Exploring the trade-off between photosynthetic capacity and water stress tolerance and its underlying foliar traits
- Autores: Miquel Nadal Nadal
- Directores de la Tesis: Javier Gulías León (dir. tes.), Jorge Gago Mariño (dir. tes.), Jaume Flexas Sans (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2020
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Hipólito Medrano Gil (presid.), José Manuel Torres Ruiz (secret.), Jill M. Farrant (secret.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biología de las Plantas por la Universidad de las Illes Balears
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
- español
La fotosíntesis es un proceso central para la fisiología vegetal; el conocimiento de los procesos bioquímicos y de difusión del CO2 involucrados en la fotosíntesis tiene una importancia clave para caracterizar el funcionamiento de las plantas, para comprender los cambios de la vegetación frente a futuros escenarios climáticos y para proporcionar herramientas para la mejora de los cultivos. No obstante, la posible relación negativa o compensación a nivel de hoja entre la fotosíntesis y la tolerancia a estrés hídrico no ha sido estudiada en detalle para tratar de establecer relaciones entre rasgos foliares. La fotosíntesis se ha relacionado con la hidráulica foliar, tanto en condiciones óptimas de disponibilidad de agua como en condiciones de estrés hídrico; en cambio, su posible relación con los parámetros que describen las relaciones hídricas (indicadores de tolerancia a la sequía) de las hojas ha sido pobremente estudiada.
Adicionalmente, un grupo de especies de helechos y angiospermas presentan auténtica tolerancia a la desecación (las llamadas ‘plantas de la resurrección’), siendo capaces de resistir y rehidratarse después de la pérdida completa de agua en sus tejidos vegetativos. El estudio de la fisiología de plantas sensibles y tolerantes a la desecación ayudará a comprobar la existencia de la compensación propuesta.
La presente tesis doctoral está compuesta por un total de nueve artículos que tratan los diferentes temas relacionados con la idea general de explorar la relación a nivel de hoja entre la fotosíntesis y la tolerancia a estrés hídrico. La tesis está dividida en tres partes principales: la primera parte explora las limitaciones a la fotosíntesis y las causas de su reducción en condiciones de estrés hídrico; esta parte incluye dos artículos que caracterizan la variación de los parámetros fotosintéticos presente en las plantas vasculares, la respuesta fotosintética durante el estrés hídrico y su coordinación con la respuesta hidráulica. La segunda parte describe las posibles relaciones entre el intercambio de gases en las hojas y las relaciones hídricas; esta parte está integrada por cuatro artículos que proporcionan nuevos datos experimentales que describen la relación inter- e intraespecífica entre la fotosíntesis, la hidráulica y las relaciones hídricas, así como los parámetros estructurales y bioquímicos que determinan su coordinación. Finalmente, la tercera parte tiene como objetivo caracterizar la fotosíntesis, la anatomía foliar y la respuesta a estrés hídrico en diversas especies tolerantes a la desecación. Los últimos tres artículos que componen esta parte cubren la anatomía foliar y la fotosíntesis en helechos y angiospermas ‘resurrección’, y describen la respuesta frente al estrés hídrico en la angiosperma Barbacenia purpurea y en el helecho Mohria caffrorum.
Los resultados describen como en los helechos y angiospermas la fotosíntesis presenta una relación inversa con la tolerancia a la sequía, siendo ésta analizada mediante los parámetros que describen las relaciones hídricas. La arquitectura foliar y su composición en nutrientes juegan un papel clave en esta relación. Las paredes celulares del mesófilo son un factor importante en el extremo de tolerancia que definen las plantas tolerantes a la desecación, ya que estas especies presentan algunas de las paredes más gruesas descritas en las plantas vasculares. En conjunto, esta tesis contribuye a establecer una compensación entre la capacidad fotosintética y la tolerancia a la sequía, a la integración de las relaciones hídricas dentro de las relaciones de productividad descritas en hojas (leaf economics spectrum), y a destacar las plantas de la resurrección como un posible grupo de plantas que ‘escapan’ las limitaciones impuestas por la compensación debido a sus particularidades anatómicas, constituyendo así un grupo interesante como modelo para una futura mejora de los cultivos.
- català
La fotosíntesi és un procés central per a la fisiologia vegetal; el coneixement dels processos bioquímics i de difusió del CO2 involucrats en la fotosíntesi té una importància clau per a la caracterització del funcionament de les plantes, per comprendre els canvis en la vegetació en front a futurs escenaris climàtics i per proporcionar eines per a una millora dels cultius. No obstant, la possible relació negativa o compensació a les fulles entre la fotosíntesi i la tolerància a estrès hídric no ha estat estudiada en detall en termes d’establir relacions entre trets foliars. La fotosíntesi s’ha relacionat amb la hidràulica foliar, tant en condicions òptimes de disponibilitat d’aigua com en condicions d’estrès hídric; en canvi, el seu possible lligam amb els paràmetres que descriuen les relacions hídriques (indicadors de tolerància a la sequera) de les fulles ha estat pobrament estudiat. Addicionalment, un grup d’espècies de falgueres i angiospermes presenten autèntica tolerància a la dessecació (les anomenades ‘plantes de la resurrecció’), sent capaces de resistir i rehidratar-se després de la pèrdua completa d’aigua als seus teixits vegetatius. L’estudi de la fisiologia de plantes sensibles i tolerants a la dessecació ajudarà a comprovar l’existència de la compensació proposada.
