stimulated by elevated CO2. Photosynthesis increases and economic yield is often enhanced with changes in active tissue quality (wider C/N ratio) and effects on community dynamics. The application of more CO2 can increase plant water use efficiency and result in less water use. Global change is a multifactorial process, involving not only rising atmospheric CO2 concentration, but also other important components such as global warming and UV-B radiation in association with variations in precipitations. How the CO2 effects on plants and ecosystems are regulated by such stress factors has not been carefully examined. In that respect, manipulative experiments which allow to test interactive, additive impacts which commonly cannot be differentiated in field environment observations, will be a grand challenge in environmental plant physiology.

1. INTRODUCCIÓN

El aumento en las concentraciones de CO2, el calentamiento, la disminución en la disponibilidad de agua, así como el incremento en la radiación UV, son algunos de los factores más importantes del cambio global que afectan actualmente a los ecosistemas. A partir de las predicciones del IPCC, al final del presente siglo la concentración de CO2 podrá alcanzar los 700 µmol mol-1 y el calentamiento resultante conllevará un aumento de temperatura de hasta 4ºC (IPCC, 2007). Los modelos predicen que el incremento global estará distribuido de una manera desigual y que habrá cambios en los patrones de precipitación, lo cual provocará un aumento en el déficit hídrico edáfico en muchas áreas. De esta forma, aunque las plantas puedan beneficiarse del aumento del CO2, también podrán sufrir sequía, estrés térmico o efectos debidos a un aumento en la radiación UV.



Se ha progresado mucho en la comprensión de cómo los diferentes factores de estrés implicados en el cambio climático afectan a las plantas cuando se aplican de forma individual. Sin embargo, se conoce menos acerca de cómo sus interacciones podrán afectar a las plantas, comunidades y al funcionamiento de los ecosistemas. Sin duda, todo ello constituirá un aspecto esencial de la investigación en fisiología vegetal en el futuro.

2. SISTEMAS EXPERIMENTALES PARA EL ESTUDIO DEL EFECTO EN LAS PLANTAS DEL ENRIQUECIMIENTO EN CO2 Y DE OTROS COMPONENTES DEL CAMBIO CLIMÁTICO

Los efectos del cambio climático son difíciles de estudiar experimentalmente. Ello es debido a limitaciones tanto de tiempo como de espacio, así como a la dificultad de incluir fenómenos atmosféricos de retroacción. Se han desarrollado numerosas metodologías con el fin de simular los efectos del CO2 elevado sobre las plantas (Rawson et al., 1995; Pepin y Körner, 2002; Tuba et al., 2003; Uprety et al., 2006; Aranjuelo et al., 2005c; Mauri, 2010). Entre ellas, son de destacar:

1.- Experimentación en condiciones controladas

a) Cámaras de crecimiento

b) Invernaderos con simulación de condiciones naturales

2.- Experimentación en campo

a) Cámaras a cielo abierto (Open Top Chambers, OTC)

b) Invernaderos de Gradiente Térmico (IGT)

c) Sistemas de enriquecimiento en CO2 en campo abierto (Free Air Carbon

Dioxide Enrichment, FACE)

d) Ramas embolsadas

e) Emisiones naturales de gases

Los OTC y FACE son los que más se aproximan a situaciones naturales, aunque en ellos sólo es posible el control de los niveles de CO2, siendo técnicamente difícil controlar la temperatura. Por otra parte, la principal ventaja de los IGT es que al estar divididos en compartimientos, posibilitan la existencia de un gradiente de temperatura y, por tanto, incorporan el efecto indirecto del CO2.

3. EFECTOS DEL CO2 ELEVADO

3.1 Crecimiento

El CO2 estimula la fotosíntesis, conduciendo a un aumento en la absorción y asimilación del carbono, aumentando por lo tanto el crecimiento de la planta. Sin embargo, cuando las plantas crecen continuamente en CO2 elevado, tienen lugar cambios bioquímicos, morfológicos y fisiológicos que disminuyen la capacidad fotosintética, de manera que, en general, los grandes incrementos iniciales no se mantienen a largo plazo. Este fenómeno se conoce como aclimatación a la baja o “down regulation” de la fotosíntesis. Las causas principales son la acumulación de hidratos de carbono y la disminución en actividad y concentración de la Rubisco. No



obstante, en algunos casos como por ej., durante el rebrote de plantas noduladas de alfalfa (Erice et al., 2006; 2007), o también en plantas fijadoras de N2, suplementadas con nitrato amónico y crecidas en CO2 elevado (Sanz-Sáez et al., 2010), no se produce dicho fenómeno.

Aunque el aumento de la fotosíntesis en condiciones de CO2 elevado estimula el crecimiento en la mayoría de las plantas, se ha visto que este aumento varía según posean la vía fotosintética C3 (33 - 40%) o C4 (10 -15%). El CO2 elevado aumenta el rendimiento de plantas C3 mediante estimulación de la fotosíntesis, reducción de la fotorrespiración y disminución de la conductancia estomática. Sin embargo, la naturaleza de la respuesta de las plantas C4 al CO2 elevado es más controvertida. Evidencias recientes a partir de experimentos con FACE y OTC, apoyan el argumento de que el CO2 elevado no estimula directamente la fotosíntesis de las plantas C4 , sino que lo hace a través de una mejora en el estado hídrico del suelo (Lecain et al., 2003; Morgan, 2011). Las predicciones sobre rendimiento de los cultivos en un futuro son excesivamente optimistas, ya que suponen que el CO2 estimulará directamente la fotosíntesis en todas las situaciones (Leuzinger et al., 2011).

Para que las plantas utilicen un mayor nivel de CO2 atmosférico, han de tener la capacidad de almacenar los hidratos de carbono adicionales producidos (Rogers et al., 1994; Runion et al., 2011); de lo contrario, se acumularán en forma de compuestos carbonados (por ejemplo, azúcar, o almidón), que terminarán originando inhibición de la fotosíntesis (Sánchez-Díaz, 2004). Por lo tanto, la limitación en la capacidad de los sumideros puede restringir aumentos de la fotosíntesis y del crecimiento en un mundo con CO2 elevado.

Se ha demostrado que el CO2 elevado puede alterar el reparto del carbono (Prior et al., 2011) e inducir una distribución preferencial de fotosintetizados hacia los órganos subterráneos. Ello provoca un aumento en la relación raíz/parte aérea, con mayores raíces principales y aumento en el número y tamaño de las raíces laterales (Del Castillo et al., 1989; Rogers et al., 1994, 1996; Prior et al., 1995). Cuando los niveles de CO2 son elevados, los recursos más limitantes son el agua y los nutrientes (McMurtrie et al., 2008). El mayor desarrollo de sistemas radicales en alto CO2, no sólo permite un mayor almacenamiento de hidratos de carbono, sino que confiere la capacidad de explorar mejor los recursos del suelo, para satisfacer las necesidades de crecimiento.

La disponibilidad de nutrientes (especialmente N y P) determina que el crecimiento de la planta sea o no estimulado a largo plazo por el enriquecimiento en CO2. No sólo es importante el grado de fertilización, sino también el tipo de suelo (Körner, 2003). Frecuentemente, no es un nutriente aislado, sino la interacción entre los mismos, lo que determina la respuesta del crecimiento al CO2. Además, se ha observado que en condiciones de CO2 elevado se estimula la colonización de las raíces con micorrizas (Norby et al., 1987; O´Neill et al., 1987; Cavagnaro et al., 2011). Hay que recordar que las micorrizas aumentan la absorción de nutrientes, proporcionan agua adicional a las plantas a través de la proliferación hífica en el suelo y protegen las raíces de microorganismos patógenos (Sánchez-Díaz y Honrubia, 1994; Goicoechea et al., 2010).



Por otra parte, las leguminosas constituyen un caso particular, debido a su autonomía nitrogenada. Excepto para aquellas situaciones en las cuales las plantas se desarrollen sin limitación de nitrógeno, el crecimiento de las leguminosas en condiciones de CO2 elevado se estimula más que el de las no leguminosas, siempre que la disponibilidad de fosfato sea suficiente (Hebeisen et al., 1997; Rogers, 2009). Por lo tanto, las plantas que se desarrollan en condiciones de CO2 elevado pueden hacerse más dependientes de otros factores y, en general, de la simbiosis con micorrizas (Cagnavaro et al., 2011).

3.2 Relaciones hídricas

Además de los efectos mencionados del CO2 en la fotosíntesis y el reparto del carbono, el CO2 elevado puede influir en el crecimiento a través de una mejora en el estado hídrico de las plantas, tanto de especies C3 como C4 (Rogers y Dahlman, 1993; Morgan et al., 2004; Holtum y Winter, 2010; Prior et al., 2011). Ello es debido a que el CO2 elevado disminuye la transpiración como consecuencia de inducir el cierre parcial de las células estomáticas, lo cual también se ha demostrado utilizando sensores de flujo de savia (Dugas et al.,1997). La menor conductancia estomática en condiciones de CO2 elevado puede retrasar y aliviar el estrés hídrico, debido a un agotamiento más lento del agua del suelo (Leuzinger y Körner, 2007; Leakey, 2009 a,b; Ghannoum, 2009); ello afecta positivamente al crecimiento de la planta y aumenta la disponibilidad de nutrientes. En el caso de las plantas C4, y a diferencia de las C3, parece ser que el efecto beneficioso del CO2 elevado vendría dado, fundamentalmente, a través de un mayor contenido de agua en el suelo, especialmente en condiciones de estrés hídrico y temperaturas elevadas (Morgan et al., 2011).

La reducción en la transpiración, acoplada a un aumento de la fotosíntesis, puede contribuir a un aumento en la eficiencia fotosintética del uso del agua (WUEph) y de la productividad (WUEp) (Sánchez Díaz y Aguirreolea, 2008). Desde un punto de vista fisiológico, el aumento de WUE puede representar una de las respuestas más significativas de la planta al CO2 elevado (Rogers et al., 1994; Wullschleger et al., 2002). Como se ha señalado anteriormente, las plantas con vía fotosintética C4 muestran una menor respuesta al CO2 elevado que las plantas con vía C3. En el caso de las plantas C4, la WUE estará controlada primordialmente por la transpiración, mientras que en las C3, tanto la transpiración como la fotosíntesis son importantes (Prior et al., 2010). Además de las respuestas de cierre estomático, en condiciones de CO2 elevado también disminuye la densidad estomática (Woodward, 1987; Sánchez-Díaz y Aguirreolea, 2008), una tendencia que aumentaría también la WUE.

Puesto que el CO2 elevado reduce la transpiración, se ha sugerido que ello podría contribuir a mejorar parcialmente los efectos de la sequía (Bazzaz, 1990; Prior et al., 1991; Chaves y Pereira, 1992; Vu y Allen, 2009; Manderscheid et al., 2012), permitiendo así mantener la fotosíntesis. No obstante, hay que hacer notar que gran parte de estos trabajos han sido realizados en cámaras de crecimiento e invernaderos, utilizando plantas desarrolladas en macetas. Se ha sugerido que en ambientes más naturales, aunque aumente la eficiencia en el uso del agua de la fotosíntesis o eficiencia instantánea (WUEph), el uso total del agua por parte de la planta o eficiencia en el uso del agua de la productividad (WUEp), podría verse contrarrestada como



consecuencia de un aumento en el tamaño de la planta (mayor índice de superficie foliar, LAI) (Allen, 1994). Por lo tanto, no está claro que el contenido hídrico del suelo sea siempre superior en un futuro en condiciones de CO2 elevado, debido no sólo a un mayor LAI desarrollado en condiciones naturales, sino también por la incertidumbre en la frecuencia y severidad de periodos de sequía (Pallardy, 2008).

Se ha encontrado que la disponibilidad de N es también un factor importante que afecta a la interacción entre WUE y estrés hídrico. Plantas de pino cultivadas con un nivel adecuado de N crecieron más en condiciones de CO2 elevado, provocando un aumento en el uso total del agua por parte de la planta y un aumento del déficit hídrico, a pesar de presentar un aumento en la WUE. Por el contrario, plantas crecidas con N limitado, no presentaron respuesta del crecimiento al CO2 elevado, de tal manera que el aumento de WUE provocó una disminución del uso total del agua por parte de la planta, reduciendo al mismo tiempo el déficit hídrico (Runion et al., 1999).

3.3 Composición química y calidad del tejido vegetal

Existen muchos ejemplos que demuestran que, Independientemente del grado de estimulación del crecimiento, el CO2 elevado provoca cambios en la composición de los tejidos, con un aumento en hidratos de carbono y disminución de proteínas, así como una respuesta variada en los compuestos secundarios (Poorter et al., 1997; Körner, 2003; Cavagnaro et al., 2011). Diferentes mecanismos podrían explicar la menor concentración de N tisular en CO2 elevado. En el caso de que las bajas concentraciones de N sólo se presenten en hojas, este efecto puede reflejar un “fenómeno de dilución” provocado por la acumulación de almidón, o bien una reducción de la capacidad fotosintética (concentración de Rubisco), debido a una restricción en la salida de asimilados desde los cloroplastos, causada por la limitación del sumidero. La reducción de la concentración de N en todos los órganos, sería indicativa de una menor disponibilidad de N en el suelo, consecuencia del enriquecimiento en CO2. En condiciones de CO2 elevado, el contenido en nitrógeno del suelo está controlado por la actividad de las comunidades microbianas, que se benefician del aumento de exudados de la raíz, ricos en hidratos de carbono. Esto termina disminuyendo la disponibilidad de nitrógeno para las plantas (Díaz et al., 1993). Así mismo, cualquier cambio en la composición del tejido vegetal afectará a una serie de procesos importantes en el ecosistema, tales como el pastoreo por herbívoros y la descomposición de la hojarasca. Está bien documentado el hecho de que el ganado muestra una “alimentación compensada”, es decir, incorpora más biomasa cuando se le alimenta con material vegetal crecido en alto CO2, que presenta un fenómeno de dilución proteica (Fajer et al., 1989). Otros cambios previsibles en la naturaleza del tejido vegetal en condiciones de CO2 elevado, tienen que ver con el aumento en los contenidos de lignina y compuestos secundarios, asociados a menudo con la defensa de la planta contra herbívoros y patógenos. Así mismo, se ha encontrado que, en condiciones de alto CO2 y temperatura elevada, aumenta la fibra y disminuye la proteína, así como la digestibilidad de la alfalfa (Sanz-Sáez et al., 2012).



3.4 Respuestas a nivel de comunidad y ecosistema

El conocimiento actual a nivel de planta y ecosistema sobre la respuesta al CO2 elevado, puede condensarse en los siguientes aspectos (Körner, 2003):

a.- Las especies vegetales responden de manera diferente al enriquecimiento en CO2

y estos efectos sobre la biodiversidad se traducen en respuestas del ecosistema.

b.- Las respuestas dependen del tipo de suelo, nutrición, luz, agua y edad.

c.- La calidad del tejido vegetal y la cantidad de exudados a partir de la raíz, cambian de manera que se ven afectados los consumidores de productos vegetales.

d.- Las respuestas al CO2 no son lineales, con el mayor efecto relativo justo en el momento actual y pocos efectos adicionales por encima de las 500 ppm.

Diversos experimentos han demostrado que algunas especies vegetales que responden positivamente al CO2 elevado cuando crecen aisladas, experimentan una disminución del crecimiento cuando se cultivan en comunidades vegetales mixtas (Poorter y Navas, 2003; Taub, 2010). Ello es probablemente consecuencia de que los efectos positivos directos del CO2 elevado son contrarrestados por los efectos negativos debidos a la estimulación del crecimiento de los competidores. Por lo tanto, el aumento de las concentraciones atmosféricas de CO2 puede conducir a cambios en la composición de las comunidades vegetales y, con ello, en el funcionamiento del ecosistema, es decir, afectará a su biodiversidad (Morgan et al., 2007).

Desde el punto de vista del secuestro de carbono en forma de biomasa, los ecosistemas forestales son los únicos que desempeñan un papel importante, ya que constituyen más del 80% de la masa vegetal de toda la tierra. En el caso de plantas de vida larga, un crecimiento acelerado en una etapa temprana del ciclo vital, puede originar una aceleración del proceso de desarrollo, lo cual conduciría a bosques más dinámicos, en lugar de a un aumento en el almacenamiento de carbono en la biomasa del árbol (Norby et al., 1999; Körner, 2000; Bader et al., 2010). No obstante, este efecto disminuye con el aumento de la edad de los árboles y se hace nulo en árboles de 25-30 años, probablemente debido a una limitación en la disponibilidad de nutrientes (Körner, 2006). En todos los casos, en CO2 elevado se presenta una estimulación del metabolismo del suelo.

Además de mejorar el estado hídrico de las plantas, el CO2 elevado puede afectar también al movimiento del agua a nivel de ecosistema. La infiltración de agua puede aumentar y la pérdida de sedimentos con la escorrentía puede verse disminuida (Prior et al., 2010). Estas mejoras pueden ser consecuencia de un aumento en el desarrollo de la raíz, así como de cambios en las propiedades físicas del suelo. El CO2 elevado puede aumentar el carbono del suelo, la estabilidad de los agregados y la conductividad hidráulica (Prior et al., 2004).

La precipitación es otro aspecto que conviene destacar en relación con la productividad en condiciones de alto CO2, y tiene especial relevancia en ambientes mediterráneos. Se ha visto que se produce un aumento significativo de la biomasa en años secos, pero no en húmedos. Como ya se indicó anteriormente, el aumento en la concentración de CO2 conlleva un mayor nivel de conservación del agua en el suelo. Está claro que al disminuir el agotamiento del agua en el suelo, se facilita una mayor producción de biomasa en los años secos (Freeden et al., 1997; Körner, 2000). Uno de



los objetivos de la investigación en condiciones de CO2 elevado debe ser, precisamente, clarificar hasta qué punto la respuesta al CO2 de la biomasa está determinada por tales efectos indirectos sobre la retención del agua en el suelo.

