Comparison of different stomatal conductance algorithms for ozone flux modelling

A multiplicative and a semi-mechanistic, BWB-type [Ball, J.T., Woodrow, I.E., Berry, J.A., 1987. A model predicting stomatalconductance and its contribution to the control of photosynthesis under different environmental conditions. In: Biggens, J. (Ed.), Progress in Photosynthesis Research, vol. IV. Martinus Nijhoff, Dordrecht, pp. 221–224.] algorithm for calculating stomatalconductance (gs) at the leaf level have been parameterised for two crop and two tree species to test their use in regional scale ozone deposition modelling. The algorithms were tested against measured, site-specific data for durum wheat, grapevine, beech and birch of different European provenances. A direct comparison of both algorithms showed a similar performance in predicting hourly means and daily time-courses of gs, whereas the multiplicative algorithm outperformed the BWB-type algorithm in modelling seasonal time-courses due to the inclusion of a phenology function. The re-parameterisation of the algorithms for local conditions in order to validate ozone deposition modelling on a European scale reveals the higher input requirements of the BWB-type algorithm as compared to the multiplicative algorithm because of the need of the former to model net photosynthesis (An)

Midday measurements of leaf water potential and stomatal conductance are highly correlated with daily water use of Thompson Seedless grapevines

A study was conducted to determine the relationship between midday measurements of vine water status and daily water use of grapevines measured with a weighing lysimeter. Water applications to the vines were terminated on August 24th for 9 days and again on September 14th for 22 days. Daily water use of the vines in the lysimeter (ETLYS) was approximately 40 L vine−1 (5.3 mm) prior to turning the pump off, and it decreased to 22.3 L vine−1 by September 2nd. Pre-dawn leaf water potential (ΨPD) and midday Ψl on August 24th were −0.075 and −0.76 MPa, respectively, with midday Ψl decreasing to −1.28 MPa on September 2nd. Leaf g s decreased from ~500 to ~200 mmol m−2 s−1 during the two dry-down periods. Midday measurements of g s and Ψl were significantly correlated with one another (r = 0.96) and both with ETLYS/ETo (r = ~0.9). The decreases in Ψl, g s, and ETLYS/ETo in this study were also a linear function of the decrease in volumetric soil water content. The results indicate that even modest water stress can greatly reduce grapevine water use and that short-term measures of vine water status taken at midday are a reflection of daily grapevine water use

Comparison of several models for calculating ozone stomatal fluxes on a Mediterranean wheat cultivar (Triticum durum Desf. cv. Camacho)

Ozone stomatal fluxes were modeled for a 3-year period following different approaches for a commercial variety of durum wheat (Triticum durum Desf. cv. Camacho) at the phenological stage of anthesis. All models performed in the same range, although not all of them afforded equally significant results. Nevertheless, all of them suggest that stomatal conductance would account for the main percentage of ozone deposition fluxes. A new modeling approach was tested, based on a 3-D architectural model of the wheat canopy, and fairly accurate results were obtained. Plant species-specific measurements, as well as measurements of stomatal conductance and environmental parameters, were required. The method proposed for calculating ozone stomatal fluxes (FO(3_3-D)) from experimental gs data and modeling them as a function of certain environmental parameters in conjunction with the use of the YPLANT model seems to be adequate, providing realistic estimates of the canopy FO(3_3-D), integrating and not neglecting the contribution of the lower leaves with respect to the flag leaf, although a further development of this model is needed.

Modelling ozone stomatal flux over wheat under Mediterranean conditions

Correct estimation of leaf-level stomatal conductance (gsto) is central for current ozone (O3) risk assessment of wheat yield loss based on the absorbed O3 phytotoxic dose (POD). The gsto model parameterizations developed in Europe must be checked in the different climatic regions where they are going to be applied in order to reduce the uncertainties associated with the POD approach. This work proposes a new gsto model parameterization for estimating POD of Triticum aestivum and Triticum durum under Mediterranean conditions, based on phenological observations over 25 years and gsto field measurements during 5 growing seasons. Results show that POD in the Mediterranean area might be higher than previously estimated. However, caution must be paid when assessing the risk of yield loss for wheat in this area since field validation of O3 impacts is still limited.

