Effects of atmospheric carbon dioxide fertilization on biomass and secondary metabolites of some plant species with pharmacological interes under greenhouse conditions

RESUMEN El aumento del CO2 atmosférico debido al cambio global y/o a las prácticas hortícolas promueve efectos directos sobre crecimiento vegetal y el desarrollo. Estas respuestas pueden ocurrir en ecosistemas naturales, pero también se pueden utilizar para aumentar la producción de algunas plantas y de algunos compuestos secundarios. El actual trabajo intenta estudiar los efectos del enriquecimiento atmosférico del CO2 bajo condiciones de invernadero en el crecimiento y la concentración y la composición de metabolitos secundarios de Taxus bacatta, Hypericum perforatum y Echinacea purpurea en condiciones ambientales mediterráneas. La fertilización del CO2 muestra perspectivas interesantes para la mejorara y aplicabilidad de técnicas hortícolas para aumentar productividad de plantas medicinales, a pesar de diferencias claras entre la especie. En general esta técnica promueve aumentos importantes y significativos en producción primaria y, en algunos casos, también en compuestos secundarios. Esto tiene una gran importancia hortícola porque la productividad a nivel de cosecha total aumenta, directamente porque se aumenta la concentración e indirectamente porque se aumenta la biomasa. SUMMARY The increase of atmospheric CO2 due to global change and/or horticultural practices promotes direct effects on plant growth and development. These responses may occur in natural ecosystems, but also can be used to increase the production of some plants and some secondary compounds. Present work tries to study the effects of atmospheric CO2 enrichment under greenhouse conditions on growth and in the concentration and composition of secondary metabolites of Taxus bacatta, Hypericum perforatum and Echinacea purpurea under Mediterranean environmental conditions. CO2 fertilization shows interesting perspectives to increase and improve horticultural techniques in order to increase plant medicinal productivity, in spite of clear differences among the species. In general this technique promotes important and significant increases in primary productivity and, in some cases, also in secondary compounds. This has a great horticultural relevance because the total productivity of this kind of products increase at crop level, directly because concentration is increased and /or indirectly because biomass is increased. RESUM L'augment del CO2 atmosfèric a causa del canvi global i/o a les pràctiques hortícoles promou efectes directes sobre creixement vegetal i el desenvolupament. Aquestes respostes poden ocórrer en ecosistemes naturals, però també es poden utilitzar per a augmentar la producció d'algunes plantes i d'alguns compostos secundaris. L'actual treball intenta estudiar els efectes de l'enriquiment atmosfèric del CO2 sota condicions d'hivernacle en el creixement i la concentració i la composició de metabòlits secundaris de Taxus bacatta, Hypericum perforatum i Echinacea purpurea en condicions ambientals mediterrànies. La fertilització del CO2 mostra perspectives interessants per a la millora i aplicabilitat de tècniques hortícoles per a augmentar productivitat de plantes medicinals, a pesar de diferències clares entre l'espècie. En general aquesta tècnica promou augments importants i significatius en producció primària i, en alguns casos, també en compostos secundaris. Això té una gran importància hortícola perquè la productivitat a nivell de collita total augmenta, directament perquè s'augmenta la concentració i indirectament perquè s'augmenta la biomassa.

The effects of depleted, current and elevated growth [CO2] in wheat are modulated by water availability

Drought is the main constraint on wheat yield in Mediterranean conditions. The photosynthesis, chlorophyll fluorescence and plant growth parameters of durum wheat (Triticum turgidum, L. var. durum) were compared at three [CO2] (i.e., depleted 260 ppm, current 400ppm and elevated 700 ppm) in plants subjected to twowater regimes (i.e.,well-wateredWW, and mildwater stress by drought orwater deficit WS), during pre-anthesis, post-anthesis and the end of grain filling. We showed that [CO2] effects on plants are modulated by water availability. Plants at depleted [CO2] showed photosynthetic acclimation (i.e., up-regulation) and reduced plant biomass and Harvest Index, but depleted [CO2] combined with WS has a more negative impact on plants with decreases in C assimilation and biomass. Plants at elevated [CO2] had decreased plant growth and photosynthesis in response to a down-regulation mechanism resulting from a decrease in Rubisco and N content, but plants exposed to a combination of elevated [CO2] and WS were the most negatively affected (e.g., on plant biomass).

