Significado funcional de la madera en el género <i>Eucalyptus</i>: relaciones entre microestructura y mecanismos de resistencia a estrés por sequía y heladas

Abstract

La capacidad de transporte de agua dentro de los árboles, a través del xilema, se relaciona funcionalmente con su capacidad de fijación de carbono y, por lo tanto, con su crecimiento y supervivencia. Este proceso se ve afectado, de manera más o menos reversible, por el fenómeno de cavitación, consistente en la ruptura de la columna de agua, debida fundamentalmente a dos procesos: el aumento de la tensión en el xilema durante procesos de sequía y los ciclos de congelamiento y descongelamiento del agua durante las heladas. La estructura anatómica de la madera juega un rol clave en la estrategia hidráulica de las plantas, con implicancias directas en el proceso de cavitación y, por lo tanto, en su fisiología y ecología, por lo que su estudio permite evaluar cómo varía el transporte de agua dentro del xilema en función del estrés abiótico. El estudio de las relaciones entre estructura y función hidráulica de la madera, a nivel inter- e intraespecífico, adquiere especial relevancia frente a un escenario de cambio climático, en el cual se prevé el aumento de sequías y extremos térmicos. El objetivo general de esta tesis fue conocer el valor funcional de la microestructura de la madera de Eucalyptus spp. en relación con ciertas variables descritas por la bibliografía referente al tema como claves para explicar la resistencia a sequía y heladas en especies leñosas. Este género, de gran importancia comercial a nivel mundial, se caracteriza por poseer una compleja anatomía de la madera, poco conocida en términos funcionales. En particular, uno de los objetivos que se plantearon fue analizar y comparar la estructura anatómica de cuatro especies de Eucalyptus, caracterizadas por poseer un amplio rango de variación en densidad de madera y requerimientos de hábitat. Se hipotetizó que existe una relación en la resistencia general al estrés abiótico que puede ser explicada por las características diferenciales de su madera (estudiada a nivel de ramas y fustes), las cuales determinan, en última instancia, los requerimientos ambientales de las diferentes especies. Otro objetivo particular se centró en relacionar la estructura anatómica de la madera con parámetros funcionales como conductividad hidráulica específica máxima, capacitancia y vulnerabilidad a la cavitación por frío y por sequía. Se hipotetizó que las tasas máximas de conductividad hidráulica se relacionan positivamente con el tamaño de los elementos conductivos, mientras que la seguridad hidráulica se relaciona con las características de los elementos celulares asociados a éstos (traqueidas vasicéntricas, fibrotraqueidas y parénquima). Los resultados hallados permitieron validar parcialmente estas hipótesis ya que, por un lado, la relación directa entre la resistencia a la cavitación por sequía medida en laboratorio y el desempeño a campo indicaría que este último está influenciado principalmente por las características anatómicas de la madera. Por otro lado, la relación inversa entre resistencia a la cavitación por congelamiento/ descongelamiento y la resistencia a las heladas indicaría que estos procesos se encuentran determinados por las características de otros órganos. Si bien la influencia significativa del tamaño de los vasos en el nivel de conductividad fue confirmada en los diferentes capítulos de esta tesis (vasos más grandes y mayor amplitud en la distribución de tamaños, presentan mayor eficiencia conductiva), el rol de las células acompañantes de los vasos en la seguridad del sistema fue parcialmente verificado. Así, en el caso de la cavitación por sequía, se encontró evidencia del rol de estos elementos en la protección del sistema de conducción, por un lado, aumentando la conectividad hidráulica entre vasos solitarios y, al mismo tiempo, limitando la propagación de aire (y, por ende, de embolismos) entre elementos conductivos cercanos. Por el contrario, en la cavitación por frío, los resultados indican que este proceso está directamente relacionado con el tamaño de los elementos conductivos, sin efectos significativos por parte de las células acompañantes. Por otro lado, los vasos más grandes no solo presentaron mayor conductividad sino también menor vulnerabilidad a la cavitación por tensión, lo cual sería explicado por la relación inversa entre el tamaño de los elementos conductivos y de sus punteaduras. Las relaciones entre anatomía y función de la madera se estudiaron a nivel interespecífico, pero también a nivel intraespecífico en dos de las especies, E. viminalis y E. globulus, a través del análisis de progenies con diferencias en densidad media. Varias de las relaciones observadas a nivel interespecífico se verificaron también dentro de las especies, aunque el menor rango de variación de los caracteres de madera en este nivel de organización resultó en cambios en el nivel de significancia y signo de algunas relaciones. El tercer objetivo particular fue determinar las relaciones existentes entre los espectros de absorción de infrarrojo cercano (NIR) de la madera de Eucalyptus y su anatomía y función, de manera de contribuir al desarrollo de metodologías de selección genética en base a caracteres adaptativos de fácil cuantificación. En este sentido, fue posible establecer calibraciones entre espectros NIR y las características anatómicas, físicas e hidráulicas de la madera de Eucalyptus y generar modelos de predicción con diferente grado de ajuste. Entre estos últimos se destacan aquellos desarrollados para los parámetros de la curva de cavitación que definen el potencial al cual se pierde el 12 y el 88% de la conductividad máxima y la pendiente entre estos dos puntos, que define la velocidad del proceso de cavitación. Estos resultados son los primeros de su tipo reportados para especies de Eucalyptus, en particular, y Angiospermas, en general. Los resultados de esta tesis permiten afirmar que la particular estructura anatómica de la madera del género Eucalyptus determina la existencia de complejas relaciones entre anatomía y función, las cuales regulan, en diferente grado según el estrés considerado, la capacidad de adaptación al ambiente de las especies de este género. En este sentido, se halló evidencia acerca de una falta de compromiso entre eficiencia y seguridad hidráulica frente a la cavitación por sequía, pero se observó una compensación entre ambos procesos en el caso de la cavitación por frío. El potencial compromiso funcional en la resistencia a ambos tipos de estrés, se evitaría mediante la separación espacial de los mecanismos de control de estos procesos, ubicándose en órganos diferentes. Esto, por un lado, explicaría las diferencias observadas en la resistencia al estrés por frío a campo y en laboratorio y, por otro, permitiría mejorar la resistencia a ambos tipos de estrés de manera simultánea. En este sentido, el establecimiento de modelos predictivos de características anatómicas, físicas e hidráulicas por métodos de fenotipado de alto rendimiento permitiría mejorar el proceso de selección de genotipos resistentes dentro de los programas de mejoramiento forestal.