Implications of the mesophyll conductance to CO2 for photosynthesis and water-use efficiency during long-term water stress and recovery in two contrasting Eucalyptu species

Water stress (WS) slows growth and photosynthesis (An), but most knowledge comes from short-time studies that do not account for longer term acclimation processes that are especially relevant in tree species. Using two Eucalyptus species that contrast in drought tolerance, we induced moderate and severe water deficits by withholding water until stomatal conductance (gsw) decreased to two pre-defined values for 24 d, WS was maintained at the target gsw for 29 d and then plants were re-watered. Additionally, we developed new equations to simulate the effect on mesophyll conductance (gm) of accounting for the resistance to refixation of CO2. The diffusive limitations to CO2, dominated by the stomata, were the most important constraints to An. Full recovery of An was reached after re-watering, characterized by quick recovery of gm and even higher biochemical capacity, in contrast to the slower recovery of gsw. The acclimation to long-term WS led to decreased mesophyll and biochemical limitations, in contrast to studies in which stress was imposed more rapidly. Finally, we provide evidence that higher gm under WS contributes to higher intrinsic water-use efficiency (iWUE) and reduces the leaf oxidative stress, highlighting the importance of gm as a target for breeding/genetic engineering.

Urban trees and atmospheric pollutants in big cities: Effects in Madrid

Una investigación sobre la mejora de la contaminación del aire (CA) por medio de arbolado urbano se realizó en Madrid, una ciudad con casi 4 M de habitantes, 2,8 M de vehículos y casi 3 M de árboles de mantenimiento público. La mayoría de los árboles estaban en dos bosques periurbanos. Los 650.000 restantes era pies de alineación y parques. Los taxones estudiados fueron Platanus orientalis (97.205 árboles), Ulmus sp. (70.557), Pinus pinea (49.038), Aesculus hippocastanum (22.266), Cedrus sp. (13.678) y Quercus ilex (1.650), de calles y parques. Muestras foliares se analizaron en diferentes épocas del año, así como datos de contaminación por PM10 de 28 estaciones de medición de la contaminación durante 30 años, y también la intensidad del tráfico (IMD) en 2.660 calles. La acumulación de metales pesados (MP) sobre hojas y dentro de estas se estimó en relación con la CA y del suelo y la IMD del tráfico. La concentración media de Ba, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb y Zn en suelo (materia seca) alcanzó: 489,5, 0,7, 49,4, 60,9, 460,9, 12,8, 155,9 y 190,3 mg kg-1 respectivamente. Los árboles urbanos, particularmente coníferas (debido a la mayor CA en invierno) contribuyen significativamente a mejorar la CA sobre todo en calles con alta IMD. La capacidad de las seis sp. para capturar partículas de polvo en su superficies foliares está relacionada con la IMD del tráfico y se estimó en 16,8 kg/año de MP tóxicos. Pb y Zn resultaron ser buenos marcadores antrópicos en la ciudad en relación con el tráfico, que fue la principal fuente de contaminación en los árboles y suelos de Madrid. Las especies de árboles variaron en función de su capacidad para capturar partículas (dependiendo de las propiedades de sus superficies foliares) y acumular los MP absorbidos de los suelos. Las concentraciones foliares de Pb y Zn estuvieron por encima de los límites establecidos en diferentes sitios de la ciudad. La microlocalización de Zn mediante microscópico mostró la translocación al xilema y floema. Se detectaron puntos de contaminación puntual de Cu and Cr en antiguos polígonos industriales y la distribución espacial de los MP en los suelos de Madrid mostró que en incluso en zonas interiores del El Retiro había ciertos niveles elevados de [Pb] en suelo, tal vez por el emplazamiento la Real Fábrica de Porcelana en la misma zona hace 200 años. Distintas áreas del centro de la ciudad también alcanzaron niveles altos de [Pb] en suelo. Según los resultados, el empleo de una combinación de Pinus pinea con un estrato intermedio de Ulmus sp. y Cedrus sp. puede ser la mejor recomendación como filtro verde eficiente. El efecto del ozono (O3) sobre el arbolado en Madrid fue también objeto de este estudio. A pesar de la reducción de precursores aplicada en muchos países industrializados, O3 sigue siendo la principal causa de CA en el hemisferio norte, con el aumento de [O3] de fondo. Las mayores [O3] se alcanzaron en regiones mediterráneas, donde el efecto sobre la vegetación natural es compensado por el xeromorfismo y la baja conductancia estomática en respuesta los episodios de sequía estival característicos de este clima. Durante una campaña de monitoreo, se identificaron daños abióticos en hojas de encina parecidos a los de O3 que estaban plantadas en una franja de césped con riego del centro de Madrid. Dada la poca evidencia disponible de los síntomas de O3 en frondosas perennifolias, se hizo un estudio que trató de 1) confirman el diagnóstico de daño de O3, 2) investigar el grado de los síntomas en encinas y 3) analizar los factores ambientales que contribuyeron a los daños por O3, en particular en lo relacionado con el riego. Se analizaron los marcadores macro y micromorfológicos de estrés por O3, utilizando