Understanding the mechanisms of drought-induced mortality in trees

Abstract

Les plantes estan exposades a diversos estressos ambientals incloent la sequera i temperatures extremes els quals poden limitar el seu creixement i supervivència. La disponibilitat d'aigua es considera el principal factor limitant per a la productivitat vegetal. Les plantes presenten una sèrie d'estratègies per fer front a la sequera i mantenir un balanç hídric adequat entre les quals s'inclouen modificacions de l'àrea foliar, control estomàtic, canvis en l'assignació de biomassa, modificacions del balanç de carboni font/embornal, i la resistència a l'embolisme del xilema. Tot i així, la mortalitat forestal induïda per sequera és un fenomen generalitzat, amb grans implicacions a nivell d'ecosistema, i s'espera que incrementi degut a l'augment dels episodis de sequera com a resultat de les condicions de canvi climàtic actuals. Entendre com la complexa xarxa de trets que presenten les plantes implicats en la resistència a la sequera determina la seva supervivència tant a nivell d'espècie com d'individu és fonamental per avaluar la vulnerabilitat de la vegetació actual als canvis del clima, i l’impacte potencial en el serveis ecosistèmics. Al 2008, McDowell et al. varen sintetitzar els mecanismes de mortalitat induïda per sequera en un marc hidràulic coherent i senzill. La seva hipòtesi incloïa dos mecanismes fisiològics, no excloents, com a principals causants de la mortalitat d'arbres induïda per sequera: la fallida hidràulica i l’exhauriment de carboni. La fallida hidràulica és el punt en que el transport d'aigua de tota la planta queda bloquejat per cavitació com a resultat de tensions crítiques al xilema. L'exhauriment de carboni és la situació en que el subministrament de carboni provinent de la fotosíntesi, d'estocs de carboni o d'autofàgia no satisfà les necessitats metabòliques mínimes. En aquest marc, la preponderància d'un o altre mecanisme depèn de la intensitat i duració de la sequera, així com de la capacitat de les plantes per regular el seu potencial hídric (Ψw). Les especies isohídriques serien més vulnerables a l'exhauriment de carboni degut a un tancament estomàtic més ràpid per tal de mantenir el Ψw relativament constant (i evitar l'embolisme), mentre que les especies anisohídriques serien més susceptibles a la fallida hidràulica a mesura que el sòl s'asseca ja que operen amb marges de seguretat hidràulica més estrets degut als seus Ψw més negatius. El marc previ es centra en el comportament estomàtic sense tenir en compte la plètora de trets que també intervenen en resposta a la sequera. A més a més, els estomes responen a altres factors a banda del Ψw, i és per això que assumir que la regulació iso/anisohídrica del Ψw és capaç d’explicar completament el comportament estomàtic pot ser enganyós. Per aquest motiu, els principals objectius d’aquesta tesi foren: (2) determinar si les diferències en la regulació estomàtica entre especies estan relacionades amb comportaments iso/anisohídrics i com s’associen aquests als distints mecanismes de mortalitat en condicions de sequera, escalfament o ambdós factors; (2) testar les assumpcions que relacionen comportaments anisohídrics amb majors conductàncies estomàtiques i marges de seguretat hidràulica més amplis; i (3) comprendre com i en quina mesura expliquen els trets morfològics i fisiològics, així com la seva plasticitat, el temps fins la mort en resposta a la sequera dins d’espècie. Per abordar els objectius (1) i (2) vàrem estudiar dos sistemes models amb contrastada vulnerabilitat a l’embolisme entre espècies: la formació boscosa piñon-juniper i l’alzinar Mediterrani. En ambdós casos vàrem comparar les respostes a la sequera entre espècies isohídriques (Pinus edulis i Quercus ilex) i espècies anisohídriques (Juniperus monosperma i Phillyrea latifolia), fent èmfasi en la regulació estomàtica i l’economia de l’aigua i el carboni. En aquestes especies, observem que un comportament més anisohídric no es tradueix necessàriament amb menor sensitivitat estomàtica al Ψw i, per tant, amb major taxa d’embolisme. De la mateixa manera, una major regulació del Ψw (comportament isohídric) no s’associa amb un tancament estomàtic més ràpid en condicions de sequera ni tampoc amb majors limitacions de carboni. Ambdós estudis desafien les idees previes i adverteixen de la confusió que pot generar l’associació directa de la iso/anisohidria amb un comportament estomàtic contrastat i els mecanismes de mortalitat. A nivell d’individu en Pinus sylvestris (3), mantenir activa l’adquisició de carboni i els estocs de carboni per sobre d’un nivell crític fou clau per perllongar la supervivència front a una sequera extrema, fins i tot a costa de majors pèrdues d’aigua. Una completa integració de l’economia del carboni i l’aigua és el repte per poder avançar en el coneixement de les respostes de les plantes a la sequera i els mecanismes de mortalitat.