Water transport capacity within trees, through xylem, is functionally related to their carbon fixation capacity and, therefore, to their growth and survival. This process is affected, more or less reversibly, by the cavitation phenomenon, consisting of the water column breakage, mainly due to two processes: the increase in xylem tension during drought and the freezing/thawing cycles of water during frost. Wood anatomic structure plays a key role in the hydraulic strategy of plants, with direct implications in the cavitation process and, therefore, in their physiology and ecology, and its study allows to evaluate how water transport varies within xylem as a function of abiotic stress. The study of the relationships between wood structure and hydraulic function, at inter- and intraspecific level, becomes especially relevant in a climate change scenario, in which an increase in droughts and thermal extremes are expected. The general objective of this thesis was to understand the functional value of Eucalyptus spp. wood microstructure in relation to certain traits described by the reference literature as keys to explain the resistance to drought and frost in woody species. This genus, of great commercial importance worldwide, is characterized by having a complex wood anatomy, little known in functional terms. In particular, one of the objectives was to analyze and compare the anatomical structure of four Eucalyptus species, characterized by having a wide variation range of wood density and habitat requirements. It was hypothesized that there is a relationship in general resistance to abiotic stress that can be explained by wood differential characteristics (studied at branch and stem level), which ultimately determine the environmental requirements of the different species. Another particular objective was focused on the relationship between wood anatomical structure and functional parameters like maximum specific hydraulic conductivity, capacitance and vulnerability to cavitation due to frost and drought. It was hypothesized that maximum rates of hydraulic conductivity are positively related with the size of conductive elements, while hydraulic security is related to the characteristics of vessel related cellular elements (vasicentric tracheids, fibre tracheids and parenchyma). The results obtained in this work allows to partially validate the established hypotheses since, on the one hand, the direct relationship between drought cavitation resistance measured in laboratory and the field performance of species indicates that the latter is mainly influenced by wood characteristics. On the other hand, the inverse relationship between the resistance to freeze/thaw induced cavitation and frost tolerance indicates that these processes are determined by the attributes of different organs. Although the significative influence of vessel size on hydraulic conductivity was confirmed in the different chapters of this thesis (larger vessels and wider vessel size distribution has greater conductive efficiency), the role of vessel surrounding cells in conductive safety was partially verified. Thus, in the case of drought-induced cavitation, evidence about the role of these cells in xylem conductive safety was found, on the one hand, increasing the hydraulic connectivity between solitary vessels and, at the same time, limiting air propagation (and, therefore, embolisms) between nearby conductive elements. On the contrary, in freeze/thaw-induced cavitation, results indicate that this process is directly related to vessel size, without significant effects of the surrounding cells. Secondly, larger vessels not only showed greater conductivity but also lower vulnerability to drought-induced cavitation, which would be explained by the inverse relationship between vessel and pit sizes. The relationships between wood anatomy and function were studied at interspecific level, but also at intraspecific level in the case of two species, E. globulus and E. viminalis, analyzing progenies with differences in mean wood density. Several relationships observed between species were also verified within species, although the narrower range of variation of wood characteristics at this level of organization resulted in changes of the significance level and sign in some of them. The third particular objective was to determine the underlying relationships between near infrared absorption spectra (NIR) of Eucalyptus wood and its anatomy and function, in order to contribute to the development of genetic selection methodologies based on easy quantification characters. In this sense, it was possible to establish calibrations between NIR spectra and anatomical, physical and hydraulic properties of Eucalyptus wood, and to generate prediction models with different degrees of fit. Among the latter, those developed for the parameters of the cavitation curve that define the potential at which 12 and 88% of the maximum hydraulic conductivity is lost and the slope between these two points, which defines the speed of the cavitation process, stand out. These results are the first of their kind reported for Eucalyptus species, in particular, and Angiosperms, in general. The results of this thesis allow to affirm that the peculiar wood anatomical structure of Eucalyptus genus determines the existence of complex relationships between anatomy and function, which regulate, to a different degree according to the stress considered, this genus environmental adaptive capacity. In this sense, evidence was found about a lack of trade-off between hydraulic efficiency and safety in the case of drought-induced cavitation, but a compromise was observed between both processes in the case of frost-induced xylem cavitation. The potential trade-off in the resistance to both type of stress would be avoided through the spatial separation of the control mechanisms of these processes, being located in different organs. This, on the one hand, could explain the contrast between field and laboratory observations in the resistance to frost stress and, on the other hand, could allow to improve the resistance to both type of stress simultaneously. In this sense, the establishment of predictive models for anatomical, physical and hydraulic characteristics through high throughput phenotyping methods would allow to improve of the selection process for resistant genotypes in genetic improvement programs.