Habría que preguntarse hasta qué punto las conclusiones obtenidas a partir de experimentos realizados con plantas cultivadas en macetas en condiciones controladas son extrapolables al ambiente natural. Para contestar a esta cuestión es preciso realizar experimentos a largo plazo, utilizando poblaciones y comunidades de plantas desarrolladas con CO2 elevado, en condiciones naturales o seminaturales. Sorprendentemente, los resultados obtenidos con los diferentes tipos de sistemas (incluidos los ambientes controlados) difieren bastante poco, siempre que se tengan en cuenta otros factores (tanto de la planta como del ambiente), que condicionan las respuestas al CO2.

4. EFECTOS DE OTROS COMPONENTES DEL CAMBIO CLIMÁTICO Y SUS INTERACCIONES CON EL CO2

La absorción fotosintética del carbono está controlada directamente por factores que, afectados por el cambio climático, previsiblemente cambiarán en el futuro: concentración de CO2 atmosférico, temperatura, disponibilidad de agua y radiación UV entre otros. Es probable que la importancia relativa de dichos factores, pueda variar a medida que el cambio climático afecte a diferentes reguladores de la fotosíntesis y los ecosistemas se ajusten a las nuevas condiciones (Albert et al., 2011a,b). Por lo tanto, hay que tener en cuenta que, aunque las concentraciones elevadas de CO2 aumenten la tasa fotosintética y el crecimiento de las plantas en estudios experimentales, no hay ninguna seguridad de que se presenten aumentos similares a escala global, donde otros factores de estrés tales como deficiencias de agua y nitrógeno inhiben la fotosíntesis (Pallardy, 2008).

El estado hídrico de la planta también afecta a la magnitud de absorción del carbono en condiciones de CO2 elevado (Morgan et al., 2004; Körner 2006). Como se ha comentado anteriormente, el CO2 elevado provoca frecuentemente una disminución en el consumo de agua y, por tanto, una reducción en el agotamiento del agua del suelo (Leuzinger y Körner, 2007; Robredo et al., 2007). Ello permite mantener la absorción de carbono en periodos secos en condiciones de CO2 elevado. En condiciones de sequía, la fotosíntesis está limitada debido a alteraciones metabólicas, así como a limitaciones en la difusión (Chaves et al., 2002, 2003, 2009; Flexas et al., 2006), siendo la respuesta altamente específica. No obstante, el balance de carbono de una planta que soporta un periodo de estrés hídrico, no sólo depende del grado de disminución fotosintética durante el agotamiento del agua, sino también de la tasa y grado de recuperación fotosintética. Se ha encontrado que el CO2 mitiga los efectos adversos producidos por la sequía y la temperatura elevada (Faria, 1996; Qadery et al., 2006; Erice et al., 2007; Salazar-Parra et al., 2012).

De Luis et al. (1999) observaron que el efecto estimulador del CO2 sobre el crecimiento de plantas de alfalfa sometidas a sequía, puede ser independiente de su estado hídrico, y que además el efecto beneficioso sólo se produce en condiciones de humedad relativa baja (De Luis et al., 2002). Posteriormente, estos estudios se han confirmado utilizando invernaderos de gradiente térmico en condiciones de campo



(Aranjuelo et al., 2005). Una de las conclusiones más importantes es que, solamente se obtuvo un aumento significativo de biomasa cuando el CO2 elevado se acompañó de un incremento de la temperatura.

Hay que resaltar, así mismo, que los efectos del CO2 elevado en la conductancia foliar y, por tanto, en la evapotranspiración a nivel regional, tendrán consecuencias para el balance energético (mayor temperatura) de la superficie terrestre, así como para el clima. Estas consecuencias serán, al menos en algunos casos, comparables a los efectos radiativos, debido al “efecto invernadero” (mayor capacidad de absorción del infrarrojo en una atmósfera con cantidades crecientes de CO2). La elevación de la temperatura, consecuencia del efecto antitranspiratorio del CO2, se verá estimulada en muchos casos por la sequía, originando lo que se ha venido a denominar “segundo efecto invernadero” (Murray, 1997).

La evaluación del impacto de la temperatura elevada es compleja; la distinción entre efectos directos e indirectos hace difícil dilucidar los mecanismos que subyacen en las respuestas de las plantas y los ecosistemas (Dermody et al., 2007). El calentamiento puede estimular directamente la fotosíntesis, proporcionando temperaturas de crecimiento más óptimas, y puede ser de importancia en los ecosistemas templados durante periodos de temperaturas subóptimas. Pueden presentarse aumentos en la respiración durante el día o cambios en la aclimatación térmica, que pueden reducir la absorción fotosintética del carbono. Se ha observado una estimulación indirecta de la fotosíntesis en respuesta a un calentamiento nocturno, como consecuencia de un aumento en la respiración de la planta durante la noche, que incrementó la potencia del sumidero de carbono, lo cual a su vez estimuló la fotosíntesis neta durante el día siguiente (Albert, 2011b).

El calentamiento puede afectar también a la fotosíntesis y absorción del carbono indirectamente, como consecuencia de aumento en la longitud de la estación de crecimiento, cambios en la fenología de la planta y aumento en la disponibilidad de nutrientes, como también se ha comentado anteriormente. De hecho, algunos autores (Morgan et al., 2004, Körner, 2000; Lou et al., 2007; Albert et al., 2011b) han propuesto que los efectos indirectos, vía cambios en la disponibilidad de nutrientes y agua en el suelo, son más importantes que los efectos directos.

La radiación solar contiene radiación UV de alta energía que afecta a la fotosíntesis de varias maneras. Diferentes estudios han demostrado que dosis elevadas de UV, especialmente UV-B (280-315 nm), son lesionantes para las plantas. Componentes celulares tales como proteínas y ácidos nucleicos absorben esta radiación, provocando disminución de la biomasa, reducción de la fotosíntesis y otras funciones cloroplásticas, disminución de la síntesis de proteínas, lesión del DNA etc. La radiación UV-B origina estrés oxidativo, habiéndose demostrado que las especies reactivas de oxígeno (ROS), participan directamente en la lesión inducida por dosis elevadas de UV-B (Majer y Hideg, 2012). Por otra parte, muchos efectos de la radiación UV-B implican cambios morfogénicos, más bien que lesivos, así como alteraciones en el metabolismo secundario, especialmente con dosis bajas. Las plantas desarrollan diferentes mecanismos de defensa contra la radiación UV (Schultz, 2000), tales como hojas más gruesas y pequeñas, aumento en la producción de compuestos que absorben UV, tales como flavonoides, antocianinas y grandes cantidades de ceras



reflectantes (Berli et al., 2011). Se ha demostrado (Qaderi y Reid, 2005; Caldwell et al., 2007; Balouchi et al., 2009; Koti et al., 2010), que varios factores de estrés modifican los efectos de la radiación UV. De hecho, la acción combinada de radiación UV y sequía podría funcionar de tal forma que uno de ellos podría aliviar los efectos inhibidores del otro en condiciones de aridez (Nogués et al., 1998)

El cambio climático puede afectar también a los factores de estrés bióticos (Hubert, 2011), por ej., no están totalmente claras las razones por las que el CO2 atmosférico tiende a reducir las defensas de las hojas contra los herbívoros. Todos los factores climáticos pueden influir en la fisiología de la planta, bien positiva o negativamente, porque cambiarán simultáneamente en el futuro y es necesario estudiar sus efectos en interacción (Norby y Luo, 2004; Mikkelsen et al., 2008; Calfapietra et al., 2009; Albert et al., 2011a,b). La manera en que los efectos del CO2 en las plantas y los ecosistemas están regulados por factores de estrés, no ha sido investigada hasta ahora suficientemente. Este es el objetivo de los estudios de manipulación experimental multifactorial, en los que se puedan analizar y cuantificar las interacciones entre los diferentes factores de estrés, con el fin de obtener una comprensión en profundidad de los mecanismos causales. Ello constituye un desafío en la investigación en fisiología vegetal ambiental.

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Presentaciones orales



Conferencia Inaugural Martes 18

Aquaporins: how water channel proteins favour plant life in an ever changing environment

Christophe Maurel, Véronique Santoni, Doan-Trung Luu, Karine Prado, Guowei Li, Colette Tournaire-Roux, Moira Sutka, Yann Boursiac, Lionel Verdoucq, Michael Wudick

Biochemistry and Plant Molecular Physiology, Integrative Biology Institute for Plants, CNRS/INRA UMR5004, 2 place Viala, F-34060 Montpellier, France

ABSTRACT

Plants have to constantly adjust their water status during development and in response to sometimes very challenging environmental conditions. Uptake of soil water by roots and its delivery from xylem vessels to inner leaf tissues are crucial for maintaining the plant water status. The present talk will discuss how the integrated function and regulation of plant aquaporins can be addressed by a combination of genetic, molecular and physiological approaches. We will show how aquaporins contribute to water transport throughout the whole plant body and will dissect the signalling events and molecular mechanisms that govern aquaporin regulation. These phenomena allow a continuous adjustment of cell and tissue hydraulics, during development or in response to environmental stimuli.



Sesión 1. Aspectos fisiológicos y moleculares de las relaciones hídricas en plantas Martes 18

Impact of irrigation regime on berry development and flavonoids composition in Aragonez (Syn. Tempranillo) grapevine

Olfa Zarrouk1*, Rita Francisco1, Marta Pintó-Marijuan1, Ricard Brossa3, Raquen Raissa Santos1, Carla Pinheiro1, Joaquim Miguel Costa1,2, Carlos Lopes2 , Maria Manuela Chaves1,2

1Instituto de Tecnologia Quimica e Biologica, Oeiras, Universidade Nova de Lisboa, Portugal 2CBAA, 1 Instituto Superior de Agronomia, Universidade Tecnica de Lisboa, Lisboa, Portugal 3Departament Biologia Vegetal, Facultat de Biologia, Universidad de Barcelona, Spain

*Corresponding author: [email protected]; Phone: +351 213653415; Fax: +351 213653238.

ABSTRACT

In the present study, field grown Aragonez (Syn. Tempranillo) grapevines (Vitis vinifera L.) were subjected to three irrigation regimes (conventional sustained Deficit Irrigation (DI), Regulated Deficit Irrigation (RDI) and Non-Irrigated (NI)) during two successive seasons (2007-2008). An integrative study was performed in grape berry skin tissues at four phenological stages of grape berry (pea size, véraison, mid-ripening and full maturation). The accumulation of flavonoid compounds, the profile of accumulation of abscisic acid (ABA) and jasmonic acid (JA) hormones were analysed during grape ripening. The non-enzymatic antioxidant capacity was also characterized. Principal component analysis followed by a between group analysis (PCA-BGA) showed a clear separation already at early stages of grape berry development between the three treatments in both years. The main compounds affected by water availability were proanthocyanidins and flavonols, which increased with irrigation at all phonological stages. In both years, concentrations of anthocyanin at full maturation were observed to be higher in the skin of berries belonging to DI and RDI vines than in NI ones. ABA accumulation was also regulated by the intensity of water stress since early stages of berry development. However, no differences in sugar accumulation were observed between treatments. The present study also shows that climatic conditions, namely temperature, play an important role in the ripening process of grape berries. This was clearly observed in NI vines during both years, in which a decrease in the quality parameters in grape skins is presumably related to high temperature and excessive cluster sunlight exposition more marked in 2007, the hotter year. This supports the crucial role of irrigation in maintaining the cluster microclimate in an optimum range, thus enabling a balanced synthesis of the compounds relevant to wine quality.




Water use efficiency (WUE) and Carbon-isotope composition (δ13C) in Grapevine

Bchir A. 1,2 ,3, Gallé A.3, Escalona J.M.3, Medrano H. 3

1 Institut Supérieu d’Agronomie, Chott-Mariem, Tunisie, [email protected] 2 Laboratoire d’Ecophysiologie; Institut de l’Olivier de Sousse, Tunisie, 3 Laboratori de Fisiologia Vegetal, Departament de Biologia, Universitat de les Iles Balears, España

ABSTRACT

The carbon isotope discrimination in differrent plant tissues and organs has appeared in the last years as a useful alternative to estimate WUE, combining the possibility to integrate physiological information in time with a relative simple technique, which allows to validate results over a great number of sites.

Many authors showed that carbon isotope composition (δ13C) can be a representative parameter of WUE in grapevine. This review summaries current knowledge and relevant results that provide the basis to improve WUE in grapevines by using δ13C as a WUE indicator in different part of plant. To achieve this goal we need to know (i) How much can δ13C vary according water availability and kind of samples? (ii) Correlation and relationship of δ13C with classic WUE parameters? (iii) What’s the best moment and type sampling in different variety and species?




Genotypic variation in soluble carbohydrate contents of the last stem internode among recombinant chromosome substitution lines (RCSLs) of barley under long-term drought stress

Méndez A.M., Pérez P., Martínez-Carrasco R., Morcuende R.

Institute of Natural Resources and Agrobiology of Salamanca (IRNASA-CISC), Apartado 257, 37071 Salamanca-Spain, [email protected]

ABSTRACT

This study investigates the effect of long-term drought stress on the water soluble carbohydrate (WSC) contents of the last stem internode in several barley genotypes - three recombinant chromosome substitution lines (RCSLs) and the recurrent parental cv Harrington -. These carbohydrates can make a significant contribution to grain yield. The WSCs in line 89 accumulated approximately from anthesis to a maximum at 15 days after anthesis, and then declined, while in the rest of genotypes the WSC accumulation extended from anthesis to 30 daa. At anthesis, drought led to a higher accumulation of total WSC, glucose, sucrose and fructans. Line 89 showed the highest fructan and total WSC contents and line 76 the lowest. At later growth stages, drought tended to increase the WSC content in the last stem internode and significantly increased the sucrose content. Water stress increased the total WSC and fructan content in line 8, while tended to increase it in line 76. Line 89 showed a drastic decline on the WSC and fructan content. The results show large variation in the pattern of WSC accumulation in the last stem internode among genotypes through developmental stages.




Evaluación de la respuesta fotosintética e hídrica durante el día y concentración iónica de plantas de evónimo regadas con agua regenerada con altos niveles de salinidad

Gómez-Bellot M.J.1, Nortes P.A.1, Gonçalves K.S.2., Acosta J.R.1, Ortuño M.F.1,

Sánchez-Blanco M.J.1

1Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC), Campus Universitario de Espinardo. 30100 Murcia 2Universidade Estadual Paulista. Campus de Botucato. 18610-307 Botucato-SP/Brasil

ABSTRACT

Euonymus japonica plants were submitted during six months to two irrigation treatments of different sources: Control with EC< 1.2 dS m-1, and reclaimed wastewater (RW) with EC: 4 dS m-1. Throughout the day, salt water induced a decrease in stem potential and in leaf hydraulic conductivity. Stomata conductance was reduced in both treatments at around 8-12h, more marked in RW, but no significant variation in photosynthesis and F’v/F’m was detected by effect of salinity, suggesting that the efficiency of the quantum yield of PSII was not lowered. It should be noted a tendency

to increase the values of gs, A, F’v/F’m and PSII after midday only in plants treated with RW. The fluorescence behaviour could be related to the chlorophyll content, confirming the resistance of the photosynthetic machinery to salinity of this specie. The toxic effects produced by high concentrations of B, Na and Cl might be offset by the effect of other ions like magnesium, potassium and phosphorus in plants irrigated with RW, improving the physiological status of the plants.




Portuguese wild beet ecotypes (Beta vulgaris ssp. maritima): physiological performance under drought and salinity and genetic affinities

Ribeiro, I.C.1, Pinheiro, C.1*, Ribeiro, C.2, Veloso, M.3, Paulo, O.2 and Ricardo, C.P.1

1Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa (ITQB-UNL), Av. da República, 2780-501 Oeiras, Portugal. [email protected] 2Computational Biology and Population Genomics Group/Centro de Biologia Ambiental , Edifício C2, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, 1759-016 Lisboa, Portugal. 3INRB, I.P., L-INIA - Pólo de Oeiras, Unidade Recursos Genéticos, Ecofisiologia e Melhoramento de Plantas, Quinta do Marquês, 2784-505 Oeiras, Portugal.

ABSTRACT

Sugar beet has a very narrow breeding gene pool, lacking sufficient genetic variation for coping with environmental stress. Therefore, it is crucial to characterize and preserve its wild relatives, as they constitute important genetic resources for the beet group and could carry valuable stress resistance traits. Three populations of wild beet from distinct ecogeographical localizations were selected for the characterization of their abiotic stress response (drought and salinity) and to evaluate their genetic diversity using simple sequence repeat molecular markers. The physiological responses to drought and salinity (0.2M and 0.5M NaCl) were evaluated by measuring plant water status, photosynthesis and leaf stomatal conductance and biomass. Multivariate analysis (Principal components followed by between group analysis, PCA-BGA) allowed to distinguish between sugar beet and the wild beets under severe but not under mild stress. Furthermore, the wild populations separated from each other when severe drought and high salinity were considered. Of the three populations analyzed, ACC#5253 (OEI) appeared to be less affected by drought stress (based on stomatal conductance, photosynthetic rate and leaf osmotic potential). The analysis of 3 simple sequence repeat (SSR) loci revealed that these populations were not genetically distinct. Our results provided important information for the utilization of wild beet genetic resources and revealed accessions of interest for future beet breeding programs.




Photosynthetic response of Arabidopsis plants overexpressing (OE) or antisense (AS) for the patatin-like gene AtpPLAIIα to water deficit

Vieira da Silva I., Bernardes da Silva A., Alcântara A., Marques da Silva J., Arrabaça J.D., Matos A.R.*

Center for Biodiversity, Functional and Integrative Genomics (BioFIG), Plant Biology Department, University of Lisbon, Campo Grande, 1749-016 Lisbon, Portugal (Corresponding author: [email protected])

ABSTRACT

AtpPLAIIα encodes a lipolytic enzyme acting on galactolipids and phospholipids. Its expression has been previously shown to be up-regulated by progressive water deficit, concomitantly with a decrease in membrane lipid contents, namely of chloroplasts galactolipids and the accumulation of free polyunsaturated fatty acids. In the present work we have used Arabidopsis lines overexpressing (OE) or expressing AtpPLAIIα in antisense (AS) to investigate the contribution of this protein to water deficit tolerance. Results show that under control conditions, the pool of free fatty acids is mainly composed of saturated molecules (16:0 and 18:0), for all the lines studied, whereas free polyunsaturated 16:3 and 18:3 were only detected in AS lines. When soil grown plants were submitted to progressive drought, the decrease in relative water content (RWC) and soil water content (SWC) proceeded faster for AS lines, whereas OE plants seemed to lose water at slower rates than the WT. A similar trend was observed for photosynthesis measured under saturating light. No differences between lines were observed for plant size or stomatal conduction, under control conditions.




