Habitat management for conservation of pollinators in agro-ecosystems of Central Spain

La gestión de hábitat orientada a la conservación de polinizadores en los agro-ecosistemas requiere una selección de especies vegetales atendiendo fundamentalmente a dos criterios: i) el potencial atractivo de sus flores a los polinizadores; y ii) la simplicidad en su manejo agronómico. Además de estas premisas, es necesario considerar la capacidad invasora de estas especies vegetales, debido a que algunas de las más atractivas pueden resultar invasoras en determinados agro-ecosistemas. Por lo tanto, es preciso determinar qué especies vegetales son las más indicadas para ser implementadas en cada agro-ecosistema. En la presente tesis doctoral se plantea la búsqueda de las especies vegetales adecuadas para atraer polinizadores en los agro-ecosistemas del centro de España. En una primera aproximación, se ha evaluado la atracción y expansión espacial (potencial invasivo) de seis plantas perennes de la familia Lamiaceae (aromáticas), elegidas por ser nativas de la región mediterránea. La elección de las especies vegetales se ha llevado a cabo con el fin de crear márgenes funcionales basados en la mezcla de especies vegetales con distintos periodos de floración, de modo que prolonguen la disponibilidad de recursos florales en el tiempo. Tras un primer año dedicado al establecimiento de las especies aromáticas, en los dos años siguientes se ha estudiado la atracción individual y combinada de las especies vegetales sobre los polinizadores, y como ésta se ve afectada por la densidad y la morfología floral, utilizando para ello un diseño experimental en bloques al azar. Los resultados de este estudio han puesto de manifiesto que la morfología floral no tuvo influencia sobre la atracción de las especies vegetales, pero si la densidad floral, puesto que las especies vegetales con mayor densidad de flores (Nepeta tuberosa e Hyssopus officinalis) han mostrado mayor atracción a polinizadores. Cabe destacar que de las seis especies consideradas, dos especies de verano (Melissa officinalis y Thymbra capitata) no han contribuido de forma efectiva a la atracción de la mezcla hacia los polinizadores, mostrando una reducción significativa de este parámetro respecto a las otras especies aromáticas a lo largo del verano. Se ha observado que ninguna de las especies aromáticas evaluadas ha mostrado tendencia invasora a lo largo del estudio. En base a estos resultados, se puede concluir que entre las especies aromáticas estudiadas, N. tuberosa, H. officinalis y Salvia verbenaca son las que ofrecen mayor potencial para ser utilizadas en la conservación de polinizadores. De forma similar al caso de las plantas aromáticas, se ha llevado a cabo una segunda experimentación que incluía doce plantas anuales con floración de primavera, en la que se evaluó la atracción a polinizadores y su comportamiento agronómico. Este estudio con especies herbáceas se ha prolongado durante dos años, utilizando un diseño experimental de bloques aleatorios. Las variables analizadas fueron: el atractivo de las distintas especies vegetales a los polinizadores, su eficiencia de atracción (calculada como una combinación de la duración de la floración y las visitas de insectos), su respuesta a dos tipos de manejo agronómico (cultivo en mezcla frente a monocultivo; laboreo frente a no-laboreo) y su potencial invasivo. Los resultados de esta segunda experimentación han mostrado que las flores de Borago officinalis, Echium plantagineum, Phacelia tanacetifolia y Diplotaxis tenuifolia son atractivas a las abejas, mientras que las flores de Calendula arvensis, Coriandrum sativum, D. tenuifolia y Lobularia maritima son atractivas a los sírfidos. Con independencia del tipo de polinizadores atraídos por cada especie vegetal, se ha observado una mayor eficiencia de atracción en parcelas con monocultivo de D. tenuifolia respecto a las parcelas donde se cultivó una mezcla de especies herbáceas, si bien en estas últimas se observó mayor eficiencia de atracción que en la mayoría de parcelas mono-específicas. Respecto al potencial invasivo de las especies herbáceas, a pesar de que algunas de las más atractivas a polinizadores (P. tanacetifolia and C. arvensis) mostraron tendencia a un comportamiento invasor, su capacidad de auto-reproducción se vio reducida con el laboreo. En resumen, D. tenuifolia es la única especie que presentó una alta eficiencia de atracción a distintos tipos de polinizadores, conjuntamente con una alta capacidad de auto-reproducción pero sin mostrar carácter invasor. Comparando el atractivo de las especies vegetales utilizadas en este estudio sobre