Plant-microbe interactions and the new biotechnological methods of plant disease control

Plants constitute an excellent ecosystem for microorganisms. The environmental conditions offered differ considerably between the highly variable aerial plant part and the more stable root system. Microbes interact with plant tissues and cells with different degrees of dependence. The most interesting from the microbial ecology point of view, however, are specific interactions developed by plant-beneficial (either non-symbiotic or symbiotic) and pathogenic microorganisms. Plants, like humans and other animals, also become sick, but they have evolved a sophisticated defense response against microbes, based on a combination of constitutive and inducible responses which can be localized or spread throughout plant organs and tissues. The response is mediated by several messenger molecules that activate pathogen-responsive genes coding for enzymes or antimicrobial compounds, and produces less sophisticated and specific compounds than immunoglobulins in animals. However, the response specifically detects intracellularly a type of protein of the pathogen based on a gene-for-gene interaction recognition system, triggering a biochemical attack and programmed cell death. Several implications for the management of plant diseases are derived from knowledge of the basis of the specificity of plant-bacteria interactions. New biotechnological products are currently being developed based on stimulation of the plant defense response, and on the use of plant-beneficial bacteria for biological control of plant diseases (biopesticides) and for plant growth promotion (biofertilizers)

Alleviating abiotic and biotic soil constraints by combining Arbuscular Mycorrhizal Fungi with banana and plantain micropropagation systems

The objectives of Participant 4 were: - Establishment and maintenance of a representative collection of AM fungal species in vivo on trap plant cultures. - Study of the effects of early mycorrhizal inoculation in the growth and health of in vitro plantlets and their subsequent behaviour in the nursery. - Effect of the mycorrhization of in vitro produced bananas and plantains on plant growth and health, under biotic stress conditions (nematode and fungi)

Introducció experimental a la biotecnologia amb clavellina: cultiu in vitro

Treball de recerca realitzat per una alumna d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. Es tracta d’una recerca experimental en la que s’han assajat vuit tècniques de cultiu in vitro amb clavellina. El material vegetal s’ha esterilitzat per immersió en una solució diluïda de lleixiu i s’ha manipulat de manera estèril. En tots els casos el medi de cultiu utilitzat ha estat el MS amb una concentració de sacarosa i reguladors de creixement variable segons l’experiment. La incubació dels cultius s’han dut a terme en una cambra amb control de fotoperíode durant 4 setmanes. Els diferents reguladors de creixement han mostrat un clar efecte sobre les seccions de tija. Els explants cultivats en medi lliure d’hormones han crescut menys que els exposats a diverses concentracions de NAA i BA. Aquests tractaments hormonals han originat símptomes de creixement anòmals (engruiximents a la base i vitrificació). La presencia de 2,4-D ha afavorit la formació de cal•lus i d’arrels per organogènesi adventícia indirecta. L’obtenció de plàntules per germinació in vitro de llavors ha permès reduir notablement les pèrdues per contaminació, mentre que el subcultiu d’aquestes ha donat unes tases de micropropagació de 7.2 seccions/plàntula. Ha estat possible aclimatar aquestes vitroplantes per tal d’adaptar-les a les condicions de camp. No hem pogut obtenir organogènesis adventícia ni embriogènesi somàtica a partir d anteres ni hem pogut iniciar un cultiu de cèl•lules a partir dels cal•lus. Tot i la complexitat d’aquestes tècniques, és possible dur-les a terme en un laboratori escolar.

Obtenció de nous anàlegs amb activitat brassinoesteroide mitjançant modelització molecular i síntesi

Els brassinoesteroides són productes naturals que actuen com a potents reguladors del creixement vegetal. Presenten aplicacions prometedores en l’agricultura degut a que, aplicats exògenament, augmenten la qualitat i la quantitat de les collites. Ara bé, el seu ús s’ha vist restringit degut a la seva costosa obtenció. Aquest fet ha motivat la recerca de nous compostos actius més assequibles. En aquest projecte es planteja el disseny i obtenció de nous anàlegs seguint diferents estratègies que impliquen tant l’ús de mètodes de modelització molecular com de síntesi orgànica. La primera d’aquestes estratègies consisteix en buscar compostos actius en bases de dades de compostos comercials a través de processos de Virtual Screening desenvolupats amb mètodes computacionals basats en Camps d’Interacció Molecular. Així, es van establir i interpretar models de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR) emprant descriptors independents de l’alineament (GRIND) i, amb col•laboració amb la Universitat de Perugia, aquest criteri de cerca es va ampliar amb l’aplicació de descriptors FLAP de nova generació. Una altra estratègia es va basar en intentar substituir l’esquelet esteroide dels brassinoesteroides per una estructura equivalent, fixant com a cadena lateral el grup (R)-hexahidromandelil. S’han aplicat dos criteris: mètodes computacionals basats en models QSAR establerts amb descriptors GRIND i també en la metodologia SHOP (scaffold hopping), i, per altra banda, anàlegs proposats racionalment a partir d’un estudi efectuat sobre disruptors endocrins no esteroïdals. Sobre les estructures trobades s’hi va unir la cadena lateral comercial esmentada per via sintètica, en la qual s’ha hagut de fer un èmfasi especial en grups protectors. En total, 49 estructures es proposen per a ser obtingudes sintèticament. També s’ha treballat en l’obtenció un agonista derivat de l’hipotètic antagonista KM-01. Totes les molècules candidates, ja siguin comercials o obtingudes sintèticament, estant sent avaluades en el test d’inclinació de la làmina d’arròs (RLIT).

Carbohydrate and nitrogen stores in Festuca paniculata under mowing explain dominance in subalpine grasslands

Cessation of traditional management threatens semi-natural grassland diversity through the colonisation or increase of competitive species adapted to nutrient-poor conditions. Regular mowing is one practice that controls their abundance. This study evaluated the ecophysiological mechanisms limiting short- and long-term recovery after mowing for Festuca paniculata, a competitive grass that takes over subalpine grasslands in the Alps following cessation of mowing. We quantified temporal variations in carbon (C) and nitrogen (N) content, starch, fructan and total soluble sugars in leaves, stem bases and roots of F. paniculata during one growth cycle in mown and unmown fields and related them to the dynamics of soil mineral N concentration and soil moisture. Short-term results suggest that the regrowth of F. paniculata following mowing might be N-limited, first because of N dilution by C increments in the plant tissue, and second, due to low soil mineral N and soil moisture at this time of year. However, despite short-term effects of mowing on plant growth, C and N content and concentration at the beginning of the following growing season were not affected. Nevertheless, total biomass accumulation at peak standing biomass was largely reduced compared to unmown fields. Moreover, lower C storage capacity at the end of the growing season impacted C allocation to vegetative reproduction during winter, thereby dramatically limiting the horizontal growth of F. paniculata tussocks in the long term. We conclude that mowing reduces the growth of F. paniculata tussocks through both C and N limitation. Such results will help understanding how plant responses to defoliation regulate competitive interactions within plant communities.

Histology of Organogenic and Embryogenic Responses in Cotyledons of Somatic Embryos of Quercus Suber L.

In cork oak (Quercus suber L.), recurrent embryogenesis is produced in vitro through autoembryony without exogenous plant growth regulators (PGRs); secondary embryos appear on the embryo axis but seldom on cotyledons. Focusing mainly on the histological origin of neoformations, we investigated the influence of the embryo axis and exogenous PGRs on the embryogenic potential of somatic embryo cotyledons. Isolated cotyledons of somatic embryos became necrotic when cultured on PGR-free medium but gave secondary embryos when cultured on media containing benzyladenine and naphthaleneacetic acid. Cotyledons of cork oak somatic embryos are competent to give embryogenic responses. Isolated cotyledons without a petiole showed a lower percentage of embryogenic response than did those with a petiole. In petioles, somatic embryos arose from inner parenchyma tissues following a multicellular budding pattern. Joined to the embryo axis, cotyledons did not show morphogenic responses when cultured on PGR-free medium but revealed budlike and phylloid formations when cultured on medium with PGRs. The different morphogenic behavior displayed by somatic cotyledons indicates an influence of the embryo axis and indicates a relationship between organogenic and embryogenic regeneration pathways

Selenium uptake by edible plants from enriched peat.

As a constituent of selenoproteins, selenium (Se) is considered an essential element for human health.The main way that Se enters the body is via the consumption of vegetables, whose concentration of thiselement depends on soil Se content. We grew cabbage, lettuce, chard and parsley, in peat enriched in Seby means of the additive Selcote Ultra®and Na2SeO3and Na2SeO4. Total Se in plants was determinedby acidic digestion and Se speciation by an enzymatic extraction. Both were measured by ICP/MS. Theconcentration ranges were between 0.1 mg Se kg−1and 30 mg Se kg−1for plants grown in Selcote Ultra®media, and between 0.4 mg Se kg−1and 1606 mg Se kg−1for those grown in peat enriched with Se sodiumsalts. We found Se (IV), Se (VI) and SeMet in all the extracts. Peat fortified with Selcote Ultra®gave slightlyhigher Se concentration than natural content values. For plants grown with selenium sodium salts, Secontent increases with the Se added and part of the inorganic Se was converted mainly to SeMet. A highSe fortification can damage or inhibit plant growth. Cabbage showed the greatest tolerance to Se.

Avaluació de l'aptitud de bioestabilitzats com a esmena orgànica per a la rehabilitació de sòls

L’objectiu d’aquest estudi ha estat avaluar l’efecte que té sobre algunes propietats fisicoquímiques del sòl i el creixement de plantes, l’adició del producte compostat obtingut a partir de la fracció orgànica dels residus sòlids urbans de recollida no selectiva, material anomenat bioestabilitzat. S’ha dut a terme un bioassaig amb blat (Triticum aestivum), utilitzant bioestabilitzat procedent de dues plantes de tractament mecànic i biològic, Vacarisses i Mataró, que s’ha aplicat a diferents dosis en un sòl de baixa qualitat. S’ha observat una relació positiva entre el creixement del blat i la dosis de bioestabilitzat aplicada. Pel que fa a la germinació, ha estat lleugerament estimulada per les dosis intermèdies de bioestabilitzat assajades. En quant a les propietats fisicoquímiques del sòl, s’ha observat un increment de la salinitat en funció de la dosis de bioestabilitzat aplicada, que en les més elevades podria ser problemàtica. També, el contingut de matèria orgànica ha augmentat de manera proporcional a la dosis, cosa que ha millorat les propietats físiques del sòl. Per altra banda, s’han trobat continguts d’impropis (vidre, plàstic ...) i concentracions d’alguns metalls pesants bastant elevades, així com una considerable variabilitat entre les partides de bioestabilitzat. Finalment, es conclou que abans de permetre l’aplicació de bioestabilitzat per a la rehabilitació de sòls degradats, cal aprofundir més en l’estudi d’aquest material.

Carbohydrate and nitrogen stores in Festuca paniculata under mowing explain dominance in subalpine grasslands

Cessation of traditional management threatens semi-natural grassland diversity through the colonisation or increase of competitive species adapted to nutrient-poor conditions. Regular mowing is one practice that controls their abundance. This study evaluated the ecophysiological mechanisms limiting short- and long-term recovery after mowing for Festuca paniculata, a competitive grass that takes over subalpine grasslands in the Alps following cessation of mowing. We quantified temporal variations in carbon (C) and nitrogen (N) content, starch, fructan and total soluble sugars in leaves, stem bases and roots of F. paniculata during one growth cycle in mown and unmown fields and related them to the dynamics of soil mineral N concentration and soil moisture. Short-term results suggest that the regrowth of F. paniculata following mowing might be N-limited, first because of N dilution by C increments in the plant tissue, and second, due to low soil mineral N and soil moisture at this time of year. However, despite short-term effects of mowing on plant growth, C and N content and concentration at the beginning of the following growing season were not affected. Nevertheless, total biomass accumulation at peak standing biomass was largely reduced compared to unmown fields. Moreover, lower C storage capacity at the end of the growing season impacted C allocation to vegetative reproduction during winter, thereby dramatically limiting the horizontal growth of F. paniculata tussocks in the long term. We conclude that mowing reduces the growth of F. paniculata tussocks through both C and N limitation. Such results will help understanding how plant responses to defoliation regulate competitive interactions within plant communities.