Fagus sylvatica L. y cambio climático: contenido y actividad de la Rubisco ante el déficit hídrico y el incremento de la temperatura

Potentini Couput M.F., Erice Soreasu G. e Irigoyen Iparrea J.J.

Universidad de Navarra, Departamento de Biología Vegetal, Sección Biología Vegetal (Unidad Asociada al CSIC, EEAD, Zaragoza e ICVV, Logroño). Irunlarrea, 1, Edificio de Ciencias, 31008, Pamplona, Navarra, España.

RESUMEN

Es bien conocida la capacidad de los árboles de responder a las variaciones estacionales típicas de su ambiente natural. Sin embargo, la velocidad a la que se vienen presentando los cambios climáticos a escala global desde hace décadas hace cuestionar si todas las especies serán capaces de moldear sus respuestas ante tales fluctuaciones, y cómo lo harán. Se estudió el contenido y actividad de la Rubisco de las hayas de dos bosques navarros, que tienen una diferencia en su temperatura media anual de alrededor de 3 ºC, y además, que en los últimos años vienen registrando una disminución de la disponibilidad del recurso agua (acentuada en la época estival). El objetivo de este estudio ha sido evaluar si existe algún comportamiento específico de estos parámetros y del almacenamiento de carbono en las condiciones en las que crecen las hayas en los Bosques de Bertiz y de Oderitz, en ejemplares adultos y jóvenes, y en hojas de sol y sombra durante la época de crecimiento del árbol.




Ecophysiology of wild and domesticated tomatoes

Galmés J.1, Muir CD.2, Molins A.1, Peguero-Pina J.3, Roldán E.1, Ponce J.1, Moyle L.C.2

& Conesa M.À.1

1Grup de Recerca en Biologia de les Plantes en Condicions Mediterrànies. Departament de Biologia-UIB. Carretera de Valldemossa km 7,5, E-07122. Palma. Illes Balears. Spain 2Department of Biology, Indiana University, 1001 East Third Street, Bloomington, IN 47401, USA 3Unit of Forests Resources, CITA of Aragón.Apdo. 727, E-50080. Zaragoza. Spain

[email protected]

ABSTRACT

In semi-arid environments, but also under greenhouse conditions, there is high interest in improving water use efficiency of horticultural crops. Wild relative species constitute a valuable source of knowledge and genes for the improvement of domesticated crops. We compared the ecophysiology of a number of cultivated tomato accessions and wild species to detect main traits enabling improvement of cultivated tomato. High variability was found among wild species at molecular, biochemical and physiological levels. Interestingly, a double approach was observed among wild tomatoes to ensure enough supply of CO2 in the leaf mesophyll: some species presenting high values of stomatal conductance, while others tending to increase the mesophyll conductance to CO2. This pattern presents important consequences on the efficiency of water use, and may suggest potential targets for improvement of commercial tomatoes. Also, a grafting experiment of a cultivated tomato on a wild species was performed, resulting in an increased WUE.



Charla invitada Martes 18

Measuring & Modelling the Water Footprint of Fruit Production: Eco-verification & Adapting to Climate Change

Brent Clothier1,2, Steve Green1, Indika Herath1,2, Carlo van den Dijssel1, Alistair Hall1, Greg Dryden3 & Mike Butcher4

1Plant & Food Research, Palmerston North, New Zealand [email protected] 2Massey University, Palmerston North, New Zealand 3Fruition Horticulture, Nelson, New Zealand 4Pipfruit NZ, Hastings, New Zealand

ABSTRACT

Water will be the critical resource of the 21st century. The water footprint of a good or service can be used as an indicator of the sustainability of water usage. A water footprint assesses the impact of the life cycle of a product, or a service, on the scarcity and quality of water resources. Supermarket chains are increasingly demanding ‘eco-verification’ of their products in their quest to attract more consumers. We describe a rational protocol for assessing the water footprint of an export apple produced in New Zealand. The thrifty water imperative for agriculture will be ever more challenging and will require nimble responses to climate changes that will affect the demand for, and the supply, of available water. We outline the magnitude of the adaptations needed for wine-grape production in Marlborough



Sesión 2. Relaciones hídricas en especies de interés agrícola Martes 18

Efecto del estrés hídrico en la acumulación de ceras epicuticulares en Brachypodium distachyon

de Andrés, E.F., Casanova, C., Soler, C.

Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA), Departamento de Medio Ambiente, Crta. de La Coruña, Km. 7,5, 28040 - Madrid. [email protected]

RESUMEN

El objetivo de este trabajo ha sido evaluar el efecto del estrés hídrico sobre el contenido foliar de ceras epicuticulares y de otros caracteres relacionados con la respuesta a la sequía (transpiración residual y peso específico) en una colección de 12 poblaciones silvestres españolas de Brachypodium distachyon. Las hojas de B. distachyon aumentaron su contenido en ceras epicuticulares y su peso específico fue mayor en respuesta al estrés hídrico, siendo esta respuesta variable entre las distintas poblaciones.




Using a process-based stomatal model in olive and its potential application to deficit irrigation studies

Rodriguez-Dominguez C.M.1,2, Buckley T.N.3, Fernández J.E.1, de Cires A.2, Rubio-Casal A.E.2, Cuevas M.V.1, Elsayed-Farag S.1, Martin-Palomo M.J.4, Muriel J.L.5, Perez-Martin A.1, Torres-Ruiz J.M.1, Diaz-Espejo A.1

1Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (IRNAS-CSIC), Aptdo. 1052, 41080-Sevilla, Spain [email protected] 2Departamento de Biologia Vegetal y Ecologia, Universidad de Sevilla, Sevilla, Spain 3Department of Biology, Sonoma State University, 1801 E Cotati Ave, Rohnert Park, CA 11 94928, USA 4ETSIA, Departamento de Ciencias Agroforestales, Universidad de Sevilla, Sevilla, Spain 5IFAPA, Centro Las Torres-Tomejil, Junta de Andalucía, Alcalá del Río, Sevilla, Spain

ABSTRACT

Over the last years modeling plant transpiration has been pointed out as a powerful tool to optimize the management of irrigation in fruit trees. In this study we tested the hydromechanical model of stomata functioning proposed by Buckley et al. (2003), a model with a strong physiological basis. The great contribution of this model is that its parameters have direct physiological meaning. Firstly, the model was simplified to make its parameters estimation friendly and easy. Secondly, the model was fitted to data obtained in a hedgerow olive orchard under regulated deficit irrigation. The hydromechanical model fitted our data satisfactorily and allowed us to analyze the physiological parameters obtained.




Using a virtual fruit tree model (QualiTree) for evaluating the effects of water stress on fruit sugar content. Validation with real data from a mid-late maturing peach cultivar

Mirás-Avalos J.M.1, Alcobendas R.2, Alarcón J.J.2, Valsesia P.3, Génard M.3, Nicolás E.2

1Estación de Viticultura e Enoloxía de Galicia (EVEGA – INGACAL). Ponte San Clodio s/n. 32427 Leiro, Ourense, Spain. Email: [email protected] 2Departamento de Riego, Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura, CSIC, P.O. Box 164, 30100, Espinardo (Murcia), Spain 3UR1115 Plantes et Systèmes de Culture Horticoles (PSH), INRA, Domaine Saint-Paul, Site Agroparc, 84914 Avignon Cedex 9, France

ABSTRACT

Irrigation water shortage in fruit tree orchards is a serious problem in Mediterranean regions, thus, regulated deficit irrigation (RDI) is commonly used. However, water restrictions may have consequences on fruit size and quality. Fruit quality response to RDI is complex. Simulation models are useful tools to understand complex physiological processes and how they are affected by environmental and agronomical factors. In the current study, a fruit-tree model (QualiTree) was calibrated and validated for a mid-late maturing peach cultivar (‘Catherine’) using real data on vegetative and fruit growth, and contents of four sugars (glucose, fructose, sucrose and sorbitol) in fruit flesh. Simulation outputs displayed fairly good agreement with the measured data concerning vegetative and fruit growth. Sugar concentrations in fruit flesh were well simulated, except for sucrose, which was overestimated. Furthermore, the model was tested for different situations concerning water restrictions, based on leaf and stem water potential values. As expected, water stress negatively affected both vegetative and fruit growth. In contrast, sugar concentrations in fruit flesh increased when water restrictions were imposed, mainly in the case of glucose and fructose. This study allowed a validation of QualiTree with real data on sugar concentrations, thus broadening its predictive skills. Consequently, QualiTree might be a useful tool in the design of innovative horticultural practices.




Physiological responses of drought-sensitive and drought-resistant Phaseolus vulgaris L. cultivars to water deficit stress

Silvestre S.1,2, Alcântara A.1,2, Carrasco A.2,3, Araújo SS.4,5, Bernardes da Silva A.1,2, Marques da Silva J.1,2

1Centre for Biodiversity, Functional and Integrative Genomics (BioFIG), Faculty of Science, University of Lisbon, Campo Grande, 1749-016 Lisboa, Portugal. [email protected] 2Department of Plant Biology, Faculty of Science, University of Lisbon, Campo Grande, 1749-016 Lisboa, Portugal. 3Facultad de Biología, Universidad de Sevilla, Av. Reina Mercedes, Edificio Rojo , 41012 Sevilla, España 4Centro de Veterinária e Zootecnia, Instituto de Investigação Científica e Tropical, Faculdade de Medicina Veterinária, Avenida da Universidade Técnica, 1300-477 Lisboa, Portugal 5Plant Cell Biotechnology Lab, Instituto de Tecnologia Química e Biológica (ITQB), Universidade Nova de Lisboa (UNL), Av. da República (E.A.N.), Apartado 127, 2781-901 Oeiras, Portugal.

ABSTRACT

The Phaseolus vulgaris genotypes SER 16 (drought resistant) and Tio Canela (drought sensitive) were subjected to water deficit stress and their physiological responses assessed by infra-red gas exchange analysis and rapid kinetics of chlorophyll a fluorescence measurements. Water deficit decreased photosynthesis in both genotypes, but in a lower extent in the drought-resistant SER 16, which even showed a remarkable increase of photochemical performance under stress.




Variabilidad radial y acimutal del flujo de savia en olivos plantados en seto

Elsayed-Farag S.1, Palomo M.J.2, Fernández J.E.1, Pérez-Martin A.1, Díaz-Espejo A.1

1 Instituto de Recursos Naturales y Agrobiologia, CSIC, Apartado 1052,41080 Sevilla, Spain. 2 CE.T.U. de Ingenieros Técnicos Agrícolas, Carretera de Utrera, km 1 41013 Sevilla, Spain.

Corresponding author. Email: [email protected]

RESUMEN

La heterogeneidad de densidad de flujo de savia tanto alrededor del tronco como en profundidad respecto al cambium es un hecho bien conocido que requiere ser analizado para un correcto uso e interpretación de las estimas de transpiración a partir de las medidas de flujo de savia. Por ello, se hizo un experimento en olivos ‘Arbequina’ de 5 años de edad en una plantación en seto (4 m x 1.5 m) donde se instalaron cuatro sondas por árbol, en tres árboles representativos de la plantación. Los resultados han mostrado que se puede reducir el número de sondas hasta una para estimar el flujo de savia en olivos plantados en seto de esta edad. La correlación obtenida para la densidad de flujo de savia relativa entre la sección más externa del xilema conductor y las interiores frente a la conductancia estomática relativa medida en hojas jóvenes y viejas aportó evidencias sobre la hipótesis de que los vasos exteriores están preferentemente conectados a las hojas jóvenes del año.




Análisis de la eficiencia del uso del agua y del nitrógeno mediante la

utilización de técnicas de discriminación isotópica en pomelo. Resultados preliminares.

Romero-Trigueros C., Nortes P.A., Alarcón J.J., Querejeta J.I., Nicolás E.

Departamento de Riego. Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC). Campus Universitario de Espinardo, 30100. Murcia. Email: [email protected]

RESUMEN

El objetivo del estudio fue evaluar el efecto del riego con diferentes calidades de agua de riego combinado con estrategias de riego deficitario en pomelo y estudiar sus efectos sobre la fisiología de la planta, principalmente en la eficiencia del uso del agua y del nitrógeno, así como la sostenibilidad del cultivo con el uso de aguas regeneradas. Los resultados preliminares indican que el uso de aguas regeneradas produjo un incremento moderado en la eficiencia intrínseca del agua y del nitrógeno, y también posibles riesgos en la sostenibilidad del cultivo a medio-largo plazo, asociado a los niveles más elevados del isótopo δ15N.




Distribución radicular de tres portainjertos de vid en el suelo y relación con la disponibilidad hídrica

de Herralde F., Aranda X., Biel C., Savé R.

IRTA Torre Marimon. Caldes de Montbui. 08140. Barcelona. [email protected]

RESUMEN

En un ensayo con cepas jóvenes la distribución de la biomasa y longitud de raíces en el suelo no presentó diferencias entre portainjertos, aunque sí entre profundidades y disponibilidades hídricas. El efecto del portainjertos sobre la variedad no se explica totalmente por la longitud de raíces o por la conductancia hidráulica del sistema radicular, sino que tiene una componente dinámica.




Average daily light interception determines leaf water use efficiency among different canopy locations in grapevine

Hipólito Medrano, Alicia Pou, Magdalena Tomàs, Sebastià Martorell, Javier Gulias, Jaume Flexas and José M. Escalona

Grup de Recerca en Biologia de les Plantes en Condicions Mediterrànies Departament de Biologia, IMEDEA (CSIC-Universitat de les Illes Balears) Carretera de Valldemossa Km 7.5, 07122 Palma de Mallorca (Balears), Spain. [email protected]

ABSTRACT

In Mediterranean areas grapevine water use efficiency (WUE) is becoming an important issue as grapevine production and quality are largely dependent on irrigation, and given the large area of this crop in this region. Under semi-arid conditions, grapevine water consumption rises up to 700 mm/year, (rainfall plus irrigation), thus great water amounts are needed for areas typically characterised by water scarcity during grapevine growing season. Therefore, improving WUE is a challenge to secure agriculture sustainability of viticulture in these areas. In the present work we evaluate the variation of leaf WUE over time (diurnal time) and space (at eight canopy positions) under irrigation, moderate and severe water stress in field-grown Tempranillo grapevines. Scaling up from the single leaf to the whole plant WUE values were tested comparing daily integrals of leaf water use efficiency (WUEDi) with midday leaf WUE ones showing a poor relationship, that become poured as water stress increased. To evaluate spatial variations of WUE inside the canopy daily integrals of WUEDi, were determined by leaf gas exchange measurements at eight canopy positions with marked differences in light exposition. Great variations in WUEDi at different canopy locations were mostly determined by the daily integral of light interception with a high regression coefficient for irrigated (0.98) and moderately water stressed plants (0.92), and lower for plants under severe water stress (0.68). This indicates that increased daily PAR interception by the leaf increases WUEDi. Moreover, those data suggest that improvements in whole-plant WUE up to 27% could be achieved by selective thinning of basal (locations 1 and 7) and internal (location 8) leaves of the canopy and that these theoretical benefits would be minor but still significant under water stress.



Charla invitada Miércoles 19

Water deficit and plant performance: time scales of metabolic and physiological responses

Pinheiro C.1, Ribeiro I.C.1, Dodd I.C.2, António C.3,4, Mariott A.3, Pintó-Marijuan M1., Rodrigues M.A.A.1, Machado A.1, Bicho C.1, Ortuño M.F.1,5, Ricardo, C.P.1, Chaves M.M.1, Wilson J.C.3, Thomas-Oates J.3

1Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa, Av. da República, 2780-157 Oeiras, Portugal. [email protected] 2Lancaster Environment Centre, Lancaster University, Lancaster, LA1 4YQ, UK 3Department of Chemistry, University of York, Heslington, York YO10 5DD, UK 4current address: Max-Planck-Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam, Germany 5current address: CEBAS-CSIC, Campus Universitario de Espinardo, Murcia, España

ABSTRACT

Plants perceive and respond to alterations in soil water content via a series of physiological, cellular, and molecular events that develop in parallel. The modulation of carbon sensing and signaling by progressive soil water deficit was investigated in Arabidopsis thaliana (a model plant) and Thellungiella salsuginea (an extremophile). Our working hypothesis is that the combined alterations in hormone and carbohydrate levels play an important role in the stress response mechanism. After withholding water, the rate of soil water depletion was similar for Arabidopsis and Thellungiella for 2 days, then (days 3-5) Arabidopsis plants took up more water from the soil (5-10%). At similar soil water contents, Arabidopsis and Thellungiella performance were quite distinct, and were accompanied by distinct effects on the rosette carbohydrate metabolism and ABA levels (related to timing and magnitude of response). The direct comparison of these two contrasting plant systems offers the possibility to improve understanding of physiological and biochemical drought-related mechanisms.



Sesión 2. Relaciones hídricas en especies de interés agrícola Miércoles 19

Indicadores alternativos al potencial hídrico para la determinación de estrés hídrico en cítricos

Ballester C., Castel J., Jiménez-Bello M.A., Intrigliolo D.S., Castel J.R.

Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA), 46113 Moncada,

[email protected]

RESUMEN

El objetivo de este trabajo fue evaluar las medidas de flujo de savia (FS) y de temperatura de la copa (Tc) como indicadores de estrés hídrico, comparados con

medidas de tallo y conductancia estomática (gs) en Clementina de Nules bajo RDC. El

FS se determinó mediante el método de compensación del pulso de calor. Los valores de Tc se midieron de forma continua mediante sensores de infrarrojo fijos (SIF) y semanalmente por medio de imágenes térmicas tomadas con cámara termográfica.