las mencionadas encinas a modo de parcela experimental. Los síntomas consistieron en punteado intercostal del haz, que aumentó con la edad. Además de un punteado subyacente, donde las células superiores del mesófilo mostraron reacciones características de daños por O3. Las células próximas a las zonas dañadas, presentaron marcadores adicionales de estrés oxidativo. Estos marcadores morfológicos y micromorfológicos de estrés por O3 fueron similares a otras frondosas caducifolias con daños por O3. Sin embargo, en nuestro caso el punteado fue evidente con AOT40 de 21 ppm•h, asociada a riego. Análisis posteriores mostraron que los árboles con riego aumentaron su conductancia estomática, con aumento de senescencia, manteniéndose sin cambios sus características xeromórficas foliares. Estos hallazgos ponen de relieve el papel primordial de la disponibilidad de agua frente a las características xeromórficas a la hora de manifestarse los síntomas en las células por daños de O3 en encina. ABSTRACT Research about air pollution mitigation by urban trees was conducted in Madrid (Spain), a southern European city with almost 4 M inhabitants, 2.8 M daily vehicles and 3 M trees under public maintenance. Most trees were located in two urban forests, while 650'000 trees along urban streets and in parks. The urban taxa included Platanus orientalis (97'205 trees), Ulmus sp. (70’557), Pinus pinea (49'038), Aesculus hippocastanum (22’266), Cedrus sp. (13'678 and Quercus ilex (1'650) along streets and parks. Leave samples were analysed sequentially in different seasons, PM10 data from 28 air monitoring stations during 30 years and traffic density estimated from 2’660 streets. Heavy metal (HM) accumulation on the leaf surface and within leaves was estimated per tree related to air and soil pollution, and traffic intensity. Mean concentration of Ba, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn in topsoil samples (dry mass) amounted in Madrid: 489.5, 0.7, 49.4, 60.9, 460.9, 12.8, 155.9 and 190.3 mg kg-1 respectively. Urban trees, particularly conifers (due to higher pollution in winter) contributed significantly to alleviate air pollution especially near to high ADT roads. The capacity of the six urban street trees species to capture air-born dust on the foliage surface as related to traffic intensity was estimated to 16.8 kg of noxious metals from exhausts per year. Pb and Zn pointed to be tracers of anthropic activity in the city with vehicle traffic as the main source of diffuse pollution on trees and soils. Tree species differed by their capacity to capture air-borne dust (by different leaf surface properties) and to allocate HM from soils. Pb and Zn concentrations in the foliage were above limits in different urban sites and microscopic Zn revelation showed translocation in xylem and phloem tissue. Punctual contamination in soils by Cu and Cr was identified in former industrial areas and spatial trace element mapping showed for central Retiro Park certain high values of [Pb] in soils even related to a Royal pottery 200 years ago. Different areas in the city centre also reached high levels [Pb] in soils. According to the results, a combination of Pinus pinea with understorey Ulmus sp. and Cedrus sp. layers can be recommended for the best air filter efficiency. The effects of ozone (O3) on trees in different areas of Madrid were also part of this study. Despite abatement programs of precursors implemented in many industrialized countries, ozone remained the main air pollutant throughout the northern hemisphere with background [O3] increasing. Some of the highest ozone concentrations were measured in regions with a Mediterranean climate but the effect on the natural vegetation is alleviated by low stomatal uptake and frequent leaf xeromorphy in response to summer drought episodes characteristic of this climate. During a bioindication survey, abiotic O3-like injury was identified in foliage. Trees were growing on an irrigated lawn strip in the centre of Madrid. Given the little structural evidence available for O3 symptoms in broadleaved evergreen species, a study was undertaken in 2007 with the following objectives 1) confirm the diagnosis, 2) investigate the extent of symptoms in holm oaks growing in Madrid and 3) analyse the environmental factors contributing to O3 injury, particularly, the site water supply. Therefore, macro- and micromorphological markers of O3 stress were analysed, using the aforementioned lawn strip as an intensive study site. Symptoms consisted of adaxial and intercostal stippling increasing with leaf age. Underlying stippling, cells in the upper mesophyll showed HR-like reactions typical of ozone stress. The surrounding cells showed further oxidative stress markers. These morphological and micromorphological markers of ozone stress were similar to those recorded in deciduous broadleaved species. However, stippling became obvious already at an AOT40 of 21 ppm•h and was primarily found at irrigated sites. Subsequent analyses showed that irrigated trees had their stomatal conductance increased and leaf life-span reduced whereas their leaf xeromorphy remained unchanged. These findings suggest a central role of water availability versus leaf xeromorphy for ozone symptom expression by cell injury in holm oak.