los polinizadores, D. tenuifolia es la especie más recomendable para su cultivo orientado a la atracción de polinizadores en agro-ecosistemas en el centro de España. Esta especie herbácea, conocida como rúcula, tiene la ventaja añadida de ser una especie comercializada para el consumo humano. Además de su atractivo a polinizadores, deben considerarse otros aspectos relacionados con la fisiología y el comportamiento de esta especie vegetal en los agro-ecosistemas antes de recomendar su cultivo. Dado que el cultivo en un campo agrícola de una nueva especie vegetal implica unos costes de producción, por ejemplo debidos a la utilización de agua de riego, es necesario evaluar el incremento en dichos costes en función de demanda hídrica específica de esa especie vegetal. Esta variable es especialmente importante en zonas dónde se presentan sequías recurrentes como es el caso del centro y sur-este de la península Ibérica. Este razonamiento ha motivado un estudio sobre los efectos del estrés hídrico por sequía y el estrés por déficit moderado y severo de riego sobre el crecimiento y floración de la especie D. tenuifolia, así como sobre la atracción a polinizadores. Los resultados muestran que tanto el crecimiento y floración de D. tenuifolia como su atracción a polinizadores no se ven afectados si la falta de riego se produce durante un máximo de 4 días. Sin embargo, si la falta de riego se extiende a lo largo de 8 días o más, se observa una reducción significativa en el crecimiento vegetativo, el número de flores abiertas, el área total y el diámetro de dichas flores, así como en el diámetro y longitud del tubo de la corola. Por otro lado, el estudio pone de manifiesto que un déficit hídrico regulado permite una gestión eficiente del agua, la cual, dependiendo del objetivo final del cultivo de D. tenuifolia (para consumo o solo para atracción de polinizadores), puede reducir su consumo entre un 40 y un 70% sin afectar al crecimiento vegetativo y desarrollo floral, y sin reducir significativamente el atractivo a los polinizadores. Finalmente, esta tesis aborda un estudio para determinar cómo afecta el manejo de hábitat a la producción de los cultivos. En concreto, se ha planteado una experimentación que incluye márgenes mono-específicos y márgenes con una mezcla de especies atractivas a polinizadores, con el fin de determinar su efecto sobre la producción del cultivo de cilantro (C. sativum). La elección del cultivo de cilantro se debe a que requiere la polinización de insectos para su reproducción (aunque, en menor medida, puede polinizarse también por el viento), además de la facilidad para estimar su producción en condiciones semi-controladas de campo. El diseño experimental consistía en la siembra de márgenes mono-específicos de D. tenuifolia y márgenes con mezcla de seis especies anuales situados junto al cultivo de cilantro. Estos cultivos con márgenes florales fueron comparados con controles sin margen floral. Además, un segundo grupo de plantas de cilantro situadas junto a todos los tratamientos, cuyas flores fueron cubiertas para evitar su polinización, sirvió como control para evaluar la influencia de los polinizadores en la producción del cultivo. Los resultados muestran que la presencia de cualquiera de los dos tipos de margen floral mejora el peso y el porcentaje de germinación de las semillas de cilantro frente al control sin margen. Si se comparan los dos tipos de margen, se ha observado un mayor número de semillas de cilantro junto al margen con mezcla de especies florales respecto al margen mono-específico, probablemente debido al mayor número visitas de polinizadores. Puesto que el experimento se realizó en condiciones de campo semi-controladas, esto sugiere que las visitas de polinizadores fueron el factor determinante en los resultados. Por otro lado, los resultados apuntan a que la presencia de un margen floral (ya sea mono-especifico o de mezcla) en cultivos de pequeña escala puede aumentar la producción de cilantro en más de un 200%, al tiempo que contribuyen a la conservación de los polinizadores. ABSTRACT Habitat management, aimed to conserve pollinators in agro-ecosystems, requires selection of the most suitable plant species in terms of their attractiveness to pollinators and simplicity of agronomic management. However, since all flowers are not equally attractive to pollinators and many plant species can be weedy or invasive in the particular habitat, it is important to test which plant species are the most appropriate to be implemented in specific agro-ecosystems. For that reason, this PhD dissertation has been focused on determination of the most appropriate aromatic