Los resultados muestran que Tc medida con SIF no se relacionó bien con tallo ni con gs. Sin embargo, los valores de FS y de Tc obtenida mediante imágenes térmicas en

días con diferencias de tallo entre tratamientos de al menos 1 MPa, sí se relacionaron

bien con aquellos. Así pues, tanto FS como Tc pueden utilizarse como indicadores de estrés hídrico en cítricos, aunque Tc obtenida mediante imágenes térmicas fue más adecuada para este propósito que mediante SIF.




A non-invasive, plant-based probe for online monitoring of water stress in real-time under field conditions

Bitter R., Rüger S., Ehrenberger W., Fitzke R., Zimmermann U.

ZIM Plant Technology, Neuendorfstr. 19, 16761 Hennigsdorf, Germany

email: [email protected]

ABSTRACT

Turgor pressure changes (together with leaf temperature changes) can be measured with the non-invasive leaf patch clamp pressure probe (so-called: ZIM-probe) in real-time over several months. The ZIM-probe can be applied to all leafy plant species and is characterised by high precision, operating convenience, and robustness under field conditions. Data are sent by wireless operating telemetric units to a control station linked to an Internet server via mobile phone network. Investigations on crop and fruit trees have shown that several indices can be derived from ZIM-probe readings that can be used for irrigation control.




Research on automatic irrigation control. State of the art and recent results.

R. Romero1,*, J.L. Muriel2, I. García2 and D. Muñoz de la Peña3

1Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (IRNASE-CSIC), Avenida Reina Mercedes 10, 41012. Sevilla, Spain. 2IFAPA Las Torres-Tomejil. Ctra. Sevilla-Cazalla, Km. 12.2; 41200 Alcalá del Río, Sevilla, Spain. 3Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Sevilla, Camino de los Descubrimientos SN, 41092, Sevilla, Spain.

* Corresponding author. [email protected] (R. Romero).

ABSTRACT

Availability of fresh water is one of the elementary conditions for life on Earth, however, water is a limited resource, which is now under an unprecedented pressure by global population growth, climate change and demand from several economic sectors such as tourism, industry, and agriculture. In particular, irrigated agriculture is one of the major water-consuming sectors. The aforementioned issues justify the need for a sustainable and rational use of water in irrigated crops, which motivates the implementation of new precise automatic irrigation technologies based on control theory. In this paper, we introduce the main concepts of control theory, how can it be applied to irrigation and a literature review of automatic irrigation control systems over the last decade. In addition, we present our latest developments in this field. In particular, we present some promising preliminary experimental results of four different control strategies applied to fruit trees in southern Spain to show the potential of the application of control techniques to irrigation.




Low water stress conditions in table olive trees (Olea europaea L.) during pit hardening produced a different response of fruit and leaf water relations

J. Dell’Amico1, A. Moriana2*, M. Corell2, I.F. Girón3, D. Morales1, A. Torrecillas4,5, F. Moreno3

1Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, Cuba 2Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica. University of Seville, Carretera de Utrera Km 1, 41013 Sevilla, Spain 3Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (CSIC), P.O. Box 1052, E-41080 Sevilla, Spain 4Dpto. Riego. Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CSIC). P.O. Box 164, E-30100 Espinardo (Murcia), Spain 5Unidad Asociada al CSIC de Horticultura Sostenible en Zonas Áridas (UPCT-CEBAS), Paseo Alfonso XIII s/n. E-30203 Cartagena (Murcia), Spain

*Corresponding author: [email protected]

ABSTRACT

The scarcity of water for agricultural use is producing a generalization of deficit irrigations in most of the fruit trees. Regulated deficit irrigation in olive trees is scheduled with a period of water stress during the pit hardening phase with low or, even, no decrease in yield. During this phenological stage, fruit is a great sink of assimilates and competes with vegetative growth, producing a significant change in the water relation of the tree. The aim of this work is to study the water relations in leaves and fruits in a period of drought during the phenological stage of pit hardening in a mature (43 year-old) table olive orchard. Water relations of leaves and fruits were compared between a Control of fully irrigated trees and Stressed trees (with a period of drought from 1 week after the beginning of pit hardening until 1 week before harvest). The water stress conditions were considered as low level, according with the stem water potential data. Leaf water relations were quickly affected with a reduction of midday stem water potential and turgor pressure at 14 days after the beginning of the drought (DABD). Leaf osmotic adjustment was measured only at the end of the drought cycle (63 DABD). On the other hand, fruit water relations were affected slowly and only osmotic potential was reduced at 14 DABD. Such variations produced a change in the source of water flow from xylem to phloem according to the variations in leaf-fruit water potential. The pattern of adaptation of leaves and fruit during the drought cycle and the relationship between them is discussed.




Pomegranate (Punica granatum L.) fruit response to different deficit irrigation conditions

C.D. Mellisho1, I. Egea1, A. Galindo1, P. Rodríguez2, J. Rodríguez2, W. Conejero1, F. Romojaro1, A. Torrecillas1,3,* 1Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CSIC). P.O. Box 164, E-30100 Espinardo (Murcia), Spain. 2Dpto. Fisiología y Bioquímica, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA). Ctra. de Tapaste, km 3.5. San José de Las Lajas (La Habana), Cuba 3Unidad Asociada al CSIC de Horticultura Sostenible en Zonas Áridas (UPCT CEBAS). Paseo Alfonso XIII s/n, E-30203 Cartagena (Murcia), Spain.

*Corresponding author: [email protected] (A. Torrecillas)

ABSTRACT

No information exits on the effects of water stress on pomegranate (Punica granatum L.) fruits. In this paper, the influence of three irrigation treatments on the physical and chemical characteristics of the fruits of adult pomegranate trees was studied. Control (T0) plants were drip irrigated (60 % ETo from the beginning of the season to the end of the first half of linear fruit growth phase, 117 % ETo during the second half of linear fruit growth phase and 99 % ETo during the end of fruit growth and ripening phase) in order to guarantee non-limiting soil water conditions, T1 plants were drip irrigate according to the criteria frequently used by the growers in the area (32 % ETo from the beginning of the season to the end of the first half of linear fruit growth phase, 74 % ETo during the second half of linear fruit growth phase and 36 % ETo during the end of fruit growth and ripening phase) and T2 plants were irrigated as T1, except during the second half of linear fruit growth phase, in which irrigation was withheld. To ensure the recovery of T2 plants re-irrigation was performed at the levels used in T0. T1 plants achieved a moderate water stress level, whereas T2 plants achieved a more pronounced water stress level, from which they completely recovered when plants were rewatered. During ripening the peel of pomegranate fruits changes to show higher luminosity and greater red saturation. Also, the colour of the arils changes to a more perceptible red colour as a consequence of the increasing total anthocyanin content. However, neither the intense red colour of the arils nor their total phenolic compounds content was correlated with the juice antioxidant capacity. Considerable differences were observed in the response of pomegranate fruits to both deficit irrigation treatments. In this sense, fruits from T1 plants showed a decrease in fruit growth, leading to a lower final fruit size and lower total yield, and some changes in colour and chemical characteristics, which reflected earlier ripening. In contrast, a more pronounced water stress during the second half of the fruit growth phase (T2) was more critical for fruit size than for the chemical characteristics of the fruit, probably



because under this situation carbon assimilation should be allocated to the synthesis of primary metabolites, which did not exceeded the amount used for fruit growth to the detriment of the synthesis of carbon-based secondary metabolites.




Efectos a largo plazo del riego deficitario sostenido en la producción de cítricos en Andalucía occidental

García-Tejero I.F., Arriaga J., Durán-Zuazo V.H., Muriel-Fernández J.L.

IFAPA Centro ‘Las Torres-Tomejil’ Ctra. Sevilla-Cazalla km. 12’2. 41.200. Alcalá del Río (Sevilla)

RESUMEN

El presente trabajo examina los efectos a largo plazo de diferentes estrategias de riego deficitario sostenido (RDS) en una finca comercial de cítricos (Citrus sinensis L. Osb. cv. Salustiana) de 14 años de edad. Entre los años 2005 – 2010 se estudió la respuesta del cultivo a tres estrategias de riego deficitario, definidas en función de diferentes índices de estrés hídrico, con recortes en las dosis de riego aplicadas del 25, 35 y 50% de la evapotranspiración del cultivo (ETc) respectivamente. Paralelamente, se estableció un control regado a demanda, que recibió una cantidad de agua correspondiente al 100% de la ETc. Durante la etapa de máxima demanda evapotranspirativa se realizaron medidas periódicas del potencial hídrico del cultivo, determinándose al final de cada campaña la producción de cada uno de los tratamientos. A partir de los resultados obtenidos, se calcularon las funciones de pérdida de producción capaces de establecer el comportamiento temporal del cultivo cuando éste se encuentra sometido de forma continuada a diferentes niveles de estrés hídrico. Se concluye que, la respuesta del cultivo al estrés hídrico siguió una oscilación creciente con una atenuación progresiva a lo largo de los años, evidenciándose la existencia de relaciones altamente significativas entre el nivel de estrés hídrico soportado por el cultivo y las pérdidas de producción del mismo para cada uno de los tratamientos ensayados.




Huella y eficiencia hídricas del melocotonero extratemprano con riego localizado

Vera J.1,2, López-Martínez L.1, Abrisqueta I.1, Conejero W.1, Abrisqueta J.M.1,2, Ruiz-Sánchez M.C.1,2

1Dpto. Riego, Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC), P.O. Box 164, 30100 Murcia, Spain 2Unidad Asociada al CSIC de ‘Horticultura Sostenible en Zonas Áridas’ (UPCT-CEBAS)

RESUMEN

Se evalúan diferentes técnicas de cultivo (riego y poda verde) en melocotoneros adultos extratempranos en condiciones de riego localizado en ambiente mediterráneo. Se estudian las relaciones agua-planta y se analiza la respuesta productiva del cultivo en términos de eficiencia del uso del agua de riego (EUA) y huella hídrica. En condiciones semiáridas la componente de la huella azul predominó sobre la componente de huella verde. La menor huella azul se relacionó con los máximos valores de EUA, que se mostraron en el tratamiento de riego deficitario controlado en el que se realiza poda en verde, quedando de manifiesto el efecto positivo de esta técnica de cultivo, que permite aliviar el déficit hídrico impuesto en la postcosecha y mejorar la producción.




Sustainable water management in a late season table grape in California.

Abrisqueta I., Ayars J.E.

San Joaquin Valley Agricultural Science Center (SJVASC, USDA-ARS), 9611 S Riverbend Ave, Parlier, CA. 93648, US. [email protected]

ABSTRACT

This report covers the first year's data for deficit irrigation of table grape production in the San Joaquin Valley. The objective was to determine the effects and limits of deficit irrigation strategies on vine development, yield and grape quality for table grape production. A 0.9 ha plot was selected in Delano (California) in a ‘Crimson Seedless’ late maturing table grape. The vines were drip irrigated with one lateral in each row of vines with three emitters per vine and a discharge of 3.8 L h-1. Three irrigation treatments were used: T1 as the normal grower practice (GP) and two deficit irrigated treatments, T2 and T3, as a percentage reduction of GP of 30% and 60% at veraison, respectively. As a result, positive effects of deficit strategies on berry quality were found with no decrease in total yield.




Relevancia del índice de cosecha de las plantas de trigo en su capacidad de respuesta al CO2 elevado

Erice G.1, Sanz-Sáez A.2, Araus J.L.2, Irigoyen J.J.1, Sánchez-Díaz M.1, Aranjuelo I.3

1Departamento de Biología Vegetal, Sección Biología Vegetal, (Unidad Asociada al CSIC, EEAD, Zaragoza e ICVV, Logroño) Facultades de Ciencias y Farmacia, Universidad de Navarra, c/Irunlarrea 1, 31008 Pamplona, Navarra. 2Unitat de Fisiologia Vegetal, Facultat de Biología, Universitat de Barcelona, Diagonal 645, 08028, Barcelona 3Instituto de Agrobiotecnología-CSIC-UPNA-Gobierno de Navarra, Ctra Mutilva s/n, Mutilva Baja, Navarra

RESUMEN

Con el aumento de la concentración atmosférica de CO2 se espera un incremento en la fotosíntesis y en la producción, así como el cierre estomático y una mayor eficiencia en el uso del agua. Sin embargo, estudios previos sugieren que a largo plazo la estimulación fotosintética puede desaparecer. Un factor clave en esta aclimatación fotosintética es la relación entre fuentes y sumideros de carbono de la planta. El presente trabajo analiza la respuesta de dos variedades de trigo con diferentes índices de cosecha (HI) (genotipo actual, Sula, frente a genotipo del siglo pasado, Blanqueta) al crecimiento en condiciones de CO2 elevado y diferente disponibilidad hídrica. El aumento de CO2 incrementó la biomasa total en la variedad actual, independientemente del régimen hídrico. En esta variedad se obtuvo un mayor rendimiento, reflejado en un mayor HI y producción de grano, debido al mayor peso de grano por espiga, a pesar del menor número de ahijados y espigas. En condiciones de sequía, se obseva un descenso del HI en ambas variedades. La variedad Sula no mostró aclimatación fotosintética. La sequía redujo la fotosíntesis de todas las plantas pero de manera más acusada en Blanqueta. El descenso en la actividad fotosintética de los dos genotipos sometidos a sequía, se debió al descenso en la conductancia del mesófilo y por tanto al CO2 a nivel del cloroplasto. En condiciones control, ambas variedades vieron reducida la concentración de las dos subunidades de la rubisco. La sequía limitó la capacidad máxima de regeneración de la RuBP.




Respuestas fisiológicas de la cebada a la interacción de la salinidad y el elevado CO2 -Prospección ante el cambio climático-

Pérez-López U*.

Departamento de Biología Vegetal y Ecología, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco (UPV/EHU).

*Contacto: [email protected]

RESUMEN

El estrés salino constituye para la agricultura mundial uno de los más importantes estreses abióticos estimándose que anualmente se incrementa en un 1,5 Mha las áreas salinas. Por otro lado, se prevé que para finales del siglo XXI la concentración de CO2 atmosférica alcance niveles que dupliquen los actuales. Si bien el elevado CO2 conduce a un mayor crecimiento de la planta por mayores tasas fotosintéticas y mayor eficiencia en el uso del agua, estos efectos positivos están sujetos a otras limitaciones ambientales como la salinidad. Nuestros resultados muestran que ante la salinidad la cebada realiza ajuste osmótico, reduce la transpiración e induce el sistema antioxidante. Sin embargo, estos mecanismos no son suficientes para contrarrestar sus consecuencias negativas y ocurre un descenso del crecimiento. Bajo elevado CO2, la reducción del crecimiento provocada por la salinidad es inferior, resultado de mayor turgencia celular, tasas fotosintéticas más elevadas, mayor ajuste osmótico, eficiencia en el uso del agua superior, menor producción de especies reactivas de oxígeno y el mantenimiento de los niveles de proteínas. Todo ello pone de manifiesto que bajo nuestras condiciones de estudio el elevado CO2 tiene efectos beneficiosos sobre la fisiología de la cebada e incrementa su tolerancia a la salinidad.




Respuestas fisiológicas de la Vid al déficit hídrico y durante la recuperación: implicaciones en la eficiencia en el uso del agua

Alicia Pou, Jaume Flexas y Hipólito Medrano

Grup de Recerca en Biologia de les Plantes en Condicions Mediterrànies. Departament de Biologia, Universitat de les Illes Balears. Carretera de Valldemossa Km 7.5, 07122 Palma de Mallorca (Balears), Spain.

[email protected]

RESUMEN

En esta Tesis se han estudiado en el ámbito de la Ecofisiología, las respuestas de la Vid al déficit hídrico y se ha profundizado en la recuperación tras riego. Con esta se ha pretendido disponer de un mejor entendimiento de diferentes aspectos de la regulación de los flujos de agua y carbono y de sus efectos sobre la eficiencia del uso del agua a nivel foliar.

En resumen, los resultados revelan que durante el estrés hídrico y la recuperación, el cultivo de la Vid responde con una fina regulación estomática que, juntamente con la regulación de la conductancia del mesófilo y un importante papel de la conductividad hidráulica (y por lo tanto, de algunas aquaporinas) permite minimizar la pérdida de agua por transpiración y maximizar la eficiencia en el uso del agua.




Evaporative Cooling Effects on Tree Transpiration

Steven Green2, Ian Goodwin1, David Cornwall1

1Department of Primary Industries, Tatura, Australia, [email protected] 2Plant and Food Research, Palmerston North, New Zealand

ABSTRACT

Overhead sprinklers or micro-sprays are used in apple orchards in Australia to reduce the incidence of sunburn. The threshold for sunburn damage is when the fruit surface temperature exceeds about 46° C for a period of 1 h or more. Evaporative cooling occurs while the fruit surface remains wet and this is an effective way to lower fruit temperatures on hot days. The aim of the evaporative cooling is to apply the water at the right time, and at the right amount to achieve effective cooling of fruit and at the same time avoid excess runoff to the understory. The impact of evaporative cooling on irrigation requirements is unknown. The objective of this study was to undertake some preliminary observations of the effects on fruit temperature and tree transpiration (T).

The sap flow technique was used to determine T in a commercial “Royal Gala” apple (Malus domestica) orchard where overhead microjets were already being used for evaporative cooling. The application rate of the microjets was fixed at 2.4 mm/h. Evaporative cooling commenced when air temperature exceeded approximately 32° C and water was applied in cycles of 20 min on and 20 min off. Six trees were instrumented with sap flow sensors. Three trees (treatment) received evaporative cooling while the other three trees (control) did not. Sap flow was measured at 10-minute intervals using the compensation heat-pulse method. Two probe sets were placed into each tree trunk, with the sensors measuring heat pulse velocity at four radial depths. A reference value for the potential evapotranspiration (ETo) was calculated from local weather data measured at the orchard site. A leaf wetness sensor was placed under the sprinklers to deduce the surface wetness of the apples.

T declined by approximately 50 % when the overhead microjets were applying water for evaporative cooling. In the control trees, T decreased by approximately 5 % in response to changes in air temperature and relative humidity. T recovered rapidly soon after the water was cut off. The implication of these results for irrigation requirements will be discussed.




