Respuesta a la sequía en Pinus Radiata D. Don y su implicación en los procesos de tolerancia

Zusammenfassung

En este estudio se evaluaron cinco ecotipos de Pinus radiata D. Don y un híbrido de especie (O4, Pinus radiata x Pinus attenuata) con el fin de caracterizar fisiológicamente su respuesta al estrés hídrico y determinar su tolerancia, capacidad de recuperación y endurecimiento. La plantas de O4 fueron incluidas como modelo de tolerancia debido a la alta resistencia a la sequía descrita en P. attenuata (Begley, 2001). En cada ecotipo se estudiaron los cambios fisiológicos producidos durante ciclos de estrés hídrico a corto y a largo plazo, incluyendo las posibles señales hormonales así como sus interconexiones. Para el análisis, se emplearon diferentes herramientas estadísticas como regresiones, ANCOVAs, MANOVAs, y análisis de componentes principales que facilitaron el entendimiento de la compleja respuesta de las plantas al estrés hídrico.La falta de agua provocó una alteración de los parámetros hídricos y de intercambio gaseoso, una inducción del ajuste osmótico, y un aumento del valor del modulo de elasticidad de las paredes celulares. El crecimiento de las plantas también se vio afectado.Las fitohormonas jugaron un papel fundamental en la respuesta al estrés hídrico, su capacidad de recuperación y endurecimiento. Así, todas las plantas descendieron sus niveles de citoquininas como primera señal de estrés. El contenido de zeatinas y los niveles de conductancia hidráulica en hoja disminuyeron de forma paralela, y cuando la reducción alcanzó valores de 65%, las plantas estresadas empezaron a acumular otras hormonas como ácido índole-3-acético (IAA) y ácido abscísico (ABA). IAA fue la fitohormona más representativa en plantas de P. radiata sometidas a consecutivos ciclos de déficit hídrico. La presencia de IAA en las acículas estuvo relacionada con la aparición de síntomas externos como curvatura apical y epinastia acicular.La sequía también incrementó los niveles de ácido jasmónico y disminuyó los de ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC), precursor del etileno. Estos procesos se observaron principalmente en los ecotipos que mostraron mayor porcentaje de plantas con síntomas externos. Por el contrario, el ácido salicílico se acumuló en aquellas plantas que presentaron bajas pérdidas electrolíticas y menores síntomas externos.Las plantas procedentes de O4 y O5 fueron las más tolerantes, y su tolerancia se basó en un eficiente control de la conductancia hidráulica y del cierre estomático, y un alto ajuste osmótico activo inducido por la síntesis de novo de osmolitos, que contribuyó al mantenimiento de la turgencia celular. Entre los osmolitos analizados, los carbohidratos solubles fueron los solutos que contribuyeron en mayor medida al ajuste osmótico, mientras que los aminoácidos y las poliaminas libres mostraron una modesta contribución. Sin embargo, las plantas estresadas incrementaron en gran medida ciertos aminoácidos y poliaminas libres de forma diferencial debido a su implicación en la respuesta a la falta de agua. A este respecto, las plantas incrementaron en gran medida sus niveles de ácido ¿- aminobutírico, prolina (Pro) y ácido glutámico (Glu) durante la sequía, y especialmente Glu y Pro tras el endurecimiento. Únicamente los ecotipos más tolerantes, O4 y O5, aumentaron sus niveles de Pro como consecuencia de la aclimatación a condiciones de déficit hídrico, por lo tanto este aminoácido fue el mejor indicador de la capacidad de endurecimiento. Además, las plantas de O5 mostraron los mayores niveles de putrescina, espermidina y espermina.La mayor tolerancia a la desecación y la capacidad de endurecimiento también estuvo asociada a características estructurales tales como menor cavidad subestomática y mayor tamaño de las células xilemáticas, además de un aumento del tamaño de los canales resiníferos bajo condiciones de estrés.Nuestro estudio demostró que la tolerancia a la sequía en Pinus radiata varía a nivel intraespecífico y está modulada por cambios morfológicos, fisiológicos y señales hormonales entre las que el IAA juega un papel principal.SummaryIn this study, five Pinus radiata ecotypes and a species hybrid (O4, Pinus radiata x Pinus attenuata) were analyzed to evaluate their drought response and to determine their tolerance, recovery capacity and hardening. O4 plants were included as tolerance models due to the high drought resistance of P. attenuata (Begley, 2001). In each ecotype the physiological changes produced along short and long stress cycles were studied, including the possible hormonal signals and their interconnections. To the analysis, different statistic tools such as regressions, ANCOVAs, MANOVAs and principal component analysis were used for an easier understanding of this complex plant response to water stress.The water deficit provoked an alteration of hydric status and gas exchange parameters, an osmotic adjustment and an increase of cell wall elastic modulus. Plant growth was also affected.Phytohormones played a main role in the plant water stress response, recovery capacity and hardening. Thus, stressed plants decreased their cytokinin levels, being the first water stress hormonal signal. The needle zeatin levels and hydraulic conductance decreased together, and when this reduction reached values of 65%, stressed plants started to accumulate indole-3-acetic acid (IAA) and abscisic acid (ABA). IAA was the most representative phytohormone in P. radiata plants subjected to sequential drought cycles. The needle IAA presence in stressed plants was mainly related to the external symptoms such as needle epinasty and apical curvature.Drought also induced jasmonic acid accumulation and diminution of 1-aminocyclopropane-1-carboxilic acid (ACC), the ethylene precursor. These traits were mainly observed in ecotypes with high percentage of external symptoms. On the contrary, salicylic acid was accumulated in plants that presented low electrolyte leakage and less external symptoms.Plants from O4 and O5 were the most drought tolerant ones, and their tolerance was due to an efficient control of hydraulic conductance and stomatal closure, and a high active osmotic adjustment (OA) (70%) induced by de novo osmolyte synthesis, that allowed the turgor maintenance. Among analyzed osmolytes, soluble carbohydrates strongly contributed toOA, whereas free amino acids and free polyamines showed a modest contribution. However, stressed plants highly increased some specific amino acids and polyamines, suggesting an implication in plant water stress response. At this respect, ¿- aminobutyric acid, proline (Pro) and glutamic acid (Glu) were accumulated in plants under water stress, and especially Glu and Pro after drought conditioning. The most tolerant ecotypes, O4 and O5, also increased their Pro content during hardening, being a good indicator of acclimation capacity. In addition, O5 showed the highest values of putrescine, spermidine and spermine.High desiccation tolerance and hardening capacity were also associated to structural characteristics such as less substomatal chamber and higher xylem cell area, and a resin duct size increase under drought conditions.Our study showed that drought tolerance in Pinus radiata varies at intraspecific level and is modulated by physiological and morphological changes and hormonal signals that are interconnected each other, playing IAA the principal role.