and herbaceous plants for conservation of pollinators in agro-ecosystems of Central Spain. Therefore, in a first approximation, spatial expansion (i.e. potential weediness) and attractiveness to pollinators of six aromatic perennial plants from the Lamiaceae family, native and frequent in the Mediterranean region, were evaluated. Preliminary plant selection was based on designing a functional mixed margins consisting of plants attractive to pollinators and with different blooming periods, in order to extend the availability of floral resources in the field. After a year of vegetative growth, the next two years the plant species were studied in a randomized block design experiment in order to estimate their attractiveness to pollinators in Central Spain and to investigate whether floral morphology and density affect attractiveness to pollinators. The final aim of the study was to evaluate how their phenology and attractiveness to pollinators can affect the functionality of a flowering mixture of these plants. In addition, the spatial expansion, i.e. potential weediness, of the selected plant species was estimated under field conditions, as the final purpose of the studied plants is to be implemented within agro-ecosystems. The results of the experiment showed that floral morphology did not affect the attractiveness of plants to pollinators, but floral density did, as plant species with higher floral density (i.e. Nepeta tuberosa and Hyssopus officinalis) showed significantly higher attractiveness to pollinators. In addition, of six plant species, two summer species (Melissa officinalis and Thymbra capitata) did not efficiently contribute to the attractiveness of the mixture to pollinators, which reduced its attractiveness during the summer period. Finally, as none of the plants showed weedy behaviour under field conditions, the attractive plant species, i.e. N. tuberosa, H. officinalis and the early spring flowering Salvia verbenaca, showed good potential to conserve the pollinators. Similarly, in a second approximation, the attractiveness to pollinators and agronomic behaviour of twelve herbaceous plants blooming in spring were studied. This experiment was conducted over two years in a randomized block design in order to evaluate attractiveness of preselected plant species to pollinators, as well as their attractiveness efficiency (a combination of duration of flowering and insect visitation), their response to two different agronomic management practices (growing in mixed vs. mono-specific plots; tillage vs. no-tillage), and their potential weediness. The results of this experiment showed that the flowers of Borago officinalis, Echium plantagineum, Phacelia tanacetifolia and Diplotaxis tenuifolia were attractive to bees, while Calendula arvensis, Coriandrum sativum, D. tenuifolia and Lobularia maritima were attractive to hoverflies. In addition, floral mixture resulted in lower attractiveness efficiency to pollinators than mono-specific D. tenuifolia, but higher than most of the mono-specific stands. On the other hand, although some of the most attractive plant species (e.g. P. tanacetifolia and C. arvensis) showed potential weediness, their self-seeding was reduced by tillage. After comparing attractiveness efficiency of various herbaceous species to pollinators and their potential weediness, the results indicated that D. tenuifolia showed the highest attractiveness efficiency to pollinators and efficient self-reproduction, making it highly recommended to attract bees and hoverflies in agro-ecosystems of Central Spain. In addition, this plant, commonly known as wild rocket, has a supplementary economic value as a commercialized crop. The implementation of a new floral margin in agro-ecosystems means increased production costs, especially in regions with frequent and long droughts (as it is Central and South-East area of Iberian Peninsula), where the principal agricultural cost is irrigation. Therefore, before recommending D. tenuifolia for sustainable habitat management within agro-ecosystems, it is necessary to study the effect of drought stress and moderate and severe deficit irrigation on its growth, flower development and attractiveness to pollinators. The results of this experiment showed that in greenhouse conditions, potted D. tenuifolia could be without irrigation for 4 days without affecting its growth, flowering and attractiveness to pollinators. However, lack of irrigation for 8 days or longer significantly reduced the vegetative growth, number of open flowers, total floral area, flower diameter, corolla tube diameter and corolla tube length of D. tenuifolia. This study showed