Conductancia del mesófilo en especies forestales: implicaciones en la respuesta fotosintética a la disponibilidad de agua y luz

La fotosíntesis es el proceso biológico que permite la producción primaria y, por tanto, la vida en nuestro planeta. La tasa fotosintética viene determinada por la ‘maquinaria’ bioquímica y las resistencias difusivas al paso del CO2 desde la atmósfera hasta su fijación en el interior de los cloroplastos. Históricamente la mayor resistencia difusiva se ha atribuido al cierre estomático, sin embargo ahora sabemos, debido a las mejoras en las técnicas experimentales, que existe también una resistencia grande que se opone a la difusión del CO2 desde los espacios intercelulares a los lugares de carboxilación. Esta resistencia, llamada normalmente por su inversa: la conductancia del mesófilo (gm), puede ser igual o incluso superior a la resistencia debida por el cierre estomático. En la presente tesis doctoral he caracterizado la limitación que ejerce la resistencia del mesófilo a la fijación de CO2 en diversas especies forestales y en distintos momentos de su ciclo biológico. En la fase de regenerado, hemos estudiado tres situaciones ambientales relevantes en el mayor éxito de su supervivencia, que son: el déficit hídrico, su interacción con la irradiancia y el paso del crecimiento en la sombra a mayor irradiancia, como puede suceder tras la apertura de un hueco en el dosel forestal. En la fase de arbolado adulto se ha caracterizado el estado hídrico y el intercambio gaseoso en hojas desarrolladas a distinta irradiancia dentro del dosel vegetal durante tres años contrastados en pluviometría. Para cada tipo de estudio se han empleado las técnicas ecofisiológicas más pertinentes para evaluar el estado hídrico y el intercambio gaseoso. Por su complejidad y la falta de un método que permita su cuantificación directa, la gm ha sido evaluada por los métodos más usados, que son: la discriminación isotópica del carbono 13, el método de la J variable, el método de la J constante y el método de la curvatura. Los resultados más significativos permiten concluir que la limitación relativa a la fotosíntesis por la conductancia estomática, del mesófilo y bioquímica es dependiente de la localización de la hoja en el dosel forestal. Por primera vez se ha documentado que bajo estrés hídrico las hojas desarrolladas a la sombra estuvieron más limitadas por una reducción en la gm, mientras que las hojas desarrolladas a pleno sol estuvieron más limitadas por reducción mayor de la conductancia estomática (gsw). Encontramos buena conexión entre el aparato fotosintético foliar y el sistema hídrico debido al alto grado de correlación entre la conductancia hidráulica foliar aparente y la concentración de CO2 en los cloroplastos en distintas especies forestales. Además, hemos mostrado diferentes pautas de regulación del intercambio gaseoso según las particularidades ecológicas de las especies estudiadas. Tanto en brinzales crecidos de forma natural y en el arbolado adulto como en plántulas cultivadas en el invernadero la ontogenia afectó a las limitaciones de la fotosíntesis producidas por estrés hídrico, resultando que las limitaciones estomáticas fueron dominantes en hojas más jóvenes mientras que las no estomáticas en hojas más maduras. La puesta en luz supuso un gran descenso en la gm durante los días siguientes a la transferencia, siendo este efecto mayor según el grado de sombreo previo en el que se han desarrollado las hojas. La aclimatación de las hojas a la alta irradiancia estuvo ligada a las modificaciones anatómicas foliares y al estado de desarrollo de la hoja. El ratio entre la gm/gsw determinó la mayor eficiencia en el uso del agua y un menor estado oxidativo durante la fase de estrés hídrico y su posterior rehidratación, lo cual sugiere el uso de este ratio en los programas de mejora genética frente al estrés hídrico. Debido a que la mayoría de modelos de estimación de la producción primaria bruta (GPP) de un ecosistema no incluye la gm, los mismos están incurriendo en una sobreestimación del GPP particularmente