Potential changes in irrigation requirements and phenology of maize, apple trees and alfalfa under global change conditions in Fluvià watershed during XXIst century: results from a modeling approximation to watershed-level water balance

R. Savé1,*, F. de Herralde1, X. Aranda1, E. Pla2, D. Pascual2, I. Funes1, C. Biel1

1IRTA. Torre Marimon. E-08140 Caldes de Montbui. (Barcelona). Spain 2CREAF – UAB; Catalonia. Spain

* Corresponding author: [email protected]

ABSTRACT

To evaluate the vulnerability of agriculture under Mediterranean conditions, the real water needs of agriculture in the Fluvià watershed (Catalonia, NE Spain) were estimated for the XXIst century using a combination of downscaled climate projections (ECHAM5 plus MM5) in two IPCC scenarios (B1 and A2), watershed hydrological model (SWAT) and FAO procedure to calculate crop potential evapotranspiration. In comparison with baseline conditions (1984-2008), climate projections predicted a 12% (B1) to 28% (A2) reduction in precipitation, and a 2.2 ºC (B1) to 3.6 ºC (A2) increment of mean annual temperature at the end of the XXI Century (2076-2100). The changes of the environmental conditions would affect the real water availability in different crops: water required for irrigation would increase significantly along the century, ranging from 40 to 250% depending on the crop, because of a direct decrease in the amount of water available along the growing season and because of the effects of the projected climatic conditions on potential evapotranspiration (ET0) and on the phenology of these crops. Results are showing the high sensitivity of agriculture, despite its expanding technology, to changes in climate, and even more to site, plot, orchard or terroir conditions.




What are olive trees doing during a summer night at Alentejo - water potential, water redistribution and water reserves

Isabel Ferreira1, Nuno Conceição1 José Enrique Fernández2, Nadezhda Nadezhdina3 and Steve Green4

1Dept de Ciências e Engenharia dos Biossistemas DCEB/ CEER, Instituto Superior de Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, [email protected] 2Instituto de Recursos Naturales y Agrobiologia, CSIC, Sevilla, Spain, [email protected] 3Institute of Forest Ecology, Mendel University of Agricultural and Forestry, Brno, Czech Republic [email protected] 4Tranzflo NZ Ltd, Parata St, Palmerston North, New Zealand, [email protected]

ABSTRACT

Hydraulic redistribution, in the context of root systems functioning, applies to the movement of water using the root pathways, between different underground sectors where roots are located, as a response to differences in water potential. Experimental evidence suggests that this mechanism contributes to the relative independence of deep rooted plants from rain distribution asymmetries between seasons: in Mediterranean climates, wet winter and dry summer. This can apply for instance to rainfed agricultural stands such as traditional olive groves as well as to agro-forestry oak stands, as shown in several studies in Portugal in “montado” since 2003 (WATERUSE project). The understanding of survival strategies is one of the aims of WUSSIAAME project. The access to the water table could be a condition for the survival of such ecosystems. From an ecological perspective, it is particularly critical to understand the dynamics and importance of hydraulic redistribution, especially in a context of increasing competition for water uses. The observation of sap flow was the tool selected to follow this process. Sap flow sensors using an approach that allows measuring fluxes in both directions were installed during 2010 and 2011 in roots and stems of one rainfed traditional and one irrigated intensive olive orchard (Olea europea) at Ferreira do Alentejo. Variations in stem diameter are recorded continuously and leaf water potential is followed. The first results are described and related with the seasonal and daily dynamics of stem diameter and water potential. The results clearly demonstrate the existence of hydraulic lift, illustrate the ecological importance of nightime water redistribution mechanism in rainfed orchards and stress the importance of preserving water tables for the chances to survive without irrigation.



Charla invitada Jueves 20

In honour of Professor Manuel Sánchez-Díaz, a pioneer in the study of plant-water relations

Becana M.

Departamento de Nutrición Vegetal, Estación Experimental de Aula Dei, CSIC, Apartado 13034, 50080 Zaragoza, Spain

ABSTRACT

In this talk, I will give an overview of the human profile and scientific achievements of Prof. Manuel Sánchez-Díaz, on the occasion of his retirement after more than 40 years of service in several academic and research institutions, especially in the University of Navarra (Pamplona, Spain). During his remarkable career, he has worked in different aspects of water stress in cereals, legumes, and grapevine using ecophysiological and biochemical approaches. In Spain, Manuel was a pioneer of studies in plant physiology and, particularly, in plant-water relations. The subjects of his research included, to name a few, the effects of rhizobial and mycorrhizal symbioses, antioxidant defenses, and high carbon dioxide-temperature interactions on the water stress tolerance of plants. All of us, who have had the immense pleasure and privilege to work with him, will miss his honest support and timely advice but will be comforted by his enduring friendship.



Sesión 3. Relaciones hídricas en especies no cultivadas y forestales Jueves 20

Dynamics of embolism formation in Eucalyptus pauciflora seedlings.

Martorell S.1, Díaz-Espejo A.2, Medrano H.1, Ball M.C.3, Choat B.4

1Grup de Biologia de les plantes en condicions mediterrànies. Departament de Biología. UIB. Ctra Valldemossa km 7.5. 07122 Palma de Mallorca. [email protected]

2Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla. Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Avda. Reina Mercedes, 10. 41012 Sevilla (Spain).

3Plant Science Division, Research School of Biology, The Australian National University, Canberra, ACT 0200, Australia. 4Hawkesbury Institute for the Environment. University of Western Sydney. Hawkesbury Campus. Penrith, 2751, NSW, Australia.

ABSTRACT

Drought is one of the main factors controlling primary productivity and shaping the distribution of plant species. Despite of the large work on this topic there is a lack of knowledge about the influence of hydraulic conductance during the recovery stage after drought. We performed an experiment to evaluate the response of Eucalyptus pauciflora to drought and recovery. Results allowed us to identify several stages in the process of response to water stress and following recovery. The first stage was characterized by an extremely high and vulnerable hydraulic conductivity, together with a high stomatal conductance (gs). At the recovery stage, gs and transpiration (E) remains lower than control. Eucalyptus pauciflora recovered the hydraulic system within 6 hours by refilling the embolised vessels, suggesting the potential involvement of chemical signals in the recovery of gs.




Xylem hydraulic traits and anatomy of two Mediterranean shrubs: Rhamnus ludovici-salvatoris and Rhamnus alaternus

Hanan El Aou-ouad1,2, Rosa Ana López Rodríguez3, Martin David Venturas3 , Sebastia Martorell2, Hipólito Medrano1, Ahmed Lamarti2 and Javier Gulías1

1Department of Biology, the University of the Balearic Islands, Ctra Valldemossa km 7.5, 07122 Palma de Mallorca, Spain 2Département de Biologie, Université Abdelmalek Essaadi, Faculté des sciences, B.P. 2121 93002 Tetouan, Morocco 3U.D. Anatomía, Fisiología y Genética vegetales ETSI Montes. Universidad Politécnica de Madrid Ciudad Universitaria 28040 Madrid

ABSTRACT

Mediterranean plants have evolved a number of morphological and physiological adaptations that determine their ability to survive and grow, being an effective water uptake and use important factors for drought resistance. In this study, we compared hydraulic safety (water potential at 50% loss of conductivity, Ψ50), hydraulic efficiency (specific conductivity, k(s)) and xylem anatomy (mean vessels diameter, d (mean), mean hydraulic diameter, d(h), of two sclerophyllous Mediterranean shrubs: Rhamnus ludovici-salvatoris is an endemic species of the Balearic Islands whose distribution area is being reduced while Rhamnus alaternus is widely distributed along Mediterranean basin. Measurements were conducted between February and March. The results showed that Rhamnus alaternus was less vulnerable to xylem cavitation (Ψ50=-4 MPa) than Rhamnus ludovici-salvatoris (Ψ50= -2,6MPa). Mean diameter (dmean), hydraulic diameter (dh) and vessel density (VD) were significantly different between both species studied. The observed differences between the two species in anatomical and xylem embolism may explain their different adaptive mechanisms and capacity for survival under water stress conditions.




Some secrets of Argania spinosa water economy in a semiarid climate

Díaz Barradas M.C., Zunzunegui M., Esquivias M.P., Boutaleb S., Valera-Burgos J., Tagma T., Ain-Lhout F.

Departamento de Biología Vegetal y Ecología, Universidad de Sevilla, SPAIN. [email protected]

ABSTRACT

Argania spinosa is an example of an avoider tree growing under semi-arid conditions in Morocco. To assess which are the physiological strategies of this species, different variables were measured through an annual cycle in two populations close to the town of Agadir. Results show the expected decrease of Ψ, with an increase of A/gs with the out coming of the dry season. In summer gs was sensitive to VPD, and stomatal closure occurred over 30 mbar of VPD. Surprisingly, δ13C maintained very low values over the year, with almost no relationship with any physiological or morphological variable. Hence Argania spinosa presents a complex set of mechanisms to avoid water deficit, but δ13C cannot be used as an ecological tracer of long term WUE.




Calibracion de sondas ECH2O de humedad del suelo

Usubelli A.1, Domene M.2, Rodrigo G.2, Cabot O.2, Ferrer F.2

1Università degli studi di Milano, Dipartimento di Agronomia, Via Celoria 2, 20133 Milano (Italia) 2LabFerrer, c/Ferran el Catòlic,3 · 25200 Cervera · www.lab-ferrer.com · [email protected]

RESUMEN

Las sondas ECH2O de humedad del suelo tienen aplicaciones muy diversas en trabajos experimentales y de investigación. En ciertos casos es necesaria una calibración específica según el tipo de suelo. En el trabajo se reprodujo la metodología de calibración en laboratorio para un suelo arenoso, poniendo especial énfasis en la recompactación del suelo como factor principal de error. El procedimiento de trabajo consiguió mitigar el efecto negativo de una mala recompactación y la nueva ecuación de calibración mejoró notablemente la estimación de la humedad volumétrica.




Efecto de la aplicación de aire caliente en el estado hídrico de acículas y tallos de cuatro especies del género Pinus.

Pilar Pita, Rosa Ana López, Luis Gil

Unidad docente de Anatomía y Fisiología vegetal, ETSIMontes, UPM. Ciudad Universitaria sn 28040 Madrid. [email protected]

RESUMEN

Se analizan las respuestas fisiológicas al viento caliente (t>39ºC) como posibles mecanismos de adaptación al fuego en cuatro especies del género Pinus, dos de ellas rebrotadoras y las otras dos, no. En las especies rebrotadoras se midieron mayores valores de contenido hídrico relativo en tallos tras el tratamiento con aire caliente. La especie capaz de mantener mayores valores de potencial hídrico mantuvo también los mayores valores de conductancia hidráulica en tallos pero sufrió el mayor descenso de potencial osmótico.




Functional and biochemical response to drought of 6 clones of Pinus pinaster Ait.

Marina de Miguel, David Sánchez-Gómez, Mª Ángeles Guevara, Nuria de María, Jose Antonio Mancha, Mª Carmen Barbero, Luis Díaz-Díez, Mª Teresa Cervera, Ismael Aranda

INIA-CIFOR, Departamento de Ecología y Genética Forestal, Carretera de la Coruña Km7.5 28040 Madrid, Spain. [email protected]

ABSTRACT

Pinus pinaster Ait. is a species with an important ecological and productive value, comprising a high intra-specific variability in terms of water stress sensitivity. In this study we aimed to determine the mechanisms involved in drought adaptation of P. pinaster and their genetic variation. Two watering regimes were established for 6 clones of P. pinaster grown in controlled conditions. We measured gas exchange, osmotic potential and metabolomic profile. We detected differences between clones and treatments for the analyzed functional and molecular traits, and significant correlations of osmotic potential with gas exchange and several compatible organic compounds concentration in adult needles.




Evaluación de diversos indicadores de tolerancia al estrés hídrico en Pinus radiata D. Don.

De Diego N.1,2, Muñoz-Rueda A.3, Mena-Petite A.3, Moncaleán P.1*, Lacuesta M.2*

1Departamento de Biotecnología, NEIKER-TECNALIA, Vitoria-Gasteiz. 2Departamento de Biología Vegetal y Ecología, Facultad de Farmacia, UPV/EHU, Vitoria-Gasteiz. 3Departamento de Biología Vegetal y Ecología, Facultad de Ciencia t Tecnología, UPV/EHU, Leioa. [email protected]

RESUMEN

El conocimiento de los mecanismos que determinan la tolerancia de las especies forestales a la sequía es fundamental para la selección de individuos tolerantes que puedan hacer frente a las condiciones adversas relacionadas con el cambio climático. Por ello, en este estudio se evaluarán diferentes ecotipos de Pinus radiata en respuesta a la sequía. Los ecotipos más tolerantes presentaron un eficiente control estomático y un mayor ajuste osmótico activo que les permitió mantener su turgencia a más largo plazo.




Interactions between water stress and high temperatures on the pine wilt disease development in Pinus spp.

Fernandes P.1, Mendes A.1, Fonseca L.2, Abrantes I.2, Máguas C.1 & Correia O1*.

1Centre for Environmental Biology, Faculty of Sciences, University of Lisbon, Campo Grande, 1749-016 Lisboa, Portugal. 2IMAR – CMA, Department of Life Sciences, University of Coimbra, 3004-517 Coimbra, Portugal.

* corresponding author: [email protected]

ABSTRACT

The pine wilt disease (PWD) caused by the pinewood nematode (PWN), Bursaphelenchus xylophilus, is considered a major threat to pine forest worldwide. In order to understand the PWD development on three Pinus species (P. pinaster, P. pinea and P. radiata) we evaluate the symptoms evolution and the physiological response of the pine tree species to PWN infection in different environmental conditions, namely temperature and water availability. The PWD symptoms evolution followed symptomatically the decrease in gas exchange rates and water potential values and was faster under high temperature and low water availability than in more favourable conditions. These results confirm the hypothesis that pine species react differently to PWD and that superimposed water stress conditions enhance the development of the PWD in more susceptible species such as P. pinaster and P. radiata.




Influencia del manejo del suelo en las relaciones ecohidrológicas de una plantación agroforestal

Biel C.1, Molina A.J.1, Aranda X.1, Llorens P.2, Savé R.1

1IRTA-Torre Marimon, 08140 Caldes de Montbui. [email protected] 2IDAEA-CSIC, Departamento de Geociencia, Barcelona

RESUMEN

El objetivo de este trabajo es evaluar cómo afecta el manejo del suelo al balance de agua y al crecimiento de una plantación de cerezos para madera sin riego. Los tratamientos que se comparan son: no trabajado (NT), donde se ha dejado desarrollar la vegetación ruderal y arvense espontánea, y trabajado (T), donde se ha labrado el suelo periódicamente. Los componentes del balance de agua que se han estudiado han sido la transpiración y la variación del contenido de agua en el suelo. Los resultados durante el primer año muestran que la presencia de cubierta verde ha provocado una disminución del contenido de agua del suelo y de la transpiración del árbol. Como consecuencia de ello el crecimiento en diámetro se ha reducido un 30% respecto a los árboles del tratamiento trabajado. Estos resultados son básicos para la valoración de los flujos de agua y de carbono.




Efecto del déficit hídrico en la eficiencia en el uso del agua en especies mediterráneas útiles en el ajardinamiento de cubiertas verdes extensivas

Azeñas V.A., Conesa M.A., Medrano H., Gulías J.

Grupo de Investigación en Biología de las Plantas en Condiciones Mediterráneas. Departamento de Biología. Universidad de las Islas Baleares, Crta de Valldemossa Km. 7,5. 07122 Palma de Mallorca

RESUMEN

La implementación de cubiertas (tejados) verdes extensivas presenta una serie de características: beneficios y dificultades específicas.Si bien esta práctica está ampliamente implantada en zonas de clima templado y oceánico, su implementación en zonas de clima mediterráneo supone, entre otros retos, la elección de especies que, además de ser estéticamente interesantes y de bajo mantenimiento, sean capaces de resistir, en poca profundidad de sustrato,condiciones de déficit hídrico provocadas tanto por la escasez de agua disponible como por un elevado déficit de presión de vapor. El objetivo del presente trabajo es estudiar el efecto del déficit hídrico sobre la eficiencia en el uso del agua en tres especies mediterráneas potencialmente interesantes en el ajardinamiento de tejadosverdes.

Se estudió la eficiencia intrínseca y la eficiencia instantánea en el uso del agua en plantas de Matthiola sinuata, Brachypodium phoenicoides y Elymus farctus crecidas bajo dos regímenes hídricos: riego a capacidad de campo, riego al 75% de capacidad de campo. Los resultados muestran un incremento de la eficiencia intrínseca y de la eficiencia instantánea en el uso del agua en las plantas crecidas al 75% de capacidad de campo. La variación de la conductancia estomática en función del potencial hídrico al amanecer mostró diferencias específicas, lo que sugiere que estas especies presentan diferentes estrategias de afrontar el déficit hídrico en suelo.



Conferencia de clausura Jueves 20

Respuestas fisiológicas de las plantas a componentes del cambio climático: CO2, temperatura, UV-B y sequía. Mecanismos e interacciones

Manuel Sánchez-Díaz

Dpto de Biología Vegetal. Sección Biología Vegetal (Unidad Asociada al CSIC, EEAD Zaragoza e ICVV Logroño)

Facultades de Ciencias y Farmacia, Universidad de Navarra, Pamplona

ABSTRACT

The general scientific consensus is that a significant change in world climate will occur during the present century, largely because of an increased concentration of greenhouse gases in the atmosphere. The most important gas is CO2, which is increasing by about 0.5 % per year. It is predicted that average temperature of the earth surface will increase by 2ºC, and precipitation will also increase in high latitudes but will decrease in low latitudes. Plant growth can be stimulated by elevated CO2. Photosynthesis increases and economic yield is often enhanced with changes in active tissue quality (wider C/N ratio) and effects on community dynamics. The application of more CO2 can increase plant water use efficiency and result in less water use. Global change is a multifactorial process, involving not only rising atmospheric CO2 concentration, but also other important components such as global warming and UV-B radiation in association with variations in precipitations. How the CO2 effects on plants and ecosystems are regulated by such stress factors has not been carefully examined. In that respect, manipulative experiments which allow to test interactive, additive impacts which commonly cannot be differentiated in field environment observations, will be a grand challenge in environmental plant physiology.