Plants are exposed to several environmental stressors including drought and extreme temperatures that can limit their growth and survival. Water availability is considered the main limiting factor for plant productivity. Plants display a plethora of strategies to cope with drought and maintain an adequate water balance, including modifications of the leaf area, stomatal control, changes in biomass allocation, modifications of source/sink carbon balance, and resistance to xylem embolism. Despite this, drought-induced forest mortality is a widespread phenomenon with potentially large ecosystem-level implications and is expected to increase due to increasing drought events as a result of ongoing climate change. Understanding how the complex network of traits involved in drought resistance determine species’ or individuals’ to survive drought is critical to assess the vulnerability of current vegetation to changes in climate and the potential impacts on ecosystem functioning and services. In 2008, McDowell et al. summarized drought-induced mortality mechanisms in a coherent and simple hydraulic framework. They hypothesized two main, non-exclusive physiological mechanisms leading to plant death under drought: hydraulic failure and carbon starvation. Hydraulic failure is the point at which whole-plant water transport becomes blocked due to excessive cavitation resulting from critical tensions in the xylem. Carbon starvation is the situation in which carbon supply from photosynthesis, carbon stocks or autophagy fails to meet the minimum metabolic needs. According to this framework, the preponderance of one or the other mechanism depends on the drought intensity and duration and plants' ability to regulate their water potential (Ψw). Isohydric species might be more vulnerable to carbon starvation due to earlier stomatal closure to maintain relatively constant Ψw (and avoid embolism), while anisohydric species would be more susceptible to hydraulic failure as soil dries as they operate with narrow hydraulic safety margins due to their lower Ψw. The previous framework is centered on stomatal behavior, regardless of the plethora of traits involved in plant drought responses. In addition, stomata respond to several factors besides Ψw, hence assuming that iso/anisohydric regulation of Ψw is able to fully explain stomatal behavior may be misleading. For these reasons, the main objectives in this thesis were to: (1) determine if differences in stomatal regulation between species relate to iso/anisohydric behaviors and how these are associated to different mortality mechanisms under drought, warming or both; (2) test the assumptions that relate anisohydric behaviors with higher stomatal conductances and longer periods of carbon uptake under drought, and isohydric behaviors with stronger stomatal control and wider hydraulic safety margins; and (3) understand how morphological and physiological traits and their plasticity in response to drought explain, and to what extent, time until death within species. To address targets (1) and (2) we studied two reference models with contrasted drought-vulnerability between species: piñon-juniper and holm oak systems. In both cases, we compared drought responses between isohydric (Pinus edulis and Quercus ilex) and anisohydric species (Juniperus mosperma and Phillyrea latifolia), emphasizing stomatal regulation and carbon and water economies. In these species, we provided evidence that more anisohydric behavior is not necessarily related with looser stomatal responses to Ψw and, thus, with higher levels of xylem embolism. Likewise, stronger regulation of Ψw (isohydric behavior) was neither associated with earlier stomatal closure under drought nor with higher carbon constrains. Both studies challenge widespread notions and warn against linking iso/anisohydry with contrasted stomatal behaviors and mortality mechanisms. At the tree level (3), sustaining carbon uptake and carbon stocks above some critical level was the key factor prolonging survival under extreme drought, even at expenses of higher water losses. Fully integrating carbon and water economies is the key challenge to advance our understanding of drought responses and mortality mechanisms in plants.