bajo condiciones de estrés hídrico, porque más de la mitad de la reducción en fotosíntesis en hojas desarrolladas a la sombra se debe a la reducción en gm. Finalmente se presenta un análisis de la importancia en las estimas de la gm bajo estrés hídrico de la refijación del CO2 emitido en la mitocondria a consecuencia de la fotorrespiración y la respiración mitocondrial en luz. ABSTRACT Photosynthesis is the biological process that supports primary production and, therefore, life on our planet. Rates of photosynthesis are determined by biochemical “machinery” and the diffusive resistance to the transfer of CO2 from the atmosphere to the place of fixation within the chloroplasts. Historically the largest diffusive resistance was attributed to the stomata, although we now know via improvements in experimental techniques that there is also a large resistance from sub-stomatal cavities to sites of carboxylation. This resistance, commonly quantified as mesophyll conductance (gm), can be as large or even larger than that due to stomatal resistance. In the present PhD I have characterized the limitation exerted by the mesophyll resistance to CO2 fixation in different forest species at different stages of their life cycle. In seedlings, we studied three environmental conditions that affect plant fitness, namely, water deficit, the interaction of water deficit with irradiance, and the transfer of plants grown in the shade to higher irradiance as can occur when a gap opens in the forest canopy. At the stage of mature trees we characterized water status and gas exchange in leaves developed at different irradiance within the canopy over the course of three years that had contrasting rainfall. For each study we used the most relevant ecophysiological techniques to quantify water relations and gas exchange. Due to its complexity and the lack of a method that allows direct quantification, gm was estimated by the most commonly used methods which are: carbon isotope discrimination, the J-variable, constant J and the curvature method The most significant results suggest that the relative limitation of photosynthesis by stomata, mesophyll and biochemistry depending on the position of the leaf within the canopy. For the first time it was documented that under water stress shaded leaves were more limited by a reduction in gm, while the sun-adapted leaves were more limited by stomatal conductance (gsw). The connection between leaf photosynthetic apparatus and the hydraulic system was shown by the good correlations found between the apparent leaf hydraulic conductance and the CO2 concentration in the chloroplasts in shade- and sun-adapted leaves of several tree species. In addition, we have revealed different patterns of gas exchange regulation according to the functional ecology of the species studied. In field grown trees and greenhouse-grown seedlings ontogeny affected limitations of photosynthesis due to water stress with stomatal limitations dominating in young leaves and nonstomatal limitations in older leaves. The transfer to high light resulted in major decrease of gm during the days following the transfer and this effect was greater as higher was the shade which leaves were developed. Acclimation to high light was linked to the leaf anatomical changes and the state of leaf development. The ratio between the gm/gsw determined the greater efficiency in water use and reduced the oxidative stress during the water stress and subsequent rehydration, suggesting the use of this ratio in breeding programs aiming to increase avoidance of water stress. Because most models to estimate gross primary production (GPP) of an ecosystem do not include gm, they are incurring an overestimation of GPP particularly under conditions of water stress because more than half of An decrease in shade-developed leaves may be due to reduction in gm. Finally, we present an analysis of the importance of how estimates of gm under water stress are affected by the refixation of CO2 that is emitted from mitochondria via photorespiration and mitochondrial respiration in light.