Pósteres



Relación de pósteres

P01

Evaluación del estrés hídrico en una plantación de olivar en seto de alta densidad a partir de medidas de flujo de savia y diámetro del tronco.

Cuevas M.V., Martín-Palomo M.J., Díaz-Espejo A., Torres-Ruiz J.M., Rodriguez-Dominguez C., Perez-Martin A., Pino-Mejías R., Fernández J.E.

Día 18, Panel 1

P02

Posibilidad de uso de sondas de reflectometría de impedancia coaxial aplicadas a troncos de árboles para la determinación del estado hídrico.

Tapias R., Fernández M., Puech I. Día 18, Panel 2

P03 El aumento del giro en las hojas de olivo como mecanismo de fotoprotección.

Perez-Martin A., Durán P., Diaz-Espejo A. Día 18, Panel 3

P04

The photochemical reflectance index (PRI) as an early water stress indicator in the endangered species Tuberaria major.

Osório M.L., Osório J., Romano A. Día 18, Panel 4

P05

Spatial uncertainty in sap velocity measurements and tree water use upscaling in American beech.

Hernández-Santana V., Alvarado-Barrientos M.S., Asbjornsen H. Día 18, Panel 5

P06

Prueba de sondas para medir conductividad y humedad del sustrato en maceta en condiciones salinas.

Valdés, R., Miralles, J., Ochoa, J., Franco, J.A., Sánchez-Blanco, M.J., Bañón, S.

Día 18, Panel 6

P07

Medida de la eficiencia en la transpiración a escala de planta en un ecosistema de matorral.

Ballesteros A.L., Pérez-Priego O., Serrano-Ortiz P., Sánchez-Cañete E., Carrara A., Domingo F., Kowalski A.S.

Día 18, Panel 7

P08

Transpiration Estimated by means of Penman-Monteith and Priestley-Taylor formulas: Comparison with sap flow measurement in olive orchards (Olea europaea L. cv.Chemlali).

Bchir A., Boussadia O., Lemeur R., Braham M. Día 18, Panel 8

P09

Soil water loss and surface resistance of two main evaporation soil sources in semiarid ecosystems: soil under plant and soil in the interplant spaces.

Chamizo S., Morillas L., Villagarcía L., Were A., Rodríguez-Caballero E., Domingo F., Cantón Y.

Día 18, Panel 9

P10 The role of canopy transpiration in the water balance of Mediterranean drylands.

Morillas L., Villagarcía L., García M., Were A., Domingo F. Día 18, Panel 10



P11

Coping with drought: the role of the hydraulic design in a mature Quercus suber tree.

David T.S., David J.S., Pinto C.A., Cermak J., Nadezhdin V., Nadezhdina N.

Día 18, Panel 11

P12

Dewfall plays an important role in the water balance of a semiarid coastal steppe ecosystem.

Uclés O.M., Villagarcía L., Canton Y., Domingo F. Día 18, Panel 12

P13

Symbiosis between Medicago sativa and arbuscular mycorrhizae; a strategy to survive under semiarid environments.

Pedranzani, H.E., Quiroga A.M., Jofre Gutierrez A.A., Ruiz Lozano, J.M. Día 19, Panel 1

P14

La estrategia hídrica como factor determinante tanto del estado ecofisiológico como de su evolución a lo largo de la sequía estival de especies coexistentes en el bosque Mediterráneo Continental.

Forner A., Aranda I., Valladares F. Día 19, Panel 2

P15

Las costras biológicas: fuente de agua esencial para la vegetación de ecosistemas áridos.

Rodríguez-Caballero E., Sobrino J., Chamizo S., Were A., Villagarcía, L., Lázaro R., Solé A., Cantón Y., Jetten V.

Día 19, Panel 3

P16

Water productivity and crop yield in five chickpea varieties – how important is supplemental irrigation?

Silva L.L., Duarte I., Simões N., Lourenço E., Chaves M.M. Día 19, Panel 4

P17

Efecto del riego en la respuesta agronómica de Vitis vinifera variedad Godello en la DO Ribeiro. Resultados en 2011.

Trigo-Córdoba E., Gómez-Sanmartín J.M., Díaz-Losada E., Martínez-Rego F., Orriols-Fernández I., Mirás-Avalos J.M.

Día 19, Panel 5

P18

Impact of deficit irrigation on ABA metabolism and genes in grape skin and sedes.

Zarrouk O., Pintó-Marijuán M., Francisco R., Brossa R., López-Carbonell M., Alegre L., Chaves M.M.

Día 19, Panel 6

P19

Involvement of endogenous ABA on Bacillus megaterium PGPR activity in tomato plant.

Porcel R., Zamarreño A.M., García-Mina J.M., Aroca R. Día 19, Panel 7

P20 Predicting root-to-shoot ABA signaling during alternated partial rootzone drying.

Pérez-Pérez J.G., Botía P., Dodd I.C. Día 19, Panel 8



P21

Influencia de la radiación UV-B sobre la composición de flavonoides en baya de vid (Vitis vinífera L. Cv. Tempranillo) bajo condiciones de déficit hídrico.

Martínez-Lüscher J., Pascual I., Hilbert G., Aguirreolea J., Delrot S., Sánchez-Díaz M., Gomès E.

Día 19, Panel 9

P22

Characterization of chickpea (Cicer arietinum) accessions in the field - leaf gas-exchange and temperature.

Costa J.M., Simões N., Toureiro A., Duarte I., Pinheiro C., Chaves M. Día 19, Panel 10

P23

Estudio de la interacción de la salinidad y alto CO2 sobre la síntesis de prolina y actividad fosfoenolpiruvato carboxilasa en cebada y remolacha.

Sánchez AJ, Gandullo J, Martínez JJ, Ruiz I, Feria AB, Echevarría C, Alvarez R.

Día 20, Panel 1

P24

Evolution of amino acids and amines during berry ripening in Vitis vinifera L. cv. Tempranillo subjected to water deficit irrigation.

Niculcea M., Martínez-Lapuente L., Guadalupe Z., Sánchez-Díaz M., Ayestarán B., Antolín MC.

Día 20, Panel 2

P25

Las hemoglobinas vegetales no simbióticas tipo 2 como herramientas para la mejora biotecnológica de cultivos.

Gisbert C., Timoneda A., Marí C., Sifres A., Albadalejo I., Serrano R., Mulet J.M.

Día 20, Panel 3

P26

Implicación de la fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC) foliar en la tolerancia al déficit de Fe y en la síntesis de prolina tras la subsiguiente exposición a salinidad: diferencias entre 6 variedades de cebada.

Arias C., Bosch N., Begines D., Echevarría C., Monreal J.A., García-Mauriño S.

Día 20, Panel 4

P27

AtTPS1 expression in Medicago truncatula alters leaf water potential and photosynthesis at growth light.

Alcântara A., Silvestre S., Morgado R., Marques da Silva J., Fevereiro P., Araújo S.S., Bernardes da Silva A.

Día 20, Panel 5

P28

Efecto de la competencia sobre la interacción elevado CO2-sequía en la fotosíntesis y producción de biomasa de 4 especies pratenses.

Miranda-Apodaca J., Pérez-López U., Robredo A., Lacuesta M., Mena-Petite A., Muñoz-Rueda A.

Día 20, Panel 6

P29

Efecto del CO2, la temperatura y el estrés hídrico en la fisiología de plantas de melocotonero injertadas sobre GF 677 y Adesoto.

Jiménez S., Gutiérrez D., Barja-Afonso M.V., Irigoyen J.J., Sánchez-Díaz M., Moreno M.A., Gogorcena Y.

Día 20, Panel 7



P30

Response of stem carbohydrates and cell wall components to different nitrogen sources in drought-stressed alfalfa plants.

Fiasconaro M.L., Gogorcena Y., Muñoz F., Andueza D., Sánchez-Díaz M., Antolín M.C.

Día 20, Panel 8

P31

Chloride nutrition: novel functions in water relations.

Franco-Navarro J.D., Brumós J., Rosales M.A., Cubero-Font P., Luque-González S, Vázquez-Rodríguez A., Rivero C., Talón M., Colmenero-Flores J.M.

Día 20, Panel 9

P32 Alteraciones del Fe en soluciones de fertirriego por aplicación de peróxidos.

Orihuela D.L., Tormos P., Hernández J.C., Cuervo Y., Flores F. Día 20, Panel 10



Evaluación del estrés hídrico en una plantación de olivar en seto de alta densidad a partir de medidas de flujo de savia y diámetro del tronco

Cuevas M.V.1, Martín-Palomo M.J.2, Díaz-Espejo A.1, Torres-Ruiz J.M.1, Rodriguez-Dominguez C.1, Perez-Martin A.1, Pino-Mejías R.4, Fernández J.E.1

1Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (IRNAS-CSIC), Apartado 1052, 41080-Sevilla, España. [email protected] 2ETSIA, Departamento de Ciencias Agroforestales, Carretera de Utrera, 41013-Sevilla, España. 4Departamento de estadística e I.O., Universidad de Sevilla, Avda. Reina Mercedes s/n, 41012-Sevilla, España.

RESUMEN

Para evaluar el estrés hídrico de una plantación de olivar ‘Arbequina’ de alta densidad se realizaron medidas de flujo de savia (FS) y de variaciones del diámetro del tronco (VDT). Se calcularon las diferencias diarias entre árboles con riego deficitario controlado (RDC, dos tratamientos) y árboles control bien regados, tanto de la transpiración del árbol (DEp) como del valor máximo diario del diámetro del tronco (DMXDT). La evolución estacional de DEp se ajustó razonablemente bien a la del potencial hídrico del tallo (Ψtallo). La fiabilidad del índice DMXDT fue menor que la del índice DEp.



Posibilidad de uso de sondas de reflectometría de impedancia coaxial aplicadas a troncos de árboles para la determinación del estado hídrico

Raúl Tapias1, Manuel Fernández1, Ignacio Puech2

1Universidad de Huelva. Escuela Técnica Superior de Ingeniería. 21819, Palos de la Frontera, Huelva. [email protected], [email protected] 2Puech & Asociados. c/ San Salvador 5, 1H, 41013, Sevilla. [email protected]

RESUMEN

En un tronco de Eucalyptus globulus se insertó durante tres meses una sonda de humedad suelos (Hydra-Probe II Soil Sensor) con el fin de analizar su utilidad para la monitorización en continuo del estado hídrico de un árbol. De los parámetros medidos por esta sonda, la permitividad imaginaria resultó mejor correlacionada con el crecimiento diametral del tronco. No obstante se precisa una ampliación del estudio en un rango mayor de potencial hídrico del árbol para analizar con detalle su comportamiento, así como su ensayo en otras especies para comprobar si el grado de respuesta es general o específica.



El aumento del giro en las hojas de olivo como mecanismo de fotoprotección

Perez-Martin A.1, Durán P.1, Diaz-Espejo A.1

1Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (IRNAS-CSIC), Aptdo. 1052, 41080-Sevilla, Spain. [email protected]

RESUMEN

Se estudió la evolución mensual de los ángulos de inclinación y giro en las hojas y la presencia de fotoinhibición en plantas de olivo a lo largo del verano mediterráneo, caracterizado por una alta radiación, con el objetivo de identificar mecanismos de fotoprotección. Los ángulos medidos de inclinación y giro fueron mayores de 0º, lo que supuso un mecanismo fotoprotector de evitación de captación de radiación al permitir a las hojas tener disposiciones paraheliotrópicas que minimizaron la captura de radiación. Por primera vez se describe el aumento del ángulo de giro en olivo. Este aumento probablemente actúe como mecanismo fotoprotector alternativo, al simultanear el momento de mayor captación de radiación con el de mayor uso fotosintético de la energía. Gracias a estos valores de ángulos medidos la planta consiguió evitar la fotoinhibición típica que ocurre en ambientes con elevada radiación.



The photochemical reflectance index (PRI) as an early water stress

indicator in the endangered species Tuberaria major

Osório M.L.1, Osório J.2, Romano A.1

1Institute for Biotechnology and Bioengineering, Centre of Genomics and Biotechnology (IBB-CGB) and 2Institute of Mediterranean Agricultural and Environmental Sciences (ICAAM),, Faculty of Sciences and Technology, University of Algarve, Ed. 8, Campus de Gambelas, 8005-139 Faro, Portugal. [email protected]

ABSTRACT

The relationships between photochemical reflectance index (PRI) and a number of physiological processes were investigated in T. major in order to validate the use of PRI as an early water stress indicator for this species. Water status, gas exchange, chlorophyll fluorescence, water index (WI) and PRI were measured on leaves of moderately waterstressed and well-watered plants. Results showed strong correlation

between PRI and relative water content (RWC), water potential (pd), photosynthetic

rate (PN), stomatal conductance (gs), fluorescence yield of the photosystem II (II) and non-photochemical quenching (NPQ). On the contrary, no correlations were found with

WI, except for II. Thus, relationships established here, reinforce the idea that PRI

could be a sensible, nondestructive and low cost method for assessing plant water status and photosynthetic efficiency in T. major and, probably, in other species and functional types across a wide range of conditions.



Spatial uncertainty in sap velocity measurements and tree water use upscaling in American beech

Hernández-Santana V.1,2, Alvarado-Barrientos M.S.2, Asbjornsen H.2

1Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (IRNAS-CSIC), Aptdo. 1052, 41080-Sevilla, Spain. [email protected] 2 Dept. Natural Resources and the Environment, University of New Hampshire, Durham, NH, 03824, USA

ABSTRACT

We examined the variation in sap velocity radially, azimuthally, at different heights and across different tree sizes for the species Fagus grandifolia. The results demonstrate that the main sources of variability are radial variability and tree size. The implications for scaling up routine point measurements of sap velocity to the whole-tree and stand levels are discussed.



Prueba de sondas para medir conductividad y humedad del sustrato en maceta en condiciones salinas

Valdés R.1; Miralles J.1, Ochoa J.1, Franco J.A.1,3, Sánchez-Blanco M.J.2,3, Bañón S.1,3

1Departamento de Producción Vegetal, Universidad Politécnica de Cartagena. 30203 Cartagena, Spain. [email protected] 2Departamento de Riego, CEBAS-CSIC. P.O. Box 164. 30100 Espinardo, Spain 3Unidad Asociada al CSIC. Horticultura Sostenible en Zonas Áridas. Universidad Politécnica de Cartagena. Cartagena, Spain.

ABSTRACT

New automated irrigation systems are based on volumetric water content (θv) estimated by probes. However, the probes readings are usually affected by salinity. The aim of this study was to test the probes 5-EC, HydraProbe-II (HPII) and WET under saline conditions in coconut fiber. The probes were subjected to 5, 10, 15 and 20 dS/m of pore electrical conductivity at different θv. The probe HPII and 5-EC overestimated the θv submitted at high salinity and humidity, and HPII increased its variability as well. Thus, both probes require a specific calibration in the presence of salinity. The WET probe was not significantly affected.



Medida de la eficiencia en la transpiración a escala de planta en un ecosistema de matorral

Ballesteros A.L.1,2, Pérez-Priego O.1,2, Serrano-Ortiz P.1,3, Sánchez-Cañete E.1,3, Carrara A.

4, Domingo F.3, Kowalski A.S.1,2

1Centro Andaluz de Medio Ambiente (CEAMA), Av. Mediterráneo s/n, 18006 – Granada. [email protected] 2 Dpto. de Física Aplicada, Universidad de Granada (UGR), Av. Fuentenueva S/N, 18071, Granada. 3Estación experimental de zonas áridas (EEZA-CSIC), Crta. Sacramento S/N 04120, La cañada de San Urbano, Almería. 4Centro de Estudios Ambientales del Mediterráneo (CEAM), Parque Tecnológico C/ Charles R. Darwin, 14, 46980 – Paterna.

RESUMEN

El matorral constituye uno de los principales ecosistemas en el área Mediterránea. A pesar de su importancia, pocos estudios han valorado el papel del agua en el comportamiento como fuente o sumidero de carbono de dichos ecosistemas. En este trabajo presentamos un sistema de cámara de cierre transitorio para la caracterización de los intercambios de vapor de agua y CO2 a nivel de planta entera y algunos resultados obtenidos en un ecosistema de matorral situado en la Sierra de Gádor, Almería.



Transpiration Estimated by means of Penman-Monteith and Priestley-Taylor formulas: Comparison with sap flow measurement in olive orchards (Olea europaea L. cv.Chemlali)

Bchir A. 1,2,3, Boussadia O.2, Lemeur R.4, Braham M.2

1Institut Supérieu d’Agronomie, Chott-Mariem, Tunisie, [email protected] 2Laboratoire d’Ecophysiologie; Institut de l’Olivier de Sousse, Tunisie, 3Laboratori de Fisiologia Vegetal, Departament de Biologia, Universitat de les Iles Balears, España 4Laboratoire d’Ecologie des Plantes; Université de Gent, Belgique.

ABSTRACT

This experimental study was conducted on irrigated olive trees (cv. Chemlali) growing in the arid climate of Gafsa (Tunisia). This study aims to estimate correctly the water consumption of the olive trees in order to save water and to optimize irrigation.

To achieve these objectives calculation of water requirements was based on both physiologic and climatic parameters. The physiologic method is based on estimation of the xylem sap flow and the climatic method is based on calculation of reference evapotranspiration.

Sap flow was estimated for whole trees using the thermal dissipation method. To estimate the reference evapotranspiration (ET0) and transpiration we used Penman-Monteith and Priestley-Taylor formulas. The required inputs for the calculation are stomatal resistance and climatic parameters (temperature, solar radiation, soil heat flux, air humidity and wind speed).