that regulated deficit irrigation can improve water use efficiency, and depending on the purpose of growing D. tenuifolia, as a crop or as a beneficial plant to attract pollinators, it can reduce water consumption by 40% to 70% without affecting its vegetative and floral development and without reducing its attractiveness to pollinators. Finally, the following experiment was developed in order to understand how habitat management can influence on the agricultural production. For this purpose, it was evaluated if the vicinity of mixed and mono-specific field margins, preselected to conserve pollinators within agro-ecosystems, can improve seed production in coriander (C. sativum). The selection of this plant species for the experiment was based on its necessity for insect pollination for production of seeds (even though some pollen can be transmitted from one flower to another by wind) and the fact that under semi-controlled field conditions established in the field it is possible to estimate its total seed production. Since D. tenuifolia is attractive for both bees and hoverflies in Central Spain, the main objective of this experiment was to estimate the impact of two different types of field margins, i.e. mono-specific margin with D. tenuifolia and mixed margin with six herbaceous species, on the seed production of potted coriander. For that reason, it was tested: i) if open pollination (control without proximate field margin and treatments with nearby mono-specific and mixed margin) increases the seed production of coriander when compared with no-pollination (covered inflorescences of coriander) under field conditions; ii) if frequency of pollinator visitation to the flowers of coriander was higher in the presence of field margins than in the control without field margin; and iii) if seed production was higher in the presence of field margins than in control plants of coriander without field margin. The results showed that the proximity of both types of floral margins (mixed and mono-specific) improved the seed quality of coriander plants, as seed weight and germination rate were higher than in control plants without field margin. Furthermore, the number of seeds produced was significantly higher in coriander plants grown near mixed margins than near mono-specific margin, probably due to an increase in pollinator visits. Since the experiment was conducted under semi-controlled field conditions, it can be concluded that pollinator visits was the main factor that biased the results, and that presence of both mixed or mono-specific (D. tenuifolia) margins can improve the production of coriander for more than 200% in small-scale gardens and, in addition, conserve the local pollinators.

Genomic analyses of flowering transition and inflorescence development in grapevine = Análisis genómicos de la transición floral y del desarrollo de la inflorescencia en la vid

The general objective of this work is to analyze the regulatory processes underlying flowering transition and inflorescence and flower development in grapevine. Most of these crucial developmental events take place within buds growing during two seasons in two consecutive years. During the first season, the shoot apical meristem within the bud differentiates all the basic elements of the shoot including flowering transition in lateral primordia and development of inflorescence primordia. These events practically end with bud dormancy. The second season, buds resume shoot growth associated to flower formation and development. In grapevine, the lateral meristems can give rise either to tendril or inflorescence primordia that are homologous organs. With this purpose, we performed global transcriptome analyses along the bud annual cycle and during inflorescence and tendril development. In addition, we approach the genomic analysis of the MIKC type MADS-box gene family in grapevine to identify all its members and assign them putative biological functions. Regarding buds developmental cycle, the results indicate that the main factors explaining the global gene expression differences were the processes of bud dormancy and active growth as well as stress responses. Non dormant buds exhibited up-regulation in functional categories typical of actively proliferating and growing cells (photosynthesis, cell cycle regulation, chromatin assembly) whereas in dormant ones the main functional categories up-regulated were associated to stress response pathways together with transcripts related to starch catabolism. Major transcriptional changes during the dormancy period were associated to the para/endodormancy, endo/ecodormancy and ecodormancy/bud break