Respuesta fisiológica, productiva y cualitativa del cultivar Syrah (Vitis vinifera L) con diferentes frecuencias de riego y densidad de goteros en suelos arcillosos

La disponibilidad hídrica es uno de los principales factores que determinan el rendimiento del viñedo en muchas regiones vitícolas, por lo que sus consecuencias han sido ampliamente estudiadas. Sin embargo, para una cantidad de agua de riego determinada, otros aspectos como la frecuencia de aplicación, o la combinación entre el caudal de los goteros y la distancia entre los mismos (es decir, el patrón de distribución de agua en el suelo), pueden jugar un papel relevante, pero estos factores han sido poco estudiados. El objetivo de este trabajo ha sido evaluar las implicaciones agronómicas y fisiológicas de dos frecuencias de riego (IrrF, cada 2 y 4 días) y dos patrones de distribución de agua (DisP, goteros de 2 L h-1 separados 0,6 m vs. goteros de 4 L h-1 separados 1,2 m). El experimento se llevó a cabo durante cuatro temporadas consecutivas en un viñedo cv. Syrah con un suelo arcilloso en el centro de España, y los dos factores fueron evaluados bajo dos condiciones de disponibilidad hídrica (Baja: 20% de ETo y Media: 40% de ETo). El efecto de la frecuencia de riego y el patrón de distribución de agua en la respuesta agronómica del cv. Syrah se ha estudiado en el capítulo 1. La frecuencia de riego y el patrón de distribución de agua en el suelo afectaron a algunos aspectos de los componentes de rendimiento y desarrollo vegetativo en las dos condiciones de disponibilidad hídrica, aunque los efectos observados no fueron los mismos todos los años. Los efectos fueron más evidentes para IrrF en condiciones de baja disponibilidad hídrica y para DisP en condiciones de disponibilidad hídrica media. Dos de los cuatro años del experimento, el pasar de frecuencia de riego de 2 días a 4 días causó un incremento medio de rendimiento del 20% para la situación de baja disponibilidad hídrica. La textura del suelo, sin duda ha condicionado los resultados obtenidos en los tratamientos regados con el 20% de la ETo, ya que regar cada dos días implicaba la aplicación de pequeñas cantidades de agua y se formaban bulbos de riego superficiales, probablemente favoreciendo las pérdidas por evaporación. En el capítulo 2, se ha analizado el efecto de la frecuencia de riego y del patrón de distribución de agua en el estado hídrico de la planta y el intercambio gaseoso a nivel de hoja con el fin de explicar las diferencias observadas en la respuesta agronómica. En lo que respecta a la frecuencia de riego, en condiciones de baja disponibilidad hídrica, las plantas regadas cada 4 días (plantas 4d), mostraron mayores tasas de asimilación neta y conductancia estomática que las plantas regadas cada 2 días (plantas 2d), lo que es consistente con la hipótesis de que con la frecuencia de riego de 2 días se produjo una pérdida de eficiencia del uso del agua, probablemente debido a una mayor evaporación como consecuencia del hecho de que el volumen de suelo mojado creado era pequeño y cerca de la superficie. En condiciones de disponibilidad hídrica media, las diferencias en el intercambio gaseoso a nivel de hoja fueron mucho más pequeñas. Al comienzo del verano cada frecuencia de riego se comportó mejor uno de los días de medida, compensando al final del ciclo de riego de 4 días. Sin embargo, a medida que avanzó el verano y el déficit de agua se hizo más alto, las diferencias significativas aparecieron sólo en el 'día 4' del ciclo de riego, cuando las plantas 2d se comportaron mejor que las plantas regadas 4d que llevaban tres días sin regarse. Estas diferencias fisiológicas fueron menores que en condiciones de baja disponibilidad hídrica y al parecer no suficientes para afectar el comportamiento agronómico. En cuanto al patrón de distribución de agua, el efecto fue poco significativo, pero la mayor densidad de goteros tendió a presentar un mayor intercambio gaseoso a nivel de hoja, especialmente a media mañana. El efecto fue más importante para las condiciones de disponibilidad hídrica media. En el capítulo 3, se han comparado las relaciones entre el intercambio gaseoso a nivel de hoja, el estado hídrico y la demanda atmosférica, con el fin de explicar los cambios en la intensidad de la respuesta fisiológica observados en el Capítulo 2. No se han encontrado diferencias en dichas relaciones para el patrón de distribución de agua, por lo que sólo se ha analizado el efecto de la frecuencia de riego. El estudio se ha centrado fundamentalmente en si las plantas mostraron una respuesta fisiológica diferente a los cambios en el estado hídrico y en la demanda atmosférica según el tiempo transcurrido desde el último riego. Las diferencias observadas explican los resultados obtenidos en los capítulos anteriores, y sugieren la existencia de procesos de aclimatación vinculados a la frecuencia de riego y a la disponibilidad