Results shows that sap flow depends essentially on solar radiation (R2 = 0.92). This study showed a good correlation between the reference evapotranspiration calculated by Penman-Monteith equation (PM) and that calculated by Priestley-Taylor equation (PT) of (R2 = 0.98). Similarly for transpiration calculated by these two models, we observed a highly significant positive correlation (R2 = 0.97). Compare with transpiration (the xylem sap flow) measured by the thermal dissipation method, it was clear that the PT equation gives results closer than that given by the PM equation.



Soil water loss and surface resistance of two main evaporation soil sources in semiarid ecosystems: soil under plant and soil in the interplant spaces

Chamizo S.1, Morillas L.2, Villagarcía L.3, Were A.2, Rodríguez-Caballero E.1, Domingo F.2, Cantón Y.1

1Departamento de Edafología y Química Agrícola, Universidad de Almería, 04120-Almería, Spain. [email protected] 2Estación Experimental de Zonas Áridas (EEZA-CSIC), 04120-Almería, Spain. 3Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales, Universidad Pablo de Olavide, 41013-Sevilla, Spain.

ABSTRACT

Evaporation is the most important process controlling water availability and thus, plant productivity in semiarid ecosystems. In this study, we analyse water losses from two main evaporation soil sources: the soil under plant and the interplant soil covered by bare soil, stones and biological soil crusts. Our results show that the soil under plant presented the highest surface resistance to water loss. Evaporation in the interplant spaces depended on the type of cover occupying these spaces. Stones decreased evaporation, whereas bare soils showed the highest evaporation. Biological crusts showed intermediate water losses and these vary depending on crust composition.



The role of canopy transpiration in the water balance of Mediterranean drylands

Morillas L.1, Villagarcía L.2, García M.3, Were, A.1, Domingo F.1,4

1Estación Experimental de Zonas Áridas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Ctra. de Sacramento s/n La Cañada de San Urbano, 04120 Almería (Spain) [email protected] 2Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales. Universidad Pablo de Olavide , 41013 Sevilla, Spain. 3Institute of Geography and Geology, University of Copenhagen, Copenhagen,Denmark. 4Departamento de Biología Vegetal y Ecología. Universidad de Almería, 04120 Almería, Spain.

ABSTRACT

Canopy transpiration (Ec) has been estimated using an adapted version of a two-source model based on the Penman Montheith equation in two different Mediterranean drylands in SE Spain. Very different roles of Ec on the water balance were found between the two ecosystems. In a subhumid montane site Ec represented 65% of the precipitation, being the main component controlling ecosystem water loss, with a marked seasonal pattern. However, in a semiarid littoral site Ec represented 26% of the precipitation, which was only ~10% more than the soil evaporation contribution. Ec

patterns in this area did not present a clear seasonality, although it showed a pulse-like behaviour after precipitation under high irradiance conditions. Our results showed that simple two-source evapotranspiration models are a useful tool for the analysis of vegetation dynamics and the identification of main components controlling water balance in drylands.



Coping with drought: the role of the hydraulic design in a mature Quercus suber tree

David T.S.1,4, David J.S.2,4, Pinto C.A.1, Cermak J.3, Nadezhdin V 3, Nadezhdina N.3

1Instituto Nacional de Recursos Biológicos I.P., Quinta do Marquês, Av. da República, 2780-159 Oeiras, Portugal. email:[email protected] 2Instituto Superior de Agronomia, Technical University of Lisbon, Tapada da Ajuda, 1349-017 Lisboa, Portugal. 3Institute of Forest Botany, Dendrology and Geobiocenology, Mendel University, Zemedelska 3 613 00 Brno, Czech Republic. 4Centro de Estudos Florestais, Tapada da Ajuda, 1349-017 Lisboa, Portugal.

ABSTRACT

The spatial arrangement of conduits in the xylem network is likely to affect the transport of water, propagation of embolism, and plant survival and growth. We evaluated the xylem hydraulic connections from roots to crown in a mature Quercus suber L. tree, through sap flow responses upon branch severing. Sap flow was recorded in stem and roots by the heat field deformation method (HFD). Results showed that stem and taproot were highly sectored, while the rest of the roots was predominantly hydraulically integrated (connected to all crown parts). The hydraulic sectoriality in stem and taproot may be regarded as an adaptive trait to water stress, restricting damages localized in plant parts from being dispersed throughout the crown. The integrated hydraulic structure of roots is advantageous under patchy soil conditions, but may allow the spread of root diseases.



Dewfall plays an important role in the water balance of a semiarid coastal steppe ecosystem

O.M. Uclés1*, L. Villagarcía2, Y. Canton3 & F. Domingo1

1Estación Experimental de Zonas Áridas (EEZA-CSIC). Carretera de Sacramento s/n. 04120 - La Cañada de San Urbano Almería, (Spain); [email protected]; [email protected]. 2Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales, Universidad Pablo de Olavide, Carretera de Utrera Km1, 41013 – Sevilla (Spain); [email protected]. 3Departamento de Edafología y Química Agrícola. Universidad de Almería. La Cañada de San Urbano s/n. Almería (Spain); [email protected].

ABSTRACT

Dewfall is widely recognised as an important source of water for many ecosystems, especially in arid and semiarid areas, contributing to improve daily and annual water balances and leading to increased interest in its study in recent years. In this study, occurrence, frequency and amount of dewfall were measured from January 2007 to December 2010 to find out its contribution to the local water balance in a Mediterranean semiarid steppe ecosystem dominated by scattered tussocks of Stipa tenacissima (Balsa Blanca, Almería, SE Spain). For this purpose, we developed a dewfall measurement method, “The Combined Dewfall Estimation Method” (CDEM). Dewfall condensation was recorded on 78% of the nights during the study period. Dewfall episodes were longer in late autumn and winter and shorter during spring. Annual dewfall represented the 16%, 23%, 15% and 9% of rainfall, respectively. Furthermore, when a wet period was compared to a dry one, the dewfall contribution to the water balance at the site was found to be 9% and 1553%, respectively.



Symbiosis between Medicago sativa and arbuscular mycorrhizae; a strategy to survive under semiarid environments

Pedranzani, H.E1., Quiroga A.M1., Jofre Gutierrez A.A1., Ruiz Lozano, J.M2

1Laboratorio Fisiologia Vegetal FICES. Universidad Nacional de San Luis. Argentina. [email protected] 2Microbiología de Suelos y Sistemas Simbióticos Estación Experimental del Zaidin. CSIC. Granada, España.

ABSTRACT

This study investigated several aspects related to abiotic stresses in arbuscular mycorrhizal (AM) Medicago sativa plants. Non-AM and AM alfalfa plants were grown under well-watered or stressed conditions, drought (seven days without water), salt (200 mM NaCl) and cold (24 and 73 h at 4±1 C) and percentage of root colonization, stomatal conductance, photosynthetic efficiency and shoot biomass productions were determined. Results showed 60% of roots colonization by Glomus intrarradices, which persisted in all stress treatment. AM plants were protected against abiotic stresses as shown by their significantly higher stomatal conductivity and shoot-biomass production. In contrast, under the different stresses, photosynthetic efficiency in AM plants was similar or lower than in control non AM plants, perhaps as a mechanism to protect plants from oxidative stress, which appeared after the first hours of stress.



La estrategia hídrica como factor determinante tanto del estado ecofisiológico como de su evolución a lo largo de la sequía estival de especies coexistentes en el bosque Mediterráneo Continental

Forner A.1, Aranda I.2, Valladares F.1,3

1Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN-CSIC), Calle José Abascal 2, 28006 Madrid. [email protected] 2INIA. Centro de Investigación Forestal. Dpto de Ecología y Genética Forestal. Crta. La Coruña km 7,5. 28040 Madrid. Spain 3Universidad Rey Juan Carlos (URJC), Calle Tulipán s/n, 28933 Móstoles, Madrid.

RESUMEN

En este trabajo se ha abordado el estudio del efecto de la sequía estival en el estado ecofisiológico de tres especies forestales coexistentes en un clima Mediterráneo continental (Quercus ilex, Quercus faginea y Pinus nigra), y la importancia de las estrategias hídricas seguidas por las tres como factor determinante de su respuesta y evolución en el tiempo. Los resultados mostraron pautas muy diferenciales en cuanto a la sensibilización frente a la sequía. Q. ilex y Q. faginea mostraron patrones menos conservadores en relación al uso del agua que P. nigra. El pino manifestó además una sensibilidad más acusada a la reducción hídrica a lo largo del verano. La disminución estival en el potencial hídrico al amanecer fue mucho menor que en las otras especies, así como el consumo hídrico medido en hoja y a partir del flujo de savia en todo el árbol. Se discuten brevemente los resultados en el posible marco de evolución de las tres especies en la zona.



Las costras biológicas: fuente de agua esencial para la vegetación de ecosistemas áridos

Rodríguez-Caballero E.1, Sobrino J.1, Chamizo S.1, Were A.2, Villagarcía, L.,3 Lázaro R.2, Solé A.2, Cantón Y.1,Jetten V.4

1Departamento de Edafología y Química Agrícola, Universidad de Almería, 04120-Almería, Spain. [email protected] 2 Estación Experimental de Zonas Áridas (EEZA-CSIC), 04120-Almería, Spain. 3 Dept Ecologia, Universidad Pablo Olavide, Sevilla, Spain 4 Department of Earth Systems Analysis, (ITC) Faculty of Geoinformation Science and Earth observation,University of Twente, Holland

ABSTRACT

Las zonas áridas y semiáridas son sistemas heterogéneos formados por una matriz compleja de manchas vegetadas y no vegetadas que presentan comportamientos hidrológicos contrastados. Estas manchas se organizan siguiendo patrones espaciales bien definidos, generalmente condicionados por la disponibilidad de agua en el medio. Las manchas no vegetadas actúan como áreas fuentes de escorrentía, la cual es recirculada hacia zonas vegetadas (sumideros) aumentando la productividad del sistema. El objetivo de este trabajo es analizar como varia el papel que ejercen las diferentes manchas no vegetadas como fuentes de escorrentía para la vegetación. Para ello aplicamos el modelo LiSEM de simulación de escorrentía en un sistema semiárido dominado por costras físicas y biológicas en diferentes condiciones de lluvia. Las costras biológicas presentan un comportamiento hidrológico diferente, según las propiedades de la lluvia, mientras que las costras físicas siempre actúan como fuentes de escorrentía. La respuesta hidrológica de estas superficies encostradas tiene un papel fundamental en el funcionamiento de los ecosistemas áridos y semiáridos.



Water productivity and crop yield in five chickpea varieties – how important is supplemental irrigation?

Silva L.L.1*, Duarte I.2, Simões N.2, Lourenço E.1, Chaves M.M.3

1Évora University, Instituto de Ciências Agrárias e Ambientais Mediterrânicas (ICAAM), Apartado 94, 7002-554 Évora, Portugal.

2INRB, I.P./INIA, Elvas, Apartado 6, 7350-951 Elvas. Portugal. 3 Instituto de Tecnologia Química e Biológica (ITQB), Apartado 127, 2781-901 Oeiras. [email protected]

ABSTRACT

Chickpea (Cicer arietinum L.) is one of the most important pulse crops in the world as a source of protein for human consumption. In Mediterranean regions, chickpea is traditionally grown as a rainfed crop, thus highly dependent on rainfall. In this situation, supplemental irrigation may be applied. The objective of our study was to evaluate the improvement in crop yield and water productivity with supplemental irrigation in five chickpea varieties (three kabuli type and two desi type) from the Portuguese breeding selection program. Field tests were carried out over two cropping seasons (2009, dry year and 2010, wet year), in Southern Portugal, using four irrigation treatments, full (100%) crop irrigation requirements(IR), 50 % of IR, 25 % of IR and rainfed. A significant increase in grain and shoot biomass yields was observed especially in dry years. Elixir (kabuli type) variety showed the highest grain and biomass yield, harvest index and water productivity. In the dry year, the highest water productivity for grain and biomass production was attained at the 50% and in the wet year in the rainfed treatment.



Efecto del riego en la respuesta agronómica de Vitis vinifera variedad Godello en la DO Ribeiro. Resultados en 2011

Trigo-Córdoba E., Gómez-Sanmartín J.M., Díaz-Losada E., Martínez-Rego F., Orriols-Fernández I., Mirás-Avalos J.M.

Estación de Viticultura e Enoloxía de Galicia (EVEGA – INGACAL). Ponte San Clodio s/n. 32427 Leiro, Ourense, Spain. [email protected], [email protected]

RESUMEN

Los estudios sobre riego en viñedos gallegos son escasos. Una de las principales variedades de vid cultivadas en la denominación de origen Ribeiro (Galicia, NO España) es Godello. Este estudio se desarrolló en Leiro (Ourense, España) durante 2011. En una parcela de 0.2 ha cultivada con plantas de Godello de 14 años de edad se aplicaron dos tratamientos desde envero a tres semanas antes de la vendimia: un secano y un riego al 70% de la evapotranspiración potencial. El diseño experimental fue en bloques aleatorios con tres repeticiones. En total, se aplicaron 119 mm por planta. No se observaron diferencias en el estado hídrico entre las plantas de ambos tratamientos. Se registraron datos de producción, número de racimos y peso de 100 bayas. Además, se analizaron los mostos y los vinos. Las plantas en secano produjeron ligeramente más racimos y estos fueron más pesados (198 g) que los de las plantas regadas (167 g). Esta diferencia provocó una mayor producción, aunque no significativa, en las plantas en secano. Los parámetros del mosto fueron similares en ambos tratamientos salvo el pH y la acidez total. Los vinos procedentes de ambos tratamientos resultaron muy similares, si bien el procedente de las plantas regadas presentó una mayor acidez total y una mayor concentración en ácido tartárico. En conclusión, durante el año estudiado, el riego afectó a la respuesta agronómica de Godello; sin embargo, se necesitan más datos para extraer resultados concluyentes.



Impact of deficit irrigation on ABA metabolism and genes in grape skin and sedes

Zarrouk O.1*, Pintó-Marijuán M.1, Francisco R.1, Brossa R.2, López-Carbonell M.2, Alegre L.2, Chaves M.M.1,3

1Instituto de Tecnologia Quimica e Biologica, Oeiras, Universidade Nova de Lisboa, Portugal 2Departament Biologia Vegetal, Facultat de Biologia, Universidad de Barcelona, Spain 3CBAA, Instituto Superior de Agronomia, Universidade Tecnica de Lisboa, Lisboa, Portugal

*Corresponding author: [email protected]

ABSTRACT

The plant hormone abscisic acid (ABA) has been suggested to play a role in berry ripening since it accumulates around véraison and regulates primary and secondary metabolites biosynthesis during berry ripening. The measurement of free ABA alone may give limited information on the total amount of ABA produced over time during development within plant tissues since it is rapidly turned over in plants either by its degradation or by its storage in the bound form ABA-glucosylester (ABA-GE). Irrigation is being used in vineyard in order to maintain vine growth and yield under drought conditions. However, effects of the irrigation system on ABA metabolism during ripening are still largely unknown. In the present study we aimed at identifying the effect of different irrigation regimes on ABA metabolism in skin and seeds along grape berry ripening. Results showed that there were significant effects of the irrigation regime on the concentrations of ABA and ABA-GE and on the transcript profiles involved in ABA metabolism. It is suggested that in skin, ABA concentration might be regulated primarily by these genes and not by ABA from external source such as leaves and roots. In seeds, no reliable correlation between transcripts and concentrations were found, suggesting additional ABA metabolism steps and/or source influencing ABA in this tissue.



Involvement of endogenous ABA on Bacillus megaterium PGPR activity in tomato plant

Porcel R.1, Zamarreño A.M.2, García-Mina J.M.2, Aroca R.1

1Estación Experimental del Zaidín (EEZ-CSIC), Profesor Albareda 1, 18008-Granada. [email protected] 2R&D TAI Roullier Group, Polígono Arazuri-Orkoien, 31160-Orkoien.

ABSTRACT

The aim of the present study is to find out whether the activity of Bacillus megaterium PGPR is affected by the endogenous abscisic acid (ABA) content of the host plant. The ABA-deficient tomato mutants flacca and its near-isogenic wild-type parental line were used. Growth, stomatal conductance, hormone content and expression of plant genes expected to be modulated by ABA and PGPR were studied. Results showed that in ABA-defective mutant plants not only the PGPR is not promoting the growth but also is acting like a pathogen decreasing the growth. In fact, in ABA-defective mutant plants an over accumulation of ethylene occurs in presence of the PGPR correlating with a higher expression of pr1b gene. Hence, ABA seems to be essential for PGPR function.



Predicting root-to-shoot ABA signaling during alternated partial rootzone drying

Pérez-Pérez J.G.1, Botía P.1 and I.C. Dodd 2

1Department of Citriculture, IMIDA, 30150 La Alberca, Murcia, Spain. 2Centre for Sustainable Agriculture, Lancaster Environment Centre, University of Lancaster, LA1 4YQ, United Kingdom.

ABSTRACT

Partial rootzone drying (PRD) is a type of deficit irrigation that continuously exposes part of the crop rootzone to drying soil, by applying irrigation alternately to wet and dry parts of the rootzone. To determine the mechanisms by which alternation of irrigation

can enhance ABA signalling of plants grown with PRD, soil water content (), leaf

xylem ABA concentration ([X-ABA]leaf) and leaf water potential (Ψleaf) of tomato (Solanum lycopersicum L. cv. Ailsa Craig) plants were measured during soil wetting and drying cycles. Enhanced [X-ABA]leaf of PRD plants was more correlated with

changes in of the irrigated, than the drying, part of the root system. These results support the hypothesis than benefits of PRD could be more related with long-term physiological changes (eg. enhanced root growth) than with transient alterations of ABA signalling.