transitions. Global transcriptional analyses along tendril and inflorescence development suggested that these two homologous organs share a common transcriptional program related to cell proliferation functions. Both structures showed a progressive decrease in the expression of categories such as cell-cycle, auxin metabolism/signaling, DNA metabolism, chromatin assembly and a cluster of five transcripts belonging to the GROWTH-REGULATING FACTOR (GRF) transcription factor family, that are known to control cell proliferation in other species and determine the size of lateral organs. However, they also showed organ specific transcriptional programs that can be related to their differential organ structure and function. Tendrils showed higher transcription of genes related to photosynthesis, hormone signaling and secondary metabolism than inflorescences, while inflorescences have higher transcriptional activity for genes encoding transcription factors (especially those belonging to the MADS-box gene family). Further analysis along inflorescence development evidenced the relevance of additional functions likely related to processes of flower development such as fatty acid and lipid metabolism, jasmonate signaling and oxylipin biosynthesis. The transcriptional analyses performed highlighted the relevance of several groups of transcriptional regulators in the developmental processes studied. The expression profiles along bud development revealed significant differences for some MADS-box subfamilies in relation to other plant species, like the members of the FLC and SVP subfamilies suggesting new roles for these groups in grapevine. In this way, it was found that VvFLC2 and VvAGL15.1 could participate, together with some members of the SPL-L family, in dormancy regulation, as was shown for some of them in other woody plants. Similarly, the expression patterns of the VvFLC1, VvFUL, VvSOC1.1 (together with VvFT, VvMFT1 and VFL) genes could indicate that they play a role in flowering transition in grapevine, in parallel to their roles in other plant systems. The expression levels of VFL, the grapevine LEAFY homolog, could be crucial to specify the development of inflorescence and flower meristems instead of tendril meristems. MADS-box genes VvAP3.1 and 2, VvPI, VvAG1 and 3, VvSEP1-4, as well as VvBS1 and 2 are likely associated with the events of flower meristems and flower organs differentiation, while VvAP1 and VvFUL-L (together with VvSOC1.1, VvAGL6.2) could be involved on tendril development given their expression patterns. In addition, the biological function ofVvAP1 and VvTFL1A was analyzed using a gene silencing approach in transgenic grapevine plants. Our preliminary results suggested a possible role for both genes in the initiation and differentiation of tendrils. Finally, the genomic analysis of the MADS-box gene family in grapevine revealed differential features regarding number and expression pattern of genes putatively involved in the flowering transition process as compared to those involved in the specification of flower and fruit organ identity. Altogether, the results obtained allow identifying putative candidate genes and pathways regulating grapevine reproductive developmental processes paving the way to future experiments demonstrating specific gene biological functions. RESUMEN El objetivo general de este trabajo es analizar los procesos regulatorios subyacentes a la inducción floral así como al desarrollo de la inflorescencia y la flor en la vid. La mayor parte de estos eventos cruciales tienen lugar en las yemas a lo largo de dos estaciones de crecimiento consecutivas. Durante la primera estación, el meristemo apical contenido en la yema diferencia los elementos básicos del pámpano, lo cual incluye la inducción de la floración en los meristemos laterales y el subsiguiente desarrollo de primordios de inflorescencia. Estos procesos prácticamente cesan con la entrada en dormición de la yema. En la segunda estación, se reanuda el crecimiento del pámpano acompañado por la formación y desarrollo de las flores. En la vid, los meristemos laterales pueden dar lugar a primordios de inflorescencia o de zarcillo que son considerados órganos homólogos. Con este objetivo llevamos a cabo un estudio a nivel del transcriptoma de la yema a lo largo de su ciclo anual, así como a lo largo del desarrollo de la inflorescencia y del zarcillo. Además realizamos un análisis genómico de la familia MADS de factores transcripcionales (concretamente aquellos del tipo MIKC) para identificar todos sus miembros y tratar de asignarles posibles funciones biológicas. En cuanto al ciclo de desarrollo de la