Respuesta de gramíneas perennes frente al estrés para la producción de biomasa

Abstract

Las gramíneas perennes han sido catalogadas como cultivos energéticos con alto potencial debido a sus beneficios ambientales y su capacidad de crecimiento en regiones con condiciones adversas.

El objetivo principal de esta Tesis ha sido caracterizar las respuestas ecofisiológicas de dos especies de gramíneas perennes (Arundo donax L. (C3) y Panicum virgatum L. (C4)) a diversas condiciones de estrés, como son el estrés hídrico, el estrés salino y el estrés por baja temperatura y oscuridad continua.

En el experimento I, distintos ecotipos de Arundo donax L. fueron sometidos a condiciones de estrés hídrico y salino en la Universidad de Barcelona (España; Exp. Ia y Ib) y en la Universidad de Catania (Italia; Exp. Ib). A su vez, se clasificaron de acuerdo a su tolerancia a estos estreses en función de un Índice de Susceptibilidad al Estrés (SSI). En el experimento II, fueron las dos especies (Arundo donax L. y Panicum virgatum L.) las que se sometieron a las mismas condiciones de estrés hídrico y salino (Exp. IIa) y a estrés por baja temperatura y oscuridad continua (Exp. IIb). Por último, en el tercer experimento se estudió el efecto del estrés hídrico en ambas especies (Arundo donax L. y Panicum virgatum L.) mediante el uso de isótopos estables de 13C y 15N. En los tres experimentos se midieron los efectos del estrés en parámetros fisiológicos (tasa fotosintética, conductancia estomática, contenido relativo del agua en la hoja, contenido de clorofila) y en parámetros de biomasa (área foliar, área de los tallos, peso seco total, índice S/R, área específica foliar, etc). A su vez, en el experimento III se determinó la composición isotópica del 13C de la materia orgánica total (delta13CTOM), de la respiración en oscuridad (delta13CR) y de los azúcares solubles totales (delta13CTSS) así como de la composición isotópica del 15N de la materia orgánica total (delta15NTOM).

En condiciones control, los resultados indicaron una tasa fotosintética en Arundo donax L. (C3) similar a la de Panicum virgatum L. (C4), aunque la producción de biomasa fue mayor en esta última especie, debido principalmente al mecanismo de concentración de CO2 característico de este tipo de ruta metabólica. A su vez, se observó como Arundo donax L. estaba más empobrecida en 13C que Panicum virgatum L. .

En condiciones de estrés, tanto hídrico como salino, se observó como el descenso de la tasa fotosintética (Asat) fue íntimamente ligado a la disminución de la conductancia estomática (gs), disminuyendo a su vez la producción de biomasa en ambas especies. Según los resultados, Arundo donax L. estaría mas afectado por el estrés hídrico que por la salinidad. A su vez, los resultados indicarían cierta tolerancia de Panicum virgatum L. al estrés hídrico y al estrés salino en comparación con Arundo donax L. . La baja temperatura, además de funcionar como un crioprotector de enzimas, actuaría retardando ligeramente el efecto negativo de la oscuridad. A su vez, se observó un metabolismo más lento en Panicum virgatum L. frente a bajas temperaturas y oscuridad continua, indicando una mayor tolerancia a este estrés. Mediante el uso de isótopos estables se ha observado como el tallo y el rizoma de ambas especies funcionarían como órganos sumideros de carbono y las hojas órganos sumideros de nitrógeno.

Perennial rhizomatous grasses are regarded as leading energy crops due to their environmental benefits and their suitability to regions with adverse conditions.

The main objective of this Thesis was to characterize the ecophysiological responses of two species of perennial grasses (Arundo donax L. (C3) and Panicum virgatum L. (C4)) to several stress conditions such as water stress, salt stress and low temperature and continuous darkness stress. Different physiological parameters (photosynthetic rate, stomatal conductance, relative water content and chlorophyll content) as well as biomass parameters (leaf area, stem area, total dry weight, S/R index, specific leaf area ratio) were measured in both species. Moreover, the isotopic composition of 13C and 15N of the total organic matter (delta13CTOM and delta15NTOM), of the darkness respiration (delta13CR) and of the total soluble sugars (delta13CTSS) were determined.

In control conditions, results showed a similar photosynthetic rate in both species, although biomass production was higher in Panicum virgatum L. (C4), mainly due to the CO2 concentration mechanism characteristic of this type of metabolic pathway. A decrease in photosynthetic rate (Asat) closely linked to the decrease in stomatal conductance (gs) was observed under stress conditions, along with a decrease in biomass production. According to the results, Arundo donax L. would be more affected by water stress than by salinity. In turn, the results indicate some tolerance of Panicum virgatum L. to water stress, salt stress and low temperature and continuous darkness compared with Arundo donax L. . The use of stable isotopes have shown that the stem and rhizome of both species are carbon sink organs, and the leaves are nitrogen sink organs.