Adaptive syndromes of Mediterranean pines in response to drought and fire: common gardens meet high-throughput phenotyping techniques

Abstract

La diferenciació genètica i la plasticitat fenotípica són importants mecanismes de resposta dels arbres en front a les condicions ambientals. En aquesta tesi he analitzat la diferenciació intraespecífica de trets funcionals de dues espècies de pi àmpliament distribuïdes a la conca Mediterrània: Pinus halepensis Mill. i Pinus nigra Arnold. A tal efecte, he combinat tècniques de fenotipat d'alt rendiment (HTPTs) amb mesures in situ per estimar diferències intra-específiques en trets potencialment relacionats amb diferents síndromes adaptatives derivades d’ambients variables, i especialment relacionades amb la sequera i el foc. En particular, es va utilitzar el georradar (GPR) per detectar variabilitat intra-específica en la morfologia de les arrels gruixudes en P. halepensis; es van utilitzar vehicles aeris no tripulats (UAVs) equipats amb sensors LiDAR i càmeres RGB i multiespectrals per inferir diferències intra-específiques en l'estructura i arquitectura de la capçada en P. halepensis i P. nigra, així com la fenologia de les acícules en P. halepensis; i es va aplicar la dendrocronologia conjuntament amb mètodes de gens candidats per revelar els efectes genètics i ambientals que determinen la variació intra-anual en el creixement secundari en P. halepensis. Les dades es van recollir a quatre assajos genètics forestals ubicats a Espanya (tres de P. halepensis i un de P. nigra). Aquest tipus d’assaigs permeten investigar la magnitud de la variació genètica, l’adaptació local i la plasticitat fenotípica. Les resultats d'aquesta tesi van revelar una important diferenciació intra-específica de trets funcionals relacionats amb la morfologia de l'arrel, l'estructura i el volum de la copa, la fenologia de les acícules i el creixement secundari de P. halepensis, i relacionats amb el creixement aeri (alçada de l'arbre, estructura i volum de la copa) en P. nigra. Això indica l’existència de diferents síndromes adaptatius i la presència de compensacions entre les diferents funcions i morfologia dels arbres. Per concloure, mitjançant l’aplicació d’eines de fenotipat avançades aquesta tesi proporciona nous coneixements sobre la diferenciació intraespecífica en trets funcionals poc estudiats en arbres forestals adults. La combinació de HTPTs, mesures in situ i gens candidats amb assaigs genètics forestals va resultar eficaç per avaluar la diferenciació fenotípica i genètica entre les poblacions de dues importants espècies de pins pròpies dels boscos mediterranis.

La diferenciación genética y la plasticidad fenotípica son importantes mecanismos de respuesta de los árboles frente a las condiciones ambientales. En esta tesis he analizado la diferenciación intra-específica de rasgos funcionales de dos especies de pino ampliamente distribuidas en la cuenca Mediterránea: Pinus halepensis Mill. y Pinus nigra Arnold. A tal efecto, he combinado técnicas de fenotipado de alto rendimiento (HTPTs) con mediciones in situ para estimar diferencias intra-específicas en rasgos potencialmente relacionadas con diferentes síndromes adaptativos derivados de ambientales variables especialmente relacionados con la sequía y el fuego. En particular, se utilizó el georradar (GPR) para detectar variabilidad intraespecífica en la morfología de raíces en P. halepensis; se utilizaron vehículos aéreos no tripulados (UAVs) equipados con sensores LiDAR y cámaras RGB y multi-espectrales para estimar diferencias intra-específicas en la estructura y arquitectura de la copa en P. halepensis y P. nigra, así como la fenología de las acículas en P. halepensis; y se aplicó la dendrocronología junto con aproximaciones de genes candidatos para revelar efectos genéticos y ambientales determinantes de variación intra-anual en crecimiento secundario en P. halepensis. Los datos se obtuvieron de cuatro ensayos genéticos forestales ubicados en España (tres de P. halepensis y uno de P. nigra). Este tipo de ensayos permite investigar la magnitud de la variación genética, la adaptación local y la plasticidad fenotípica. Los hallazgos de esta tesis revelaron la existencia de diferenciación intra-específica de rasgos funcionales relacionados con la morfología de la raíz, la estructura y el volumen de la copa, la fenología de las acículas y el crecimiento secundario de P. halepensis, y relacionados con el crecimiento aéreo (altura del árbol, estructura y volumen de la copa) en P. nigra. Todo ello indica la existencia de diferentes síndromes adaptativos y la presencia de compensaciones entre las diferentes funciones y morfología de los árboles. Para concluir, mediante el uso de herramientas de fenotipado avanzadas esta tesis proporciona información novedosa en relación a la diferenciación intra-específica en rasgos funcionales poco estudiados en árboles forestales adultos. La combinación de HTPTs, mediciones in situ y genes candidatos en ensayos genéticos forestales resultó sumamente eficaz para evaluar la diferenciación fenotípica y genética entre las poblaciones de dos importantes especies de pinos mediterráneos.

Genetic differentiation and phenotypic plasticity are important mechanisms of trees to cope with environmental changes. In this thesis I focused on intraspecific differentiation of functional traits of two pine species widely distributed in the Mediterranean basin: Pinus halepensis Mill. and Pinus nigra Arnold. I combined high-throughput phenotyping techniques (HTPTs) with in situ measurements to characterize intraspecific differences in functional traits potentially explanatory of different adaptive syndromes to external factors, especially those related to drought and fire. In particular, (i) the Ground Penetrating Radar (GPR) was used to detect intraspecific variability of coarse root morphology in P. halepensis; (ii) Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) coupled with LiDAR sensors or RGB and multispectral cameras were used to infer intraspecific differences in crown structure and architecture in P. halepensis and P. nigra, and also in needle phenology in P. halepensis; and (iii) dendrochronology combined with a candidate-gene approach was applied to disentangle genetic and environmental effects determining intra-annual variation in secondary growth. Data was collected from four common garden experiments or forest provenance trials located in Spain (three of P. halepensis, one of P. nigra). These trials allowed to investigate the magnitude of genetic variation, local adaptation and phenotypic plasticity in the aforementioned characteristics, and made possible to indirectly attribute the existing phenotypic variability among populations to genetic differentiation. The findings of this thesis revealed the existence of intraspecific differentiation of functional traits related to root morphology, crown structure and volume, needle phenology and secondary growth in P. halepensis, and to aerial growth (tree height, crown structure and volume) in P. nigra. The results pointed to the existence of different adaptive syndromes and the presence of trade-offs involving miscellaneous plant compartments and functions. To conclude, by using novel phenotyping tools this thesis provides new insights about the nature of intraspecific differentiation in functional traits poorly studied to date at the intraspecific level in forest adult trees. Therefore, the combination of HTPTs, in situ measurements and candidate-gene approaches in common garden experiments was effective to understand phenotypic and genetic differentiation among populations of two important pine species of the Mediterranean forests.