Influencia de la radiación UV-B sobre la composición de flavonoides en baya de vid (Vitis vinífera L. cv. Tempranillo) bajo condiciones de déficit hídrico

J. Martínez-Lüscher1,2, I. Pascual1, G. Hilbert2, J. Aguirreolea1, S. Delrot2, M. Sánchez-Díaz1, E. Gomès2

1Dpto. Biología Vegetal (Secc. Biología Vegetal. Unidad Asociada al CSIC, Estación Experimental de Aula Dei, Zaragoza e Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino, Logroño). Universidad de Navarra. Irunlarrea, 1. 31008. Pamplona. ESPAÑA 2UMR 1287 INRA/Université Bordeaux/BordeauxScience Agro “Ecophysiologie et Génomique Fonctionnelle de la Vigne”. Institut des Sciences de la Vigne et du Vin, 210 Chemin de Leysotte. 33883 Villenave D’Ornon. FRANCE

RESUMEN

El objetivo del presente trabajo fue estudiar los efectos de la radiación UV-B en interacción con el déficit hídrico sobre la composición de flavonoles y antocianinas presentes en la baya de vid. Se realizó un experimento en invernaderos de ambiente controlado con esquejes fructíferos de vid (Vitis vinifera cv. Tempranillo), en el que se ensayaron tres niveles de radiación UV-BBE (biológicamente efectiva) (0, 7 y 11 kJ m-2 día-1) y dos niveles de riego (agua no limitada y déficit hídrico moderado). La radiación UV-B no afectó a los principales parámetros de producción de la uva, en ninguno de los regímenes hídricos ensayados. La radiación UV-B incrementó la concentración de flavonoles en la piel de la baya, especialmente de derivados del kaempferol y la quercetina en las plantas bien regadas, y de derivados de la miricetina en las sometidas a sequía. La radiación UV-B provocó la acumulación antocianinas únicamente en las plantas bien regadas. Los resultados muestran una clara influencia de la radiación UV-B sobre la síntesis y composición de flavonoles y antocianinas en la baya, especialmente en condiciones de buena disponibilidad hídrica.



Characterization of chickpea (Cicer arietinum) accessions in the field - leaf gas-exchange and temperature

Costa J.M.1,2, Simões N.3, Toureiro A.3, Duarte I.3, Pinheiro C.2, Chaves M.2

1Centro de Botânica Aplicada à Agricultura, Instituto Superior de Agronomia – UTL, Tapada da Ajuda, 1349-017 Lisboa, Portugal. 2Laboratório de Ecofisiologia Molecular, Instituto de Tecnologia Química e Biológica -UNL, Apartado 127, 2780-901 Oeiras, Portugal. 3INIAV-ELVAS

ABSTRACT

The agricultural sector needs fast, reliable and non-invasive methods to characterize crops’ physiological traits and their condition in response to stress. We combined thermal imaging, leaf gas exchange and Chl fluorescence to characterize resistance to water stress in six genotypes of Cicer arietinum (chickpea). Field trials were carried out in Elvas, South Portugal. Plants were grown under rain-fed conditions. Observations were done at two development stages: 1) beginning flowering (end April 2011) and 2) end of flowering (mid June 2011). Tleaf and WUEi were higher at end than at beginning flowering due to decreased stomatal conductance and higher water deficits but ΦPSII values remain similar along the trial. We discuss limitations of the use of thermal imaging, namely due to the small size of leaflets as it occurs with chickpea.



Estudio de la interacción de la salinidad y alto CO2 sobre la síntesis de prolina y actividad fosfoenolpiruvato carboxilasa en cebada y remolacha

Sánchez A.J., Gandullo J., Martínez J.J., Ruiz I., Feria A.B., Echevarría C., Alvarez R.

Facultad de Biología. Universidad de Sevilla. Avenida de La Reina Mercedes 6, 41012-Sevilla, Españ[email protected]

RESUMEN

En este trabajo se ha estudiado el efecto combinado del CO2 y la salinidad sobre la actividad fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC) y la síntesis de prolina en cebada y remolacha. La actividad específica de la PEPC medida en hojas de remolacha fue superior en condiciones de salinidad (86 mM y 172 mM) y alto C02 en comparación con las condiciones de C02 ambiental, por lo que la PEPC podría contribuir a una mejora en la respuesta de las plantas al estrés salino y elevado CO2. En ambas especies, los niveles de prolina fueron más bajos en condiciones de CO2 elevado (800 ppm) que a CO2 ambiental, salvo en remolacha en condiciones de alta salinidad (172 mM). En condiciones atmosféricas, la síntesis de prolina aumento con la salinidad pero disminuyo considerablemente a 172 mM de NaCl.



Evolution of amino acids and amines during berry ripening in Vitis vinifera L. cv. Tempranillo subjected to water deficit irrigation

Niculcea M.1, Martínez-Lapuente L.2, Guadalupe Z.2, Sánchez-Díaz M.1, Ayestarán B.2, Antolín M.C.1

1Dpto. Biología Vegetal. Sección Biología Vegetal Unidad Asociada al CSIC (EEAD, Zaragoza; ICVV, Logroño). Facultades de Ciencias y Farmacia. Universidad de Navarra. C/ Irunlarrea 1, 31008 Pamplona, España. E mail: [email protected] 2Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino (Universidad de La Rioja, Gobierno de La Rioja y CSIC) C/Madre de Dios 51, 26006 Logroño, España

ABSTRACT

Water deficit irrigation to grapevines reduces yield and berry growth altering its ripening process, all of which may influence fruit composition and wine quality. Therefore, the goal of this work was analyze variations in fruit composition and specifically, in N-compounds under water deprivation. The study was carried out using container-grown Tempranillo grapevines grown under controlled conditions in a greenhouse. Two irrigation treatments were imposed: a control (well watered), and a sustained deficit irrigation (SDI). Water deficit reduced yield, berry size and concentrations of main phenolic compounds. At harvest, the content of amino acids and free ammonium was low in both treatments but SDI-treated berries showed a significant accumulation of amines.



Las hemoglobinas vegetales no simbióticas tipo 2 como herramientas para la mejora biotecnológica de cultivos.

Gisbert C.1, Timoneda A.1, Marí C.2, Sifres A.1, Albadalejo I.1, Serrano R.2, Mulet J.M.2

1Instituto de Conservación y Mejora de la Agrodiversidad Valenciana, Universitat Politècnica de València (UPV), Camino de Vera 14, 46022 Valencia 2Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (IBMCP) Universitat Politècnica de València-CSIC. Camino de Vera S/N 46022 Valencia. [email protected]

RESUMEN

Uno de los retos de la agricultura actual es conseguir alimentar de forma segura y asequible a una población en constante crecimiento. Esto obliga a aumentar el rendimiento de las cosechas, a pesar de que los recursos hídricos y el suelo cultivable son bienes cada vez más escasos. En nuestro laboratorio identificamos una hemoglobina vegetal no simbiótica de Beta vulgaris que capaz de conferir tolerancia a sequía (estrés osmótico) al ser sobreexpresada en el sistema modelo de Saccharomyces cerevisiae (Mulet JM y Serrano 2004). Las hemoglobinas vegetales son una familia de proteínas presentes en todo el reino vegetal. Igual que sus homólogos en animales tienen un grupo hemo y enlazan hierro de forma covalente. Sin embargo, su principal función no es la de transportar oxígeno y dióxido de carbono, sino que tienen una función enzimática implicada en prevenir procesos de oxidación celular, especialmente los relacionados con detoxificar especies reactivas de nitrógeno o de aportar oxigeno en condiciones muy específicas. En el presente póster presentamos los datos de la caracterización molecular de este nuevo gen, así como los resultados de su sobrexpresión en el sistema modelo de Arabidopsis thaliana y en tomate (Solanum lycopersicum L.).



Implicación de la fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC) foliar en la tolerancia al déficit de Fe y en la síntesis de prolina tras la subsiguiente exposición a salinidad: diferencias entre 6 variedades de cebada

Arias C., Bosch N., Begines D., Echevarría C., Monreal J.A., García-Mauriño S.

Facultad de Biología de la Universidad de Sevilla, Avenida de La Reina Mercedes 6, 41012-Sevilla, España. [email protected].

RESUMEN

Se ha investigado la implicación de la PEPC foliar en la tolerancia al déficit de Fe, y en la síntesis de prolina en respuesta a salinidad, bajo distintos regímenes de nutrición férrica en seis variedades de cebada. La disminución del aporte de Fe causó un aumento discreto de la actividad PEPC foliar, con diferentas en la respuesta a carencia de Fe entre las seis variedades de cebada, encontrándose una correlación positiva y estadísticamente significativa entre la actividad PEPC foliar y el peso fresco de las

hojas bajo restricción de Fe (0.5 M). De igual manera, se midieron variaciones en la

síntesis de prolina en las hojas de las seis variedades en salinidad, que se correlacionaba positivamente con la actividad PEPC foliar bajo suministro de Fe 0.5

M. Por tanto, se perfila la PEPC foliar como diana potencial para la mejora de la tolerancia de las plantas a estreses que afectan negativamente a la fotosíntesis, como la carencia de Fe y la salinidad.



AtTPS1 expression in Medicago truncatula alters leaf water potential and photosynthesis at growth light

Alcântara A.1, Silvestre S.1, Morgado R.3, Marques da Silva J.1,2, Fevereiro P.2,3, Araújo S.S.3,4, Bernardes da Silva A.1,2

1Center for Biodiversity, Functional and Integrative Genomics (BioFIG) , Campo Grande, 1700 Lisboa, Portugal. 2Departamento de Biologia Vegetal, Faculdade de Ciências,Universidade de Lisboa, Campo Grande, 1700 Lisboa, Portugal. 3Plant Cell Biotechnology Lab, Instituto de Tecnologia Química e Biológica (ITQB), Universidade Nova de Lisboa (UNL), Apartado 127, 2781-901 Oeiras, Portugal 4Centro de Veterinária e Zootecnia, Instituto de Investigação Científica e Tropical, Faculdade de Medicina Veterinária, Avenida da Universidade Técnica, 1300-477 Lisboa, Portugal. ([email protected])

ABSTRACT

Variations in leaf water potential (w) and photosynthesis (A) caused by water

withdrawal were assessed in five transgenic M. truncatula lines with different expression levels of the trehalose phosphate synthase 1 coding sequence from Arabidopsis thaliana (AtTPS1) in comparison with the non-transformed M9-10a line. Altered CO2 fixation rate and leaf water potential were observed among the tested lines. Altogether results suggested that transgenic TPS07 and TPS16 lines have increased water deficit tolerance when compared to the non-transgenic line, but without a positive correlation to the transgene RNA expression levels.



Efecto de la competencia sobre la interacción elevado CO2-sequía en la fotosíntesis y producción de biomasa de 4 especies pratenses

Miranda-Apodaca J.1, Pérez-López U.1, Robredo A.1, Lacuesta M.2, Mena-Petite A.1, Muñoz-Rueda A.1

Departamento de Biología Vegetal y Ecología, Facultad de Ciencia y Tecnología1 y Facultad de Farmacia2, Universidad del País Vasco (UPV/EHU). *Contacto: [email protected]

RESUMEN

Se ha estudiado el efecto de la concentración de CO2 de manera individual o en interacción con la sequía en el comportamiento de cuatro especies pratenses crecidas en competencia intraespecífica (monocultivo) o en competencia interespecífica (mezcla). Se ha puesto especial atención en la diferencia de respuesta entre grupos funcionales (gramíneas y leguminosas), analizando la respuesta fotosintética, la eficiencia instantánea en el uso del agua y la producción de biomasa en función del estado hídrico de la planta. La sequía afecta más al estado hídrico en leguminosas que en gramíneas, siendo el efecto mayor en las gramíneas cuando crecen en mezcla y en las leguminosas cuando crecen en monocultivo. La caída del potencial hídrico va acompañada por menores tasas de asimilación, debido fundamentalmente a una limitación estomática; sin embargo, cuando la sequía es más severa, también es debido a una limitación fotoquímica. Tanto la sequía como el elevado CO2 incrementan la eficiencia en el uso del agua. La asimilación del carbono y el uso del agua se ven más afectadas por la sequía en las leguminosas en monocultivo y en las gramíneas en mezcla. La alteración del estado hídrico y de la asimilación fotosintética provocan modificaciones en el crecimiento vegetativo de las especies estudiadas: aumentando en respuesta al incremento del CO2 y disminuyendo como consecuencia de la sequía, siendo el efecto de ésta parcialmente contrarrestado por el aumento del CO2.



Efecto del CO2, la temperatura y el estrés hídrico en la fisiología de plantas de melocotonero injertadas sobre GF 677 y Adesoto

Jiménez S.1, Gutiérrez D.1, Barja-Afonso M.V.1, Irigoyen J.J.2, Sánchez-Díaz M.2, Moreno M.A.1, Gogorcena Y.1

1Dpto. Pomología, Estación Experimental de Aula Dei (EEAD-CSIC), Avda de Montañana1005, 50059 Zaragoza 2Dpto. Biología Vegetal (Sección Biología Vegetal. Unidad Asociada al CSIC, Estación Experimental de Aula Dei, Zaragoza e Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino, Logroño). Universidad de Navarra, Irunlarrea 1, 31008, Pamplona

RESUMEN

En el presente estudio se analizó la respuesta a las condiciones derivadas del cambio climático (aumento en la concentración de CO2 y de la temperatura y estrés hídrico) en plantas de melocotonero (Prunus persica) injertadas sobre el patrón híbrido almendro-melocotonero GF 677 (P. amygdalus x P. persica) y el ciruelo Adesoto (P. insititia). Los árboles se establecieron en invernaderos de gradiente térmico y se sometieron a unas condiciones de concentración de CO2 ambiental (alrededor de 400 ppm) y elevada (700 ppm), de temperatura ambiental y elevada (ambiental + 4ºC) y de riego óptimo y sequía progresiva durante 23 días. Al final de este periodo, los potenciales hídricos y osmóticos fueron menores en el tratamiento de sequía y se vieron afectados por la concentración de CO2 y temperatura en ambos genotipos. Sin embargo, la respuesta de aclimatación entre genotipos fue distinta ya que el patrón Adesoto, al contrario que GF 677, indujo una respuesta de aclimatación fotosintética y estomática a una concentración de CO2 elevada, cuando ésta se combinó con temperatura elevada o sequía.



Response of stem carbohydrates and cell wall components to different nitrogen sources in drought-stressed alfalfa plants

Fiasconaro M.L.1, Gogorcena Y.2, Muñoz F.3, Andueza D.4, Sánchez-Díaz M.1, Antolín M.C.1

1Dpto. Biología Vegetal. Sección Biología Vegetal. Unidad Asociada al CSIC (EEAD, Zaragoza; ICVV, Logroño). Facultades de Ciencias y Farmacia. Universidad de Navarra. C/ Irunlarrea 1, 31008 Pamplona, Spain. Email: [email protected] 2Dpto. Pomología. Estación Experimental de Aula Dei. Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). P.O. Box. 13034, 50080 Zaragoza, Spain 3Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón P.O. Box. 727, 50080 Zaragoza, Spain 4INRA-URH. 63122 Saint Genès Champanelle. France

ABSTRACT

Symbiotic association of legumes with rhizobia frequently results in higher photosynthesis and soluble carbohydrates in comparison with nitrate-fed plants, which might improve its potential for biomass conversion into bioethanol. A greenhouse experiment was conducted to examine the effects of nitrogen source and water availability on stem carbohydrates and cell wall composition in alfalfa subjected to drought. Under well-watered conditions, nitrogen-fixing plants have increased stem fermentable carbohydrate concentrations, which result in higher potential for biomass conversion to bioethanol than in nitrate-fed plants. Drought-stressed nitrogen-fixing plants have high concentrations of fermentable carbohydrates and cell wall cellulose, but ammonium nitrate-fed plants produced higher plant and stem biomass.



Chloride nutrition: novel functions in water relations

Franco-Navarro J.D.1, Brumós J.2, Rosales M.A.1, Cubero-Font P.1, Luque-González S1, Vázquez-Rodríguez A.1, Rivero C.1, Talón M.2, Colmenero-Flores J.M.1

1Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNASE). Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Avda. Reina Mercedes 10, 41012-Sevilla, Spain. [email protected]. 2Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias. Centro de Genómica. Carretera Moncada - Náquera, Km. 4,5. 46113-Moncada (Valencia), Spain.

ABSTRACT

Although Cl- has been characterized as a micronutrient, we have observed that when available in the millimolar range (e.g. 1-5 mM), higher plants accumulate Cl- to levels that are typical of the content of a macronutrient (Plant Cell Env. 2010, 33: 2012-27). Since this requires a considerable cost of energy, we speculate whether Cl- might play a poorly understood function in plants when accumulated to macronutrient levels. Given that Cl- is a major osmotically active solute in the plant vacuole, we propose that this element alter plant water relation mechanisms. Besides promoting plant growth and dry weight, we observed that chloride nutrition in the millimolar range improved water parameters like the relative water content, leaf succulence and water use efficiency. Under conditions of water deficit chloride-treated plants exhibited an improved regulation of the water balance and drought-tolerance. According to the data obtained, we propose that critical factors behind these phenomena are an improved osmotic regulation, a reduced transpiration and developmental alterations.



Alteraciones del Fe en soluciones de fertirriego por aplicación de peróxidos

Orihuela D.L.1, Tormos P.1, Hernández J.C.1, Cuervo Y.2, Flores F.1

1Escuela Politécnica Superior de La Rábida, Universidad de Huelva, Apdo. 21819 Palos de La Frontera, Huelva, [email protected] 2Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. Universidad Nacional Autónoma de México. México.

RESUMEN

El objetivo de esta investigación es estudiar el comportamiento del hierro en una Solución Nutritiva de Fertirriego (SFN), cuando se cumplimenta con un proceso de adicción de peróxidos, como es el agua oxigenada H2O2. Se elige un cultivo de pimiento en hidroponía pura de plantas flotadas en la SNF.

Se concluye que la aplicación de H2O2 a la SNF, en los niveles aquí estudiados, afecta notablemente al comportamiento del hierro. El modelo de evolución de las analíticas de Fe en los tratamientos, salvo el Testigo, es similar.

Cuando se aplica H2O2 a la solución ocurren dos hechos: a) existen modificaciones de las especies químicas presentes en la SNF y b) se altera el modelo de absorción de la planta. Se produce un proceso de pérdida del Fe de la SNF por absorción por parte de la planta y un proceso de pérdidas/ganancias debidas a un proceso químico de disolución (ganancia) y/o precipitación (pérdida) del Fe.

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