La present tesi doctoral està composta per un total de nou articles que tracten els diferents temes relacionats amb la idea general d’explorar la relació a nivell de fulla entre la fotosíntesi i la tolerància a estrès hídric. La tesi es troba dividida en tres parts principals: la primera part explora les limitacions a la fotosíntesi i les causes de la seva reducció en condicions d’estrès hídric; aquesta part inclou dos articles que caracteritzen la variació dels paràmetres fotosintètics present a les plantes vasculars, la resposta fotosintètica durant l’estrès hídric i la seva coordinació amb la resposta hidràulica. La segona part descriu les possibles relacions entre l’intercanvi de gasos a les fulles i les relacions hídriques; aquesta part està integrada per quatre articles que proporcionen noves dades experimentals que descriuen la relació inter- i intraespecífica entre la fotosíntesi, la hidràulica i les relacions hídriques, així com els paràmetres estructurals i bioquímics que determinen la seva coordinació. Finalment, la tercera part té com objectiu caracteritzar la fotosíntesi, l’anatomia foliar i la resposta a estrès hídric en diverses espècies tolerants a la dessecació. Els darrers tres articles que componen aquesta part cobreixen l’anatomia foliar i la fotosíntesi en falgueres i angiospermes ‘resurrecció’, i descriuen la resposta enfront l’estrès hídric a l’angiosperma Barbacenia purpurea i a la falguera Mohria caffrorum.
Els resultats descriuen com a les falgueres i angiospermes la fotosíntesi presenta una relació inversa amb la tolerància a la sequera, aquesta analitzada mitjançant els paràmetres que descriuen les relacions hídriques. L’arquitectura foliar i la seva composició en nutrients juguen un paper clau en aquesta relació. Les parets cel·lulars del mesòfil són un factor important a l’extrem de tolerància que constitueixen les plantes tolerants a la dessecació, ja que aquestes espècies presenten algunes de les parets més gruixudes descrites a les plantes vasculars. En conjunt, aquesta tesi contribueix a l’establiment d’una compensació entre la capacitat fotosintètica i la tolerància a la sequera, a la integració de les relacions hídriques dins les relacions de productivitat anteriorment descrites en fulles (leaf economics spectrum), i a destacar les plantes de la resurrecció com a un possible grups de plantes que ‘escapen’ les limitacions imposades per la compensació degut a les seves particularitats anatòmiques, constituint així un grup interessant com a model per a una futura millora dels cultius.
- English
Photosynthesis is a key process central to plant physiology, and the understanding of the biochemical and CO2 diffusion processes involved in photosynthesis is of key importance to characterise plant function, understand vegetation changes under future climate scenarios and provide targets for crop improvement. However, the possible negative relationship or trade-off between leaflevel photosynthesis and water stress tolerance has not been profusely studied in terms of relationships among leaf traits. Photosynthesis has been related to leaf hydraulics, both under well-watered and water stress conditions; on the other hand, their possible link with parameters describing the water relations (indicators of drought tolerance) of leaves has been scarcely studied. Additionally, a group of fern and angiosperm are truly desiccation tolerant (the so-called ‘resurrection plants’), being able to withstand and rehydrate from complete loss of water in their vegetative tissues. The assessment of the general trade-off may benefit from the study of both desiccation-sensitive and desiccation-tolerant species and their physiology.
The present PhD thesis is composed of nine articles that cover different topics encompassed in the general idea of exploring the relationship between leaf-level photosynthesis and water stress. The thesis is divided in three main parts: part one explores the limitations to photosynthesis and its causes of decline under water stress, including two articles that characterise the variation among photosynthetic parameters in vascular plants, their response to water stress and their coordination with leaf hydraulics. Part two describes the possible relationships between gas exchange and water relations, and is integrated by four articles providing newly experimental data covering the inter- and intra-specific relationships between photosynthesis, hydraulics and water relations as well as their underlying structural and biochemical traits. Finally, part three aims to characterise the photosynthesis, leaf anatomy and response to water stress in resurrection plants; the last three articles cover the anatomy and photosynthesis in resurrection ferns and angiosperms, and describe the response to water stress in the resurrection angiosperm Barbacenia purpurea and in the fern Mohria caffrorum.
The results describe how photosynthesis is negatively related with drought tolerance as assessed by water relations parameters across ferns and angiosperms.
Leaf architecture and nutrient composition play a determinant role in this relationship.
Mesophyll cell walls are a key factor at the extreme end of desiccation tolerance, as resurrection species present the largest cell wall thickness among vascular plants.
Overall, this thesis contributes to establishing a general trade-off between photosynthetic capacity and drought tolerance, to integrate water relations into the leaf economics spectrum and to highlight resurrection plants as a possible outlier of such trade-off through their particular anatomical characteristics, which can provide a basis for crop improvement.
- español