hídrica. Las plantas bajo condiciones de baja disponibilidad hídrica se mostraron más aclimatadas al estrés hídrico que aquellas en condiciones de disponibilidad hídrica media. La frecuencia de riego afectó claramente la relación entre los parámetros de intercambio gaseoso a nivel de hoja, el estado hídrico de la planta y las condiciones atmosféricas, y junto con la cantidad de agua aplicada tuvo implicaciones en el desarrollo de mecanismos de aclimatación que afectaron a la respuesta fisiológica de la planta, afectando a la eficiencia del riego. ABSTRACT Water availability is one of the major factors that determine vineyard performance in many grape growing regions, so its implications have been widely studied before. However, for a given irrigation water amount, other aspects such as application frequency, or emitter spacing and flow rate (i.e., distribution pattern), may play a relevant role, but these factors have been scarcely studied. The aim of this work was to evaluate the agronomic and physiological implications of two irrigation frequencies (IrrF, every 2 and 4 days) and two water distribution patterns (DisP, 2 L h−1 emitters every 0.6 m vs. 4 L h−1 emitters every 1.2 m). The experiment was carried out during four consecutive seasons in a cv. Syrah vineyard with a clay soil in central Spain, and the two factors were evaluated under two water availability conditions (LOW WA: 20% of ETo and MEDIUM WA: 40% of ETo). The effect of irrigation frequency and water distribution pattern on the agronomical response of cv. Syrah was studied in Chapter 1. IrrF and DisP affected some aspects of vegetative development and yield components under both water availability conditions, although the effects observed were not the same every year. The effects were more evident for IrrF under low water availability and for DisP under medium water availability. Two out of the four years of the experiment, the change of irrigation frequency from 2 days to 4 days promoted an average yield increase of 20% for the LOW WA situation. Soil texture certainly conditioned the results obtained under LOW WA conditions, since high frequency irrigation implied applying small amounts of water that resulted in limited superficial water bulbs, which probably favored water evaporation. In Chapter 2, the effect of irrigation frequency and water distribution pattern on plant water status and leaf gas exchange was analyzed to explain the differences observed in the agronomical response. Concerning irrigation frequency, under LOW WA conditions, applying irrigation every 4 days, resulted in higher net assimilation rates and stomatal conductance than doing it every 2 days, supporting the hypothesis that the latter frequency resulted in a water use efficiency loss, probably due to higher evaporation as a consequence of the fact the wetted soil volume created was small and close to the surface. Under MEDIUM WA conditions, differences in leaf gas exchange were much smaller. At the beginning of the summer each irrigation frequency behaved better one of the measurements days, compensating at the end of the 4-day irrigation cycle. However, as the summer progressed and water deficit became higher, significant differences appeared only on ‘day 4’ of the irrigation cycle, when 2d plants behaved better than 4d plants. These physiological differences were smaller than under LOW WA conditions and apparently not sufficient to affect agronomical performance. Regarding water distribution pattern, the effect was less significant but the closest emitter spacing resulted in general terms in a higher leaf gas exchange, especially at midmorning. The effect was more noticeable for MEDIUM WA conditions. In Chapter 3, the relationships between leaf gas exchange and leaf water status and atmospheric demand were compared to explain the changes in the intensity of the physiological response observed in Chapter 2. No differences were found in the relationships for water distribution pattern, so only the effect of irrigation frequency was analyzed focusing on whether the plants have a different physiological response to changes in water status and atmospheric demand according to the time elapsed since the last irrigation. Differences observed in the relationships explained the results obtained in the previous chapters, and point at the occurrence of acclimation processes linked to irrigation frequency and to water availability. Plants under LOW WATER AVAILABILITY conditions seemed to be more acclimated to water stress than those under MEDIUM WATER AVAILABILITY conditions. Irrigation frequency clearly affected the relationship between leaf gas exchange parameters, plant water status and atmospheric conditions, and together with the amount of water applied had implications in the development of acclimation mechanisms that affected plant physiological response, thus affecting irrigation efficiency.

