Regulación fotoperiódica de la senescencia foliar post-floración en soja y en otras especies de importancia agronómica

Abstract

Los efectos del fotoperíodo en muchas especies de plantas han sido ampliamente estudiados principalmente en la inducción de la floración. En cambio, los efectos del fotoperíodo en etapas posteriores a la antesis en general, y en particular relacionado con la senescencia foliar han sido menos estudiados. A partir de ello es que el objetivo general de esta tesis fue determinar si los fotoperíodos no inductivos posteriores a antesis en especies de “día corto” y “día largo” para floración participan en la regulación de la senescencia foliar y procesos asociados a la misma, y dilucidar posibles mecanismos subