Dynamics of adventitious rooting in mini-cuttings of Eucalyptus benthamii x Eucalyptus dunnii

It is possible to determine the optimum time for permanence of vegetative propagules (mini-cuttings) inside a greenhouse for rooting, and this value can be used to optimize the structure of the nursery. The aim of this study was to determine the dynamics of adventitious rooting in mini-cuttings of three clones of Eucalyptus benthamii x Eucalyptus dunnii. Sprouts of H12, H19 and H20 clones were collected from mini-stumps that were planted in gutters containing sand and grown in a semi-hydroponic system. The basal region of the mini-cuttings was immersed in 2,000 mg L-1 indole-3-butyric acid (IBA) solution for 10 seconds. The rooting percentage of the mini-cuttings, the total length of the root system and the rooting rate per mini-cutting were also evaluated at 0 (time of planting), 7, 14, 21, 28, 35, 42, 49 and 56 days. We used logistic and exponential regression to mathematically model the speed of rhizogenesis. The rooting percentage was best represented as a logistic model, and the total length of the root system was best represented as an exponential model. The clones had different speeds of adventitious rooting. The optimum time for permanence of the mini-cuttings inside the greenhouse for rooting was between 35 and 42 days, and varied depending on the genetic material.

Nitrogen fertilizer (15N) leaching in a central pivot fertigated coffee crop

Nitrogen has a complex dynamics in the soil-plant-atmosphere system. N fertilizers are subject to chemical and microbial transformations in soils that can result in significant losses. Considering the cost of fertilizers, the adoption of good management practices like fertigation could improve the N use efficiency by crops. Water balances (WB) were applied to evaluate fertilizer N leaching using 15N labeled urea in west Bahia, Brazil. Three scenarios (2008/2009) were established: i) rainfall + irrigation the full year, ii) rainfall only; and iii) rainfall + irrigation only in the dry season. The water excess was considered equal to the deep drainage for the very flat area (runoff = 0) with a water table located several meters below soil surface (capillary rise = 0). The control volume for water balance calculations was the 0 - 1 m soil layer, considering that it involves the active root system. The water drained below 1 m was used to estimate fertilizer N leaching losses. WB calculations used the mathematic model of Penman-Monteith for evapotranspiration, considering the crop coefficient equal to unity. The high N application rate associated to the high rainfall plus irrigation was found to be the main cause for leaching, which values were 14.7 and 104.5 kg ha-1 for the rates 400 and 800 kg ha-1 of N, corresponding to 3.7 and 13.1 % of the applied fertilizer, respectively.

El agua regenerada y la producción de biocombustibles

[ES] La Jatropha curcas L., una especie tóxica que no interfiere en la cadena alimentaria, produce biodiesel de mejor calidad ambiental que los aceites de origen mineral pero, para su cultivo, se emplean recursos limitados, fundamentalmente agua y suelo. Por tanto, en las zonas áridas es necesario cultivarla en condiciones intensivas, regando con aguas regeneradas y disminuyendo los costes productivos. Para optimizar el consumo del agua se ha empleado el riego alterno de raíces, que mantiene seca una parte del sistema obteniéndose menos frutos/racimo pero más racimos fértiles/árbol, lo que permitirá estrechar el marco de plantación, una de las pocas opciones para mejorar su rentabilidad pues la producción por árbol es muy estable

Effects of flooding on coastal vegetation and salt marshes

This thesis examines the effects of flooding on coastal and salt marsh vegetation. I conducted a field experiment in Bellocchio Lagoon to test the effects of different inundation periods (Level 1 = 0.468 or 11.23 hours; Level 2 = 0.351 or 8.42 hours; Level 3 = 0.263 or 6.312 hours; Level 4 = 0.155 or 3.72 hours; Level 5 = 0.082 or 1.963 hours; Level 6 = 0.04 or 0.96 hours) on the growth responses and survival of the salt marsh grass Spartina maritima in summer 2011 and 2012. S. maritima grew better at intermediate inundation times (0,351 hours; 0,263 hours, 0,115 hours; 0,082 hours), while growth and survival were reduced at greater inundation periods (0,468 hours). The differences between the 2011 and 2012 experiment were mainly related to differences in the initial number of shoots (1 and 5, respectively in 2011 and 2012). In the 2011 experiment a significant lower number of plants was present in the levels 1 and 6, the rhizomes reached the max pick in level 4, weights was major in level 4, spike length reached the pick in level 3 while leaf length in level 2. In the 2012 experiment the plants in level 6 all died, the rhizomes were more present in level 3, weights was major in level 3, spike length reached the pick in level 3, as well as leaf length. I also conducted a laboratory experiment which was designed to test the effects of 5 different inundation periods (0 control, 8, 24, 48, 96 hours) on the survival of three coastal vegetation species Agrostis stolonifera, Trifolium repens and Hippopae rhamnoides in summer 2012. The same laboratory experiment was repeated in the Netherlands. In Italy, H. rhamnoides showed a great survival in the controls, a variable performance in the other treatments and a clear decrease in treatment 4. Conversely T. repens and A. stolonifera only survive in the control. In the Netherlands experiment there was a greater variability responses for each species, still at the end of the experiment survival was significantly smaller in treatment 4 (96 h of seawater inundation) for all the three species. The results suggest that increased flooding can affect negatively the survival of both saltmarsh and coastal plants, limiting root system extension and leaf growth. Flooding effect could lead to further decline and fragmentation of the saltmarshes and coastal vegetation, thereby reducing recovery (and thus resilience) of these systems once disturbed. These effects could be amplified by interactions with other co-occurring human impacts in these systems, and it is therefore necessary to identify management options that increase the resilience of these systems.

Mean age of carbon in fine roots from temperate forests and grasslands with different management

Fine roots are the most dynamic portion of a plant's root system and a major source of soil organic matter. By altering plant species diversity and composition, soil conditions and nutrient availability, and consequently belowground allocation and dynamics of root carbon (C) inputs, land-use and management changes may influence organic C storage in terrestrial ecosystems. In three German regions, we measured fine root radiocarbon (14C) content to estimate the mean time since C in root tissues was fixed from the atmosphere in 54 grassland and forest plots with different management and soil conditions. Although root biomass was on average greater in grasslands 5.1 ± 0.8 g (mean ± SE, n = 27) than in forests 3.1 ± 0.5 g (n = 27) (p < 0.05), the mean age of C in fine roots in forests averaged 11.3 ± 1.8 yr and was older and more variable compared to grasslands 1.7 ± 0.4 yr (p < 0.001). We further found that management affects the mean age of fine root C in temperate grasslands mediated by changes in plant species diversity and composition. Fine root mean C age is positively correlated with plant diversity (r = 0.65) and with the number of perennial species (r = 0.77). Fine root mean C age in grasslands was also affected by study region with averages of 0.7 ± 0.1 yr (n = 9) on mostly organic soils in northern Germany and of 1.8 ± 0.3 yr (n = 9) and 2.6 ± 0.3 (n = 9) in central and southern Germany (p < 0.05). This was probably due to differences in soil nutrient contents and soil moisture conditions between study regions, which affected plant species diversity and the presence of perennial species. Our results indicate more long-lived roots or internal redistribution of C in perennial species and suggest linkages between fine root C age and management in grasslands. These findings improve our ability to predict and model belowground C fluxes across broader spatial scales.

Picea abies in Europe: distribution, habitat, usage and threats

Among the coniferous species, Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) is one of the most important trees in Europe both for economic and ecological aspects, with a long tradition of cultivation. It can be a big tree, reaching 50-60 m in height with a straight and regular trunk, particularly used for timber constructions, pulpwood for paper and furniture. This widespread species dominates the Boreal forests in Northern Europe and the subalpine areas of the Alps and Carpathian Mountains. Thanks to its high performances in different site conditions, it can also be found outside its natural distribution on lower elevations in more temperate forests. Norway spruce has been massively planted up to its niche limits, where it is particularly susceptible to heat and drought, due to its shallow root system. For this reason it is expected to be severely affected under global warming conditions. Disturbed and weakened plants can be easily attacked by rot fungi such as Heterobasidion annosum and Armillaria, or by the bark beetles Ips typographus, one of the most destructive spruce forest pests.

Tolerancia a la salinidad en dos portainjertos de citrus : crecimiento, composición mineral y ajuste osmótico

El objetivo de este trabajo fue evaluar la tolerancia al estrés salino en el portainjerto Citrumelo cultivar 75 AB (Citrus paradisi x Poncirus trifoliata), en comparación con Mandarino Cleopatra (Citrus retuculata), conocido por su elevada tolerancia. Se incubaron plántulas entre toallas de papel, humedecidas con agua destilada o soluciones de NaCl 30 mM. El diseño experimental fue completamente aleatorizado con 3 repeticiones, y los datos se analizaron mediante ANOVA y Test de Tukey. Luego de 41 días de ensayo se determinó el peso fresco, contenido relativo de agua (CRA), concentración de prolina y composición mineral. El crecimiento de Cleopatra fue más sensible a la salinidad que el de Citrumelo cultivar 75 AB. El CRA se mantuvo constante en ambos portainjertos. El ajuste osmótico se realizó mediante la acumulación de prolina en hojas; su concentración fue mayor en Citrumelo 75 AB. Este último excluyó los iones Na+ y Cl- de la parte aérea, restringiéndolos al sistema radicular, mientras que en Cleopatra se observó lo opuesto. Se concluye que Citrumelo cultivar 75 AB es más tolerante a la salinidad que Cleopatra, y excluye los iones Na+ y Cl- de la parte aérea.

Fertilización del kiwi (Actinidia deliciosa (A. Chev.) C. F. Liang & A. R. Ferguson, cv. Hayward) durante la etapa de implantación en el sudeste bonaerense (Argentina)

En una plantación de kiwi situada en Balcarce (provincia de Buenos Aires, Argentina), se evaluó el efecto de la fertilización nitrogenada y potásica sobre el crecimiento de la planta durante la etapa de implantación, en la temporada 2008 - 2009. Los tratamientos fueron T: control sin fertilizar, N: fertilizado con nitrógeno (48 kg/ha N), K: fertilizado con potasio (60 kg/ha K) y NK: fertilizado con nitrógeno y potasio (48 kg/ha N - 60 kg/ha K). Se realizaron muestreos periódicos de: longitud de tallo, longitud del último entrenudo y área foliar. Se determinó el diámetro del tallo a fin de temporada y la distribución de raíces en el perfil de suelo en plena dormición. Se efectuaron análisis foliares de macronutrientes, así como N mineral, N anaeróbico (NAN) y carbono orgánico (CO) en el suelo. El suelo correspondió a un Argiudol, con niveles de NAN entre 85 - 100 mg/kg y de CO de 45 - 50 g/kg en los primeros 30 cm. Los resultados obtenidos, en cuanto al crecimiento de la parte aérea de la planta, no constituyen evidencia suficiente para justificar la fertilización con N y K bajo las condiciones experimentales del estudio. Aun en el T, los niveles foliares de N y K se mantuvieron dentro de los estándares normales. El sistema radical, observado durante el reposo, se habría visto beneficiado por la fertilización nitrogenada. En el estrato de suelo comprendido entre 10 y 20 cm se determinó un promedio de 61 raíces/100 cm2, en el tratamiento N, 40 en el tratamiento combinado NK, 28 en el tratamiento K, y 19 en el testigo.

El injerto en pepino corto tipo español (Cucumis sativus L.) recomencaciones para su empleo en la zona central española

El injerto en hortalizas es uno de los temas de más actualidad en el panorama hortícola, no solo español, sino occidental, y recalcamos occidental, pues en muchos países que no corresponden a ese ámbito, sobre todo asiáticos: Japón, Corea, China, Filipinas, etc., esta es una técnica que cuenta con una gran difusión desde hace décadas, siendo, por ejemplo en Japón, la mayoría de sus cultivos de cucurbitáceas y solanáceas realizados con planta injertada. A finales de los noventa quedó claro que el empleo de bromuro de metilo tenía una fecha de caducidad y que las zonas que tenían una fuerte dependencia de este desinfectante de suelo debían de buscar alternativas a un plazo lo más corto posible, con un punto añadido sobre etapas anteriores, debían ser alternativas lo más respetuosas posible con el medio ambiente y que no incrementaran, de forma importante, los costes de producción. En la zona centro y concretamente en los invernaderos de la Comunidad de Madrid y zonas cercanas de Toledo y Guadalajara el pepino era y es el cultivo predominante, los horticultores empleaban el bromuro de metilo de forma sistemática para desinfectar sus suelos y la desaparición de este producto les planteaba una gran incertidumbre, lo que llevó a que desde diferentes instancias se buscaran diferentes alternativas. Tras analizar las posibilidades que se podían implementar y conocido el buen resultado que había dado el injerto en sandía en Almería, se decidió acometer los trabajos que conforman esta Tesis Doctoral, planteando en la zona, diferentes ensayos con la idea de conocer, si el injerto en pepino, con los cultivares empleados habitualmente, podía ser una alternativa real para los horticultores, tanto de Madrid, como los de las zonas cercanas de Toledo y Guadalajara. Se pretendía conocer sobre todo las repercusiones agronómicas y si esta técnica podría emplearse en solitario o era necesario complementarla con otras alternativas: desinfectantes químicos, solarización, biofumigación e incluso desinfección con vapor de agua. Los ensayos fueron realizados de forma secuencial entre el año 1999 y el 2011, comprobándose en primer lugar que el empleo de portainjertos híbridos de calabaza era posible con los cultivares de pepino corto tipo español, mayoritariamente empleados en los últimos años del siglo XX y primeros del XXI, fundamentalmente: Serena. Tras los primeros ensayos, Shintoza parecía el portainjerto híbrido de calabaza (Cucurbita maxima x C. moschata) con mejores perspectivas de empleo, pues presentaba la ventaja adicional de ser bien conocido por los semilleros que producen planta injertada al ser, en esos momentos, el portainjerto más empleado en sandía, lo que garantizaba por su lado, su empleo en pepino, y que los horticultores pudiesen disponer de planta injertada. Más adelante los trabajos se encaminaron hacia la determinación de la densidad y tipo de poda más adecuado para la planta injertada, realizándose múltiples ensayos en esta dirección, que culminaron con la conclusión de que el extravigor que los portainjertos conferían a las plantas permitía conducir estas a dos o más brazos (se suelen emplear dos, por mejor adaptación a los trabajos de manejo de la planta por parte de los agricultores), con lo que se podría disminuir la densidad de planta y por tanto ahorrar en este capítulo, cosa que preocupaba y preocupa a los agricultores. Se llegó a determinar que es posible reducir la densidad de plantación en alrededor de un 25%, estando la densidad de brazos más adecuada entre 3 y 3.5 br•m-2. Tras las primeras decisiones tomadas sobre el portainjerto y la densidad más adecuada, se continuó con el estudio de adaptación de estas propuestas a los nuevos cultivares que las empresas de semillas iban proponiendo y los agricultores adoptando. Estas acciones se complementaron con la introducción de nuevos portainjertos susceptibles de sustituir a Shintoza o rotar con él para cambiar de sistema radicular, lo que es conveniente cuando se emplean, como es el caso, portainjertos que no son resistentes a nematodos, principalmente de la especie Meloidogyne incognita, el mayor problema en la zona, debido al suelo. Cultivares como Trópico, en un primer momento, y Urano y Motril más recientemente, se adaptaron muy bien a esta técnica. Entre los portainjertos que mostraron buena adaptación a la técnica de injerto y suficientemente buena compatibilidad con la mayoría de los cultivares ensayados destacan: RS-841, Strongtosa y Camel. Azman también mostró un comportamiento relevante, pero este portainjerto no podrá ser empleado, al ser recientemente retirado del mercado por la empresa que lo obtuvo y comercializó Aunque no era el objetivo principal de esta Tesis Doctoral, se ha comprobado que puede ser interesante combinar el empleo del injerto con otras técnicas alternativas al bromuro de metilo para superar los problemas debidos a enfermedades del suelo o nematodos, pero debe seguirse trabajando pues este es un tema en continua evolución, tanto si se trata de desinfectantes, a la mayoría de los cuales les está siendo retirado el permiso para su comercialización, como de otros métodos como la biofumigación o el empleo de vapor de agua. Queda muy claro que el injerto puede considerarse entre los métodos respetuosos con el medio ambiente, si no el que más, en lo que alternativas al bromuro de metilo se refiere. También en otro momento, se comprobó que con plantas injertadas es posible reducir el aporte de nutrientes, sobre todo nitrógeno, lo que además de un ahorro supone una mejora más desde el punto de vista medioambiental. En definitiva, queda demostrado que es factible el empleo del injerto en pepino corto tipo español, que las selecciones de los híbridos entre Cucurbita maxima y C. moschata que habitualmente se están empleando en sandía son también de aplicación en estos pepinos y que su empleo puede llevarnos a producciones suficientemente remuneradoras, alargándose en muchos casos el ciclo y no modificando, de forma apreciable, la calidad. Queda también demostrado que aunque los portainjertos no sean resistentes a nematodos, su extravigor les hace desarrollarse, desde el punto de vista productivo, suficientemente, llegando por tanto, a “convivir” con ese problema. Al no ser resistentes los portainjertos, y permanecer e incluso agravarse el problema de nematodos es conveniente poder contar con diferentes portainjertos que nos permitan rotar entre ellos y utilizar diferentes sistemas radiculares que harán menos fácil el parasitismo de los nematodos, como recomiendan los nematólogos que se haga. ABSTRACT Vegetable grafting is one of the most current practices in horticulture, not only in Spain, but also in other Western and Asian countries, such as Japan, South Korea, China, the Philippines, etc. This is a decades-old, widespread technique: In fact, most cucurbit and solanaceous crops in Japan and Korea are grafted. At the end of the 1990s, it was clear that methyl bromide had an expiry date. Consequently, the areas strongly dependant on this soil disinfectant had to look for alternatives as quickly as possible. Besides, these had to be as environmentally friendly as possible and should not increase production costs significantly. The cucumber has been and still is the most important crop in greenhouses of the Comunidad de Madrid and in areas near Toledo and Guadalajara. Cucumber growers used methyl bromide systematically to disinfect the soil. The banning of this chemical product brought about uncertainty, which encouraged the search for different alternatives. After analyzing the different possibilities and taking into account the good results of watermelon grafting in Almería, it was decided to carry out the works that make up this doctoral thesis. Different trials were made in order to know if the cultivars used in cucumber grafting might be a real alternative for farmers, not only in Madrid, but also in the areas near Toledo and Guadalajara. The main aim was to assess the agronomic repercussions and whether that technique could be used alone, or if other complementary alternatives, such as chemical disinfectants, solarisation, biofumigation, or even steam disinfection, were necessary. Trials were carried out sequentially from 1999 to 2011. It was observed that the use of pumpkin hybrid rootstocks could be applied to cultivars of Spanish short cucumbers, mainly grown in the late 20th and early 21st centuries eg Serena. After the early trials, Shintoza (Cucurbita maxima x C. moschata), a pumpkin hybrid rootstock, seemed to be the best option, as it had the additional advantage of being well known by nurseries growing grafting plants. Bearing this in mind, Shintoza was then the hybrid rootstock to be used in cucumbers and consequently growers could have grafted plants at their disposal. Later on, research was focused on density and the most adequate type of pruning, by carrying out several trials. These experiments showed that, the extra vigour the rootstocks gave to the plants, allowed them to have two or three stems, (normally nurserymen use two, as it is easier for them to manage the plants). These findings would lead to the lessening the density of the plant and thus reduce costs, something which worried and still worries farmers. It was stated that it would be possible to reduce the density of the plants by about 25%, the optimum density of the stems ranging from 3 to 3.5 stem-m-2. Once decisions were taken both on the rootstock and the appropriate density, we went on to study how to apply these proposals to the new cultivars which the seed companies were proposing and the farmers were applying. These measures were complemented with the introduction of new rootstocks capable of replacing Shintoza, or rotating with it in order to change the root system. This is particularly necessary when rootstocks, non-resistant to nematodes, mainly of the species Meloidogyne incognita, are used. This is the main problem due to the soil of that area. Cultivars such as Trópico, at first, and Urano and Motril, more recently, adapted quite well to this technique. Among the rootstocks which adapted well to grafting and which were compatible with most tested cultivars, were, in particular, RS-841 Strongtosa and Camel. The behaviour of Azman was worth studying, but this rootstock was removed from the market by the company which had bought and commercialized it. Although not the main purpose of the research, it was observed that combining grafting with other alternatives to methyl bromide in order to overcome problems due to soil diseases or nematodes may be worthwhile. However, further research is needed, as this topic is in constant evolution, not only when we come to disinfectants, most of which are being affected by the removal of the permit for commercialization, but also when we refer to other techniques such as biofumigation or the use of steam. Results also showed that grafted plants may reduce the amount of fertilizers, particularly nitrogen, used: This means both saving money and the protection of the environment. We may conclude by saying that grafting Spanish short cucumbers is feasible, that the selections of the hybrids between Cucurbita maxima and C. moschata, habitually used in watermelon grafting, can also be applied to these cucumbers. It can also be concluded that the use of these grafting techniques may lead to profitable yields, by lengthening the growing cycle in many cases and by maintaining the quality to a large extent. Although these rootstocks are not resistant to nematodes, the results showed that their extra vigour enables them to develop in terms of production, and thus they cope with this problem. Since these rootstocks are not resistant to nematodes and the problem with these nematodes may even worsen, it is recommended that different types of rootstocks should be available to enable both the rotation and the use of different root systems, which will encourage the parasitism of nematodes.

Effects of soluble humic acids on the uptake of heavy metals by Vetiveria zizanioides (L.) Nash in contaminated mining soils

In the past, mining wastes were left wherever they might lie in the surroundings of the mine area. Unfortunately, inactive and abandoned mines continue to pollute our environment, reason why these sites should be restored with minimum impact. Phytoextraction is an environmental-friendly and cost-effective technology less harmful than traditional methods that uses metal hyperaccumulator or at least tolerant plants to extract heavy metals from polluted soils. One disadvantage of hyperaccumulator species is their slow growth rate and low biomass production. Vetiveria zizanioides (L.) Nash, perennial species adapted to Mediterranean climate has a strong root system which can reach up to 3 m deep, is fast growing, and can survive in sites with high metal levels (Chen et al., 2004). Due to the fact that metals in abandoned mine tailings become strongly bonded to soil solids, humic acids used as chelating agents could increase metal bioavailability (Evangelou et al., 2004; Wilde et al., 2005) and thereby promote higher accumulation in the harvestable parts of the plant. The objective of this study was to examine the performance of humic acid assisted phytoextraction using Vetiveria zizanioides (L.) Nash in heavy metals contaminated soils.

Expresión de la resistencia en plantas de tomate a nematodos formadores de nódulos (Meloidogyne javanica)

La resistencia genética mediada por los genes R es uno de los sistemas de defensa de las plantas frente a patógenos y se activa una vez que los patógenos han superado la defensa basal que otorgan la cutícula y pared celular. Los mecanismos de resistencia genética se inician a su vez, por el reconocimiento de productos derivados de genes de avirulencia de los patógenos (avr) por parte de las proteínas R. Tanto la respuesta de defensa basal como la respuesta de defensa por genes R están influenciadas por patrones de regulación hormonal, que incluye a las principales hormonas vegetales ácido salicílico (SA), ácido jasmónico (JA) y etileno (ET). En tomate (Solanum lycopersicum) uno de los genes R es el gen MiG1, que confiere resistencia a nematodos formadores de nódulos (Meloidogyne javanica, M. incognita y M. arenaria). Uno de los eventos más importantes que caracterizan a la respuesta de resistencia es la reacción hipersensible (HR), que está mediada por la activación temprana de una serie de sistemas enzimáticos, entre los que destaca el de las peroxidasas (PRXs) Clase III. Su función es importante tanto para limitar el establecimiento y expansión del nematodo, al generar ambientes altamente tóxicos por su contribución en la producción masiva de ROS, como por su implicación en la síntesis y depósito de lignina generando barreras estructurales en el sitio de infección. Además de estos mecanismos de defensa asociados a la resistencia constitutiva, las plantas pueden desarrollar resistencia sistémica adquirida (SAR) que en la naturaleza ocurre, en ocasiones, en una fase posterior a que la planta haya sufrido el ataque de un patógeno. Así mismo hay diferentes productos de origen químico como el benzotiadiazol o BTH (ácido S-metil benzol-(1,2,3)-tiadiozole-7-carbónico ester) que pueden generar esta misma respuesta SAR. Como resultado, la planta adquiere resistencia sistémica frente a nuevos ataques de patógenos. En este contexto, el presente trabajo aborda en primer lugar el análisis comparativo, mediante microarrays de oligonucleótidos, de los transcriptomas de los sistemas radicales de plantas de tomate de 8 semanas de edad de dos variedades, una portadora del gen de resistencia MiG1 (Motelle) y otra carente del mismo y, por tanto, susceptible (Moneymaker), antes y después de la infección por M. javanica. Previo a la infección se observó que la expresión de un gran número de transcritos era más acusada en la variedad resistente que en la susceptible, entre ellos el propio gen MiG1 o los genes PrG1 (o P4), LEJA1 y ER24, lo que indica que, en ausencia de infección, las rutas hormonales del SA, JA y ET están más activas en la raíz de la variedad resistente. Por el contrario, un número mucho menor de transcritos presentaban su expresión más reducida en Motelle que en Moneymaker, destacando un gen de señalización para sintetizar la hormona giberelina (GA). La infección por M. javanica causa importantes cambios transcripcionales en todo el sistema radical que modifican sustancialmente las diferencias basales entre plantas Motelle y Moneymaker, incluida la sobreexpresión en la variedad resistente de los transcritos de MiG1, que se reduce parcialmente, mientras que las rutas hormonales del SA y el JA continuan más activas que en la susceptible (evidente por los genes PrG1 y LEJA1). Además, los cambios asociados a la infección del nematodo se evidencian por las grandes diferencias entre los dos tiempos post-infección considerados, de tal forma que en la fase temprana (2 dpi) de la interacción compatible predomina la sobreexpresión de genes de pared celular y en la tardía (12 dpi) los relacionados con el ARN. En el análisis de la interacción incompatible, aunque también hay muchas diferencias entre ambas fases, hay que destacar la expresión diferencial común de los genes loxA y mcpi (sobrexpresados) y del gen loxD (reprimido) por su implicación en defensa en otras interacciones planta-patógeno. Cabe destacar que entre las interacciones compatible e incompatible hubo muy pocos genes en común. En la etapa temprana de la interacción compatible destacó la activación de genes de pared celular y la represión de la señalización; en cambio, en la interacción incompatible hubo proteínas principalmente implicadas en defensa. A los 12 días, en la interacción compatible los genes relacionados con el ARN y la pared celular se sobreexpresaban principalmente, y se reprimían los de proteínas y transporte, mientras que en la incompatible se sobreexpresaron los relacionados con el estrés, el metabolismo secundario y el de hormonas y se reprimieron los de ARN, señalización, metabolismo de hormonas y proteínas. Por otra parte, la técnica de silenciamiento génico VIGS reveló que el gen TGA 1a está implicado en la resistencia mediada por el gen MiG1a M. javanica. Así mismo se evaluó el transcriptoma de todo el sistema radical de la variedad susceptible tras la aplicación del inductor BTH, y se comparó con el transcriptoma de la resistente. Los resultados obtenidos revelan que el tratamiento con BTH en hojas de Moneymaker ejerce notables cambios transcripcionales en la raíz; entre otros, la activación de factores de transcripción Myb (THM16 y THM 27) y del gen ACC oxidasa. Las respuestas inducidas por el BTH parecen ser de corta duración ya que no hubo transcritos diferenciales comunes a las dos fases temporales de la infección comparadas (2 y 12 dpi). El transcriptoma de Moneymaker tratada con BTH resultó ser muy diferente al de la variedad resistente Motelle, ambas sin infectar, destacando la mayor expresión en el primero del gen LeEXP2, una expansina relacionada con defensa frente a nematodos. Las respuestas inducidas por los nematodos en Moneymaker-BTH también fueron muy distintas a las observadas previamente en la interacción incompatible mediada por MiG1, pues sólo se detectaron 2 genes sobreexpresados comunes a ambos eventos. Finalmente, se abordó el estudio de la expresión diferencial de genes que codifican PRXs y su relación con la resistencia en la interacción tomate/M. javanica. Para ello, se realizó en primer lugar el estudio del análisis del transcriptoma de tomate de la interacción compatible, obtenido en un estudio previo a partir de tejido radical infectado en distintos tiempos de infección. Se han identificado 16 unigenes de PRXs con expresión diferencial de los cuales 15 se relacionan por primera vez con la respuesta a la infección de nematodos. La mayoría de los genes de PRXs identificados, 11, aparecen fuertemente reprimidos en el sitio de alimentación, en las células gigantes (CG). Dada la implicación directa de las PRXs en la activación del mecanismo de producción de ROS, la supresión de la expresión génica local de genes de PRXs en el sitio de establecimiento y alimentación pone de manifiesto la capacidad del nematodo para modular y superar la respuesta de defensa de la planta de tomate en la interacción compatible. Posteriormente, de estos genes identificados se han elegido 4: SGN-U143455, SGN-U143841 y SGN-U144042 reprimidos en el sitio de infección y SGN-U144671 inducido, cuyos cambios de expresión se han determinado mediante análisis por qRT-PCR y de hibridación in situ en dos tiempos de infección (2 dpi y 4 dpi) y en distintos tejidos radicales de tomate resistente y susceptible. Los patrones de expresión obtenidos demuestran que en la interacción incompatible la transcripción global de los 4 genes estudiados se dispara en la etapa más temprana en el sitio de infección, detectándose la localización in situ de transcritos en el citoplasma de las células corticales de la zona meristemática afectadas por el nematodo. A 4 dpi se observó que los niveles de expresión en el sitio de infección cambian de tendencia y los genes SGN-U144671 y SGN-U144042 se reprimen significativamente. Los diferentes perfiles de expresión de los genes PRXs en los dos tiempos de infección sugieren que su inducción en las primeras 48 horas es crucial para la respuesta de defensa relacionada con la resistencia frente a la invasión del nematodo. Por último, al analizar el tejido radical sistémico, se detectó una inducción significativa de la expresión en la fase más tardía de la infección del gen SGN-U144042 en el genotipo susceptible y del SGN-U143841 en ambos genotipos. En este estudio se describe por primera vez la inducción de la expresión sistémica de genes de PRXs en tomate durante la interacción compatible e incompatible con M. javanica lo que sugiere su posible implicación funcional en la respuesta de defensa SAR activada por la infección previa del nematodo. ABSTRACT Plants defend themselves from pathogens by constitutive and/or induced defenses. A common type of induced defense involves plant resistance genes (R), which are normally activated in response to attack by specific pathogen species. Typically, a specific plant R protein recognizes a specific pathogen avirulence (avr) compound. This initiates a complex biochemical cascade inside the plant that results in synthesis of antipathogen compounds. This response can involve chemical signaling, transcription, translation, enzymes and metabolism, and numerous plant hormones such as salicylic acid (SA), jasmonates (JA) and ethylene (ET). Induced plant defense can also activate Class III peroxidases (PRXs), which produce reactive oxygen species (ROS), regulate extracellular H2O2, and play additional roles in plant defense. R-gene activation and the resulting induced defense often remain localized in the specific tissues invaded by the plant pathogen. In other cases, the plant responds by signaling the entire plant to produce defense compounds (systemic induction). Plant defense can also be induced by the exogenous application of natural or synthetic elicitors, such as benzol-(1,2,3)-thiadiazole-7-carbothionic acid. There is much current scientific interest in R-genes and elicitors, because they might be manipulated to increase agricultural yield. Scientists also are interested in systemic induction, because this allows the entire plant to be defended. In this context, one of the aims of this investigation was the transcriptoma analysis of the root systems of two varieties of tomato, the resistant variety (Motelle) that carrier MiG1 and the susceptible (Moneymaker) without MiG1, before and after infection with M. javanica. The overexpression was more pronounced in the transcriptoma of the resistant variety compared with susceptible, before infection, including the MiG1 gene, PrG1 (or P4) genes, LEJA1 and ER24, indicating that hormone SA, JA and ET are active in the resistant variety. Moreover, GA hormone presents an opposite behavior. M. javanica infection causes significant transcriptional changes in both compatible (Moneymaker-M. javanica) and incompatible (Motelle-M. javanica) interaction. In the incompatible transcriptome root system, was notably reduced the expression of the MiG1 gene, and a continuity in the expression of the hormonal pathways of SA and JA. In other hand, transcriptional profile changes during compatible interaction were associated with nematode infection. The large differences between the two times point infection considered (2 dpi and 12 dpi) indicates an overexpression of cell wall related genes in the first phase, and conversely an overexpression of RNA genes in the late phase. Transcriptoma analysis of incompatible interaction, although there were differences between the two phases, should be highlighted the common differential gene expression: loxA and mcpi (overexpressed) and loxD gene (suppressed), as they are involved in defenses in other plant-pathogen interactions. The VIGS tool has provided evidence that TGA 1a is involved in MiG1 mediated resistance to M. javanica. Likewise, the systemic application of BTH was assessed and compared with susceptible and resistant variety. Root system transcriptoma of BTH treatment on leaves showed the activation of Myb transcription factors (THM16 and THM27), the ACC oxidase gene. and the LeEXP2 gene, encoding for an expansin enzyme, related with defense against nematodes. The activation appears to be reduced by subsequent infection and establishment of nematodes. To assist in elucidate the role of tomato PRXs in plant defence against M. javanica, the transcriptome obtained previously from isolated giant cells (GC) and galls at 3 and 7 dpi from the compatible interaction was analysed. A total of 18 different probes corresponding to 16 PRX encoding genes were differentially expressed in infection site compared to the control uninfected root tissues. Most part of them (11) was down-regulated. These results yielded a first insight on 15 of the PRX genes responding to tomato–Meloidogyne interaction and confirm that repression of PRX genes might be crucial for feeding site formation at the initial stages of infection. To study the involvement of PRX genes in resistance response, four genes have been selected: SGN-U143455, SGN-U143841 and SGN-U144042 consistently down-regulated and SGN-U144671 consistently up-regulated at infection site in compatible interaction. The expression changes were determined by qRT-PCR and in situ location at 2 dpi and 4 dpi, and in different root tissues of resistant and susceptible plants. Early upon infection (2 dpi), the transcripts levels of the four genes were strongly increased in infected tissue of resistant genotype. In situ hybridization showed transcript accumulation of them in meristem cortical cells, where the nematode made injury. The results obtained provide strong evidence that early induction of PRX genes is important for defence response of the resistance against nematode invasion. Moreover, the induction patterns of SGN-U144042 gene observed at 4 dpi in distal noninfected root tissue into the susceptible genotype and of SGN-U143841 gene in both genotypes suggest a potential involvement of PRX in the systemic defence response.

Unearthing the roots of degradation of Quercus pyrenaica coppices: an integrative perspective from clonal structure to carbon budgets

Quercus pyrenaica es una especie rebrotadora de raíz intensa e históricamente aprovechada en monte bajo para la obtención de leñas, carbón y pastos. Debido al éxodo rural y a la aparición de nuevas fuentes energéticas, este aprovechamiento fue abandonado en la década de 1970. Desde entonces, las bajas producciones de madera y bellota y el puntisecado de los pies evidencian el generalizado estancamiento de estas masas. Uno de los mayores retos actuales de la selvicultura en el ámbito mediterráneo es encontrar usos alternativos para estos montes abandonados, siendo la conversión a monte alto una de las alternativas preferidas. Se han realizado resalveos de conversión, sin embrago, éstos se aplican sin un conocimiento integral de las causas de la degradación. En esta tesis doctoral, estudiamos un hipotético desequilibrio entre la parte radical y la parte aérea (R:S) de las cepas de rebollo como causa subyacente de su decaimiento. En una parcela experimental, aprovechada al menos desde el siglo XII, se realizaron análisis genéticos a priori para elucidar la estructura genética del rodal, y así estudiar la influencia del tamaño clonal en el funcionamiento de las cepas. Las cepas de mayor tamaño presentaron un menor crecimiento diametral de sus pies, así como mayores tasas de respiración radical, estimadas a partir de flujos internos de CO2 a través del xilema (FT) y de los flujos de CO2 del suelo. Estos resultados sugieren que el desequilibrio R:S aumenta con el tamaño clonal, dado que la eliminación periódica de órganos aéreos, al mismo tiempo que las raíces permanecen intactas, da lugar a un gran desarrollo del sistema radical que consume gran parte de los carbohidratos no estructurales (NSC) en respiración de mantenimiento, comprometiendo así el desarrollo de órganos aéreos. Se excavaron y pesaron dos cepas compuestas por cuatro y ocho pies, las cuales mostraron ratios R:S (0.5 y 1, respectivamente) superiores a los registrados en pies de origen sexual. Al igual que en otras especies rebrotadoras de raíz, se observaron altas concentraciones de NSC en las raíces (> 20% en primavera) y una gran proporción de albura en el sistema radical (52%) que alberga una notable reserva de NSC (87 kg en la cepa de mayor tamaño). En el sistema radical de dicha cepa, estimada mediante dataciones radiocarbónicas en 550 años de edad, se contaron 248 uniones radicales. La persistencia de sistemas radicales grandes, viejos, y altamente interconectados sugiere que la gran cantidad de recursos almacenados y consumidos en las raíces compensan un pobre desarrollo aéreo con una alta resiliencia vegetativa. Para un mejor entendimiento de los balances de carbono y del agotamiento de NSC en las cepas de rebollo, se midieron los flujos internos y externos de CO2 en troncos y los flujos de CO2 del suelo, y se estimó la respiración de órganos aéreos (RS) y subterráneos (RR). Estacionalmente, RS y RR reflejaron las dinámicas de flujo de savia y de crecimiento del tronco, y estuvieron determinadas principalmente por los flujos externos de CO2, dada la escasa contribución de FT a RS y RR (< 10% y < 2%, respectivamente). En una escala circadiana, la contribución de FT a RS aumentó hasta un 25% en momentos de alta transpiración. Las bajas concentraciones de CO2 en el xilema ([CO2] hasta un 0.11%) determinaron comparativamente unos bajos FT, probablemente causados por una limitada respiración del xilema y una baja resistencia a la difusión radial del CO2 impuestos por la sequía estival. Los pulsos de [CO2] observados tras las primeras lluvias de otoño apoyan esta idea. A lo largo del periodo vegetativo, el flujo medio de CO2 procedente del suelo (39 mol CO2 day-1) fue el mayor flujo respiratorio, tres y cuatro veces superior a RS (12 mol CO2 day-1) y RR (8-9 mol CO2 day-1), respectivamente. Ratios RR/RS menores que la unidad evidencian un importante peso de la respiración aérea como sumidero de carbono adicional. Finalmente, se ensayó el zanjado de raíces y el anillamiento de troncos como tratamientos selvícolas alternativos con el objetivo de aumentar las reservas de NSC en los troncos de las cepas. Los resultados preliminares desaconsejan el zanjado de raíces por el alto coste derivado posiblemente de la cicatrización de las heridas. El anillado de troncos imposibilitó el transporte de NSC a las raíces y aumentó la concentración de almidón por encima de la zona anillada, mientras que sistema radical se mantiene por los pies no anillados de la cepa. Son necesarias más mediciones y datos adicionales para comprobar el mantenimiento de esta respuesta positiva a largo plazo. Para concluir, destacamos la necesidad de estudios multidisciplinares que permitan una comprensión integral de la degradación de los rebollares ibéricos para poder aplicar a posteriori una gestión adecuada en estos montes bajos abandonados. ABSTRACT Quercus pyrenaica is a vigorous root-resprouting species intensively and historically coppiced for firewood, charcoal and woody pastures. Due to the rural exodus and the appearance of new energy sources, coppicing was abandoned towards 1970. Since then, tree overaging has resulted in stand stagnation displayed by slow stem growth, branch dieback, and scarce acorn production. The urgent need to find new alternative uses for abandoned coppices is recognized as one of the biggest challenges which currently faces Mediterranean silviculture; conversion into high forest by thinning is one of the preferred alternatives. For this aim, thinning has been broadly applied and seldom tested, although without a comprehensive understanding of the causes of stand stagnation. In this PhD study, we test the hypothesis of an imbalance between above- and below-ground organs, result of long term coppicing, as the underlying cause of Q. pyrenaica decay. In an experimental plot coppiced since at least the 12th century, genetic analyses were performed a priori to elucidate inconspicuous clonal structure of Q. pyrenaica to evaluate how clonal size affects the functioning of these multi-stemmed trees. Clonal size negatively affected diametric stem growth, whereas root respiration rates, measured by internal fluxes of CO2 through xylem (FT) and soil CO2 efflux, increased with clonal size. These results suggest root-to-shoot (R:S) imbalance intensifying with clonal size: periodic removal of aboveground organs whilst belowground organs remain undisturbed may have led to massive root systems which consume a great proportion of non-structural carbohydrates (NSC) for maintenance respiration, thus constraining aboveground performance. Furthermore, excavation of two multi-stemmed trees, composed by four and eight stems, revealed R:S ratios (0.5 and 1, respectively) greater than those reported for sexually regenerated trees. Moreover, as similarly observed in several root-resprouting species, NSC allocation to roots was favored ([NSC] > 20% in spring): a large proportion of sapwood maintained throughout the root system (52%) stored a remarkable NSC pool of 87 kg in the case of the largest clone. In this root system of the eight-stemmed tree, 248 root connections were counted and, by radiocarbon dating, its age was estimated to be 550-years-old. Persistence of massive, old and highly interconnected root systems suggests that enhanced belowground NSC storage and consumption reflects a trade-off between vegetative resilience and aboveground development. For a better understanding of tree carbon budget and the potential role of carbon starvation in Q. pyrenaica decay, internal and external stem CO2 fluxes and soil CO2 effluxes were monitored to evaluate respiratory costs above- and below-ground. On a seasonal scale, stem and root respiration (RS and RR) mirrored sap flow and stem growth dynamics. Respiration was determined to the greatest extent by external fluxes of CO2 to the atmosphere or soil, since FT accounted for a low proportion of RS and RR (< 10% and < 2%, respectively). On a diel scale, the contribution of FT to RS increased up to 25% at high transpiration rates. Comparatively low FT was determined by the low concentration of xylem CO2 registered ([CO2] as low as 0.11%), likely as a consequence of constrained xylem respiration and reduced resistance to CO2 radial diffusion imposed by summer drought. Xylem [CO2] pulses following first autumn rains support this idea. Averaged over the growing season, soil CO2 efflux was the greatest respiratory flux (39 mol CO2 day-1), three and four times greater than RS (12 mol CO2 day-1) and RR (8-9 mol CO2 day-1), respectively. Ratios of RR/RS below one evidence an additional and important weight of aboveground respiration as a tree carbon sink. Finally, root trenching and stem girdling were tested as complimentary treatments to thinning as a means to improve carbon reserves in stems of clonal trees. Preliminary results discouraged root trenching due to the high cost likely incurred for wound closure. Stem girdling successfully blocked NSC translocation downward, increasing starch concentrations above the girdled zone whilst the root system is fed by non-girdled stems within the clone. Further measurements and ancillary data are necessary to verify that this positive effect hold over time. To conclude, the need of multidisciplinary approaches for an integrative understanding on the functioning of abandoned Q pyrenaica coppices is highlighted for an appropriate management of these stands.

Natural regeneration in mediterranean mixed forests: effect of environmental conditions on the physiological optimum niche of the species = Regeneración natural en masas mixtas mediterráneas: efecto de las condiciones ambientales en el nicho óptimo fisiológico de las especies

Los montes Mediterráneos han experimentado múltiples cambios en las últimas décadas (tanto en clima como en usos), lo que ha conducido a variaciones en la distribución de especies. El aumento previsto de las temperaturas medias junto con la mayor variabilidad intra e inter anual en cuanto a la ocurrencia de eventos extremos o disturbios naturales (como periodos prolongados de sequía, olas de frío o calor, incendios forestales o vendavales) pueden dañar significativamente al regenerado, llevándolo hasta la muerte, y jugando un papel decisivo en la composición de especies y en la dinámica del monte. La amplitud ecológica de muchas especies forestales puede verse afectada, de forma que se esperan cambios en sus nichos actuales de regeneración. Sin embargo, la migración latitudinal de las especies en busca de mejores condiciones, podría ser una explicación demasiado simplista de un proceso mucho más complejo de interacción entre la temperatura y la precipitación, que afectaría a cada especie de un modo distinto. En este sentido tanto la capacidad de adaptación al estrés ambiental de una determinada especie, así como su habilidad para competir por los recursos limitados, podría significar variaciones dentro de una comunidad. Las características fisiológicas y morfológicas propias de cada especie se encuentran fuertemente relacionadas con el lugar donde cada una puede surgir, qué especies pueden convivir y como éstas responden a las condiciones ambientales. En este sentido, el conocimiento sobre las distintas respuestas ecofisiológicas observadas ante cambios ambientales puede ser fundamentales para la predicción de variaciones en la distribución de especies, composición de la comunidad y productividad del monte ante el cambio global. En esta tesis investigamos el grado de tolerancia y sensibilidad que cada una de las tres especies de estudio, coexistentes en el interior peninsular ibérico (Pinus pinea, Quercus ilex y Juniperus oxycedrus), muestra ante los factores abióticos de estrés típicos de la región Mediterránea. Nuestro trabajo se ha basado en la definición del nicho óptimo fisiológico para el regenerado de cada especie a través de la investigación en profundidad del efecto de la sequía, la temperatura y el ambiente lumínico. Para ello, hemos desarrollado un modelo de predicción de la tasa de asimilación de carbono que nos ha permitido identificar las condiciones óptimas ambientales donde el regenerado de cada especie podría establecerse con mayor facilidad. En apoyo a este trabajo y con la idea de estudiar el efecto de la sequía a nivel de toda la planta hemos desarrollado un experimento paralelo en invernadero. Aquí se han aplicado dos regímenes hídricos para estudiar las características fisiológicas y morfológicas de cada especie, sobre todo a nivel de raíz y crecimiento del tallo, y relacionarlas con las diferentes estrategias en el uso del agua de las especies. Por último, hemos estudiado los patrones de aclimatación y desaclimatación al frio de cada especie, identificando los periodos de sensibilidad a heladas, así como cuellos de botella donde la competencia entre especies podría surgir. A pesar de que el pino piñonero ha sido la especie objeto de la gestión de estas masas durante siglos, actualmente se encuentra en la posición más desfavorable para combatir el cambio global, presentado el nicho fisiológico más estrecho de las tres especies. La encina sin embargo, ha resultado ser la especie mejor cualificada para afrontar este cambio, seguida muy de cerca por el enebro. Nuestros resultados sugieren una posible expansión en el rango de distribución de la encina, un aumento en la presencia del enebro y una disminución progresiva del pino piñonero a medio plazo en estas masas. ABSTRACT Mediterranean forests have undergone multiple changes over the last decades (in both climate and land use), which have lead to variations in the distribution of species. The expected increase in mean annual temperature together with the greater inter and intra-annual variability in extreme events and disturbances occurrence (such as prolonged drought periods, cold or heat waves, wildfires or strong winds) can significantly damage natural regeneration, up to causing death, playing a decisive role on species composition and forest dynamics. The ecological amplitude for adaptation of many species can be affected in such a way that changes in the current regeneration niches of many species are expected. However, the forecasted poleward migration of species seeking better conditions could be an oversimplification of what is a more complex phenomenon of interactions among temperature and precipitation, that would affect different species in different ways. In this regard, either the ability to adapt to environmental stresses or to compete for limited resources of a single species in a mixed forest could lead to variations within a community. The ecophysiological and morphological traits specific to each species are strongly related to the place where each species can emerge, which species can coexist, and how they respond to environmental conditions. In this regard, the understanding of the ecophysiological responses observed against changes in environmental conditions can be essential for predicting variations in species distribution, community composition, and forest productivity in the context of global change. In this thesis we investigated the degree of tolerance and sensitivity that each of the three studied species, co-occurring in central of the Iberian Peninsula (Pinus pinea, Quercus ilex and Juniperus oxycedrus), show against the typical abiotic stress factors in the Mediterranean region. Our work is based on the optimal physiological niche for regeneration of each species through in-depth research on the effect of drought, temperature and light environment. For this purpose, we developed a model to predict the carbon assimilation rate which allows us to identify the optimal environmental conditions where regeneration from each species could establish itself more easily. To obtain a better understanding about the effect of low temperature on regeneration, we studied the acclimation and deacclimation patterns to cold of each species, identifying period of frost sensitivity, as well as bottlenecks where competition between species can arise. Finally, to support our results about the effect of water availabilty, we conducted a greenhouse experiment with a view of studying the drought effect at the whole plant level. Here, two watering regimes were applied in order to study the physiological and morphological traits of each species, mainly at the level of the root system and stem growth, and so relate them to the different water use strategies of the species. Despite the fact that stone pine has been the target species for centuries, nowadays this species is in the most unfavorable position to cope with climate change. Holm oak, however, resulted the species that is best adapted to tolerate the predicted changes, followed closely by prickly juniper. Our results suggest a feasible expansion of the distribution range in holm oak, an increase in the prickly juniper presence and a progressive decreasing of stone pine presence in the medium term in these stone pine-holm oak-prickly juniper mixed forests.

The Site of Oxygen Limitation in Soybean Nodules1

In legume nodules the [O2] in the infected cells limits respiration and nitrogenase activity, becoming more severe if nodules are exposed to subambient O2 levels. To identify the site of O2 limitation, adenylate pools were measured in soybean (Glycine max) nodules that were frozen in liquid N2 before being ground, lyophilized, sonicated, and separated on density gradients of nonaqueous solvents (heptane/tetrachloroethylene) to yield fractions enriched in bacteroid or plant components. In nodules maintained in air, the adenylate energy charge (AEC = [ATP + 0.5 ADP]/[ATP + ADP + AMP]) was lower in the plant compartment (0.65 ± 0.04) than in the bacteroids (0.76 ± 0.095), but did not change when the nodulated root system was exposed to 10% O2. In contrast, 10% O2 decreased the bacteroid AEC to 0.56 ± 0.06, leading to the conclusion that they are the primary site of O2 limitation in nodules. To account for the low but unchanged AEC in the plant compartment and for the evidence that mitochondria are localized in O2-enriched microenvironments adjacent to intercellular spaces, we propose that steep adenylate gradients may exist between the site of ATP synthesis (and ADP use) in the mitochondria and the extra-mitochondrial sites of ATP use (and ADP production) throughout the large, infected cells.

The H+-Sucrose Cotransporter NtSUT1 Is Essential for Sugar Export from Tobacco Leaves1

In many species translocation of sucrose from the mesophyll to the phloem is carrier mediated. A sucrose/H+-symporter cDNA, NtSUT1, was isolated from tobacco (Nicotiana tabacum) and shown to be highly expressed in mature leaves and at low levels in other tissues, including floral organs. To study the in vivo function of NtSUT1, tobacco plants were transformed with a SUT1 antisense construct under control of the cauliflower mosaic virus 35S promoter. Upon maturation, leaves of transformants expressing reduced amounts of SUT1 mRNA curled downward, and strongly affected plants developed chloroses and necroses that led to death. The leaves exhibited impaired ability to export recently fixed 14CO2 and were unable to export transient starch during extended periods of darkness. As a consequence, soluble carbohydrates accumulated and photosynthesis was reduced. Autoradiographs of leaves show a heterogenous pattern of CO2 fixation even after a 24-h chase. The 14C pattern does not change with time, suggesting that movement of photosynthate between mesophyll cells may also be impaired. The affected lines show a reduction in the development of the root system and delayed or impaired flowering. Taken together, the effects observed in a seed plant (tobacco) demonstrate the importance of SUT1 for sucrose loading into the phloem via an apoplastic route and possibly for intermesophyll transport as well.