Respuestas anatómico fisiológicas frente a estrés hídrico en plantaciones de especies de crecimiento rápido para la producción de biomasa

El objetivo general de la presente Tesis es identificar algunas de las características anatómico-fisiológicas que confieren la capacidad de alcanzar una mejor productividad bajo clima mediterráneo a plantas de diversos genotipos de los géneros Populus y Eucalyptus, caracterizados por su carácter pionero, elevado crecimiento y vulnerabilidad a la cavitación. En los dos primeros capítulos se hace un seguimiento de la conductancia estomática a una selección de clones de eucalipto cultivados en invernadero, sometidos a diferentes dotaciones hídricas. Se realizaron además mediciones periódicas del pH de la savia del tallo y de la pérdida de conductividad hidráulica para investigar su implicación en la regulación química e hidraúlica del cierre estomático. Las variaciones en el pH de la savia obtenidas parecen responder a cambios en el déficit de presión de vapor de agua atmosférico y no a diferencias en la disponibilidad de agua en el suelo. La conductancia estomática presentó una correlación positiva significativa con el pH de la savia, pero no con la conductividad hidráulica. La variabilidad de la conductividad hidráulica máxima se discute a la luz de recientes investigaciones sobre los materiales constituyentes de las membranas de las punteaduras. Los clones que mostraron mayores conductancias hidráulicas y estomáticas presentaron valores más altos de producción y supervivencia, poniendo de manifiesto la utilidad del estudio de estas variables. Por el contrario, los valores más bajos de conductancia estomática e hidraúlica se encontraron en clones que han resultado un fracaso en plantaciones comerciales, en particular, fue destacable el mal resultado de un clon procedente de autocruzamiento respecto de otros híbridos. En el tercer capítulo de la tesis se estudian características anatómicas y funcionales del xilema relacionadas con la eficiencia en el transporte de agua a las hojas, y que pueden afectar directa o indirectamente a la transpiración y al crecimiento. Los estudios anatómicos fueron realizados sobre brotes anuales de chopo en una plantación situada en Granada, en condiciones de riego limitante. La combinación de rasgos anatómicos más favorable de cara a la producción de biomasa fue una densidad alta de vasos de diámetro intermedio. Los clones más productivos figuraron entre los más resistentes a la cavitación. Para estudiar el crecimiento de masas arboladas se utilizan frecuentemente parámetros fisiológicos como el índice de area foliar (LAI). La estimación del LAI a partir de fotografías hemisféricas aplicada a tallares de chopo plantados a alta densidad y a turno corto para biomasa se lleva a cabo mediante una metodología reciente empleada y discutida en el cuarto capítulo de la Tesis. Los resultados muestran que las diferencias de producción existentes entre genotipos, localidades de medición con diferentes dosis de riego, y años, pueden predecirse a partir de la determinación del índice de área foliar tanto por métodos directos como indirectos de estimación. Tanto los estudios realizados en eucalipto como en chopo han mostrado que los genotipos con menores producciones de biomasa en campo alcanzaron los menores valores de conductancia estomática en las condiciones más favorables así como el menor número de vasos en el xilema. La estrecha relación entre crecimiento y LAI confirma una vez más la importancia del desarrollo de la copa para sostener un buen crecimiento. El mayor desarrollo de la copa y rendimiento en biomasa se midieron en uno de los clones con un número de vasos más elevado, y menor vulnerabilidad a la cavitación en condiciones de estrés. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia de las características anatómicas y funcionales del xilema como condicionantes del patrón de crecimiento de las plantas y el comportamiento de los estomas. ABSTRACT A number of anatomical xylem traits and physiological variables were analyzed in genotypes of both the Populus and Eucalyptus genera with the main aim of identifying traits in the genotypes which confer the ability to produce an acceptable biomass yield under Mediterranean climatic conditions. In the first two chapters of this PhD, the results of two experiments carried out on several clones of the species Eucalyptus globulus Labill. are presented. Chapters three and four include the results of another two trials on four poplar hybrid genotypes. One of the initial plant responses to water stress is stomatal closure, which can be triggered by hydraulic and/or chemical signals. The two first chapters of this PhD deal with trials in which stomatal conductance and percentage loss of hydraulic conductivity were monitored on a set of eucalyptus clones supplied by ENCE (former National Cellulose Company) and currently used in the company’s own commercial plantings. The experimental trials were carried out in greenhouses and the plants were submitted to two different watering regimes. The pH of the stem sap was periodically measured as the greenhouse temperature and humidity changed. The aim of these measurements was to investigate the role of both sap pH and percentage loss of hydraulic conductivity on stomatal regulation. The results obtained suggest that changes in sap pH are a response to vapor pressure deficit changes rather than to differences in soil water availability. We found significant correlation between stomatal conductance and sap pH, although no significant relationship was found between stomatal conductance and hydraulic conductivity. Variability in maximum hydraulic conductivity is discussed based on recent pit membrane constituent research. The study of hydraulic conductivity proved helpful in order to detect the clones with both higher growth and greater chance of survival, since clones displaying the lowest hydraulic conductivities were those that failed in commercial plantings. Anatomical xylem traits define the water transport efficiency to leaves and can therefore limit transpiration and growth. The third chapter of this PhD addresses anatomical xylem traits in poplar. One year old stem samples were taken from a water-stressed trial in Granada. The anatomical xylem study proved useful for detecting the lowest yielding genotypes. Clones with intermediate vessel size and high vessel densities were found to be those with the highest biomass yield. Differences in cavitation resistance depending on the clone tested and the water treatment applied were also found. The clones with the highest biomass yield were found to be among the most cavitation resistant clones in each watering regime. Xylem and physiological traits along with stomatal behavior are useful tools to determine plant growth. In order to study plantings or forests, it is more common to employ other physiological variables such as leaf area index (LAI). LAI estimation from hemispherical photographs applied to short rotation woody crops is a recently developed method that still requires fine tuning through further investigation. In the fourth chapter, data from LAI monitoring over two consecutive years were analyzed in two different locations where different irrigation treatments were applied. The results showed that differences in yield between genotypes, different irrigation regimes and years could be predicted by using the LAI estimates, either through direct or indirect estimation methods. Our studies of poplar and eucalyptus have shown that the field-grown genotypes with the lowest biomass yield displayed the lowest values of stomatal conductance under the most favorable environmental conditions and also had a low number of xylem conduits. The close relationship between LAI and growth highlights the importance of crown development in biomass growth. The highest LAI and biomass yield were recorded in one of the clones with higher vessel density and the lowest vulnerability to cavitation under stress conditions. These results underline the importance of research into anatomical and functional traits as factors influencing plant growth patterns and stomatal behavior.

Conductance interaction identification by means of Boltzmann distribution and mutual information analysis in conductance-based neuron models

Conductance interaction identification by means of Boltzmann distribution and mutual information analysis in conductance-based neuron models.