yema, los resultados indican que los principales factores que explican las diferencias globales en la expresión génica fueron los procesos de dormición de la yema y el crecimiento activo junto con las respuestas a diversos tipos de estrés. Las yemas no durmientes mostraron un incremento en la expresión de genes contenidos en categorías funcionales típicas de células en proliferación y crecimiento activo (como fotosíntesis, regulación del ciclo celular, ensamblaje de cromatina), mientras que en las yemas durmientes, las principales categorías funcionales activadas estaban asociadas a respuestas a estrés, así como con el catabolismo de almidón. Los mayores cambios observados a nivel de transcriptoma en la yema coincidieron con las transiciones de para/endodormición, endo/ecodormición y ecodormición/brotación. Los análisis transcripcionales globales a lo largo del desarrollo del zarcillo y de la inflorescencia sugirieron que estos dos órganos homólogos comparten un programa transcripcional común, relacionado con funciones de proliferación celular. Ambas estructuras mostraron un descenso progresivo en la expresión de genes pertenecientes a categorías funcionales como regulación del ciclo celular, metabolismo/señalización por auxinas, metabolismo de ADN, ensamblaje de cromatina y un grupo de cinco tránscritos pertenecientes a la familia de factores transcripcionales GROWTH-REGULATING FACTOR (GRF), que han sido asociados con el control de la proliferación celular y en determinar el tamaño de los órganos laterales en otras especies. Sin embargo, también pusieron de manifiesto programas transcripcionales que podrían estar relacionados con la diferente estructura y función de dichos órganos. Los zarcillos mostraron mayor actividad transcripcional de genes relacionados con fotosíntesis, señalización hormonal y metabolismo secundario que las inflorescencias, mientras que éstas presentaron mayor actividad transcripcional de genes codificantes de factores de transcripción (especialmente los pertenecientes a la familia MADS-box). Análisis adicionales a lo largo del desarrollo de la inflorescencia evidenciaron la relevancia de otras funciones posiblemente relacionadas con el desarrollo floral, como el metabolismo de lípidos y ácidos grasos, la señalización mediada por jasmonato y la biosíntesis de oxilipinas. Los análisis transcripcionales llevados a cabo pusieron de manifiesto la relevancia de varios grupos de factores transcripcionales en los procesos estudiados. Los perfiles de expresión estudiados a lo largo del desarrollo de la yema mostraron diferencias significativas en algunas de las subfamilias de genes MADS con respecto a otras especies vegetales, como las observadas en los miembros de las subfamilias FLC y SVP, lo cual sugiere que podrían desempeñar nuevas funciones en la vid. En este sentido, se encontró que los genes VvFLC2 y VvAGL15.1 podrían participar, junto con algunos miembros de la familia SPL-L, en la regulación de la dormición. De un modo similar, los patrones de expresión de los genes VvFLC1, VvFUL, VvSOC1.1 (junto con VvFT, VvMFT1 y VFL) podría indicar que desempeñan un papel en la regulación de la inducción de la floración en la vid, como se ha observado en otros sistemas vegetales. Los niveles de expresión de VFL, el homólogo en vid del gen LEAFY de A. thaliana podrían ser cruciales para la especificación del desarrollo de meristemos de inflorescencia y flor en lugar de meristemos de zarcillo. Los genes VvAP3.1 y 2, VvPI, VvAG1 y 3, VvSEP1-4, así como VvBS1 y 2 parecen estar asociados con los eventos de diferenciación de meristemos y órganos florales, mientras que VvAP1 y VvFUL-L (junto con VvSOC1.1 y VvAGL6.2) podrían estar implicados en el desarrollo del zarcillo dados sus patrones de expresión. Adicionalmente, se analizó la función biológica de los genes VvAP1 y VvTFL1A por medio de una estrategia de silenciamiento génico. Los datos preliminares sugieren un posible papel para ambos genes en la iniciación y diferenciación de los zarcillos. Finalmente, el análisis genómico de la familia MADS en vid evidenció diferencias con respecto a otras especies vegetales en cuanto a número de miembros y patrón de expresión en genes supuestamente implicados en la inducción de la floración, en comparación con aquellos relacionados con la especificación de identidad de órganos florales y desarrollo del fruto. En conjunto, los resultados obtenidos han permitido identificar posibles rutas y genes candidatos a participar en la regulación de los procesos de desarrollo reproductivo de la vid, sentando las bases de futuros experimentos encaminados a conocer la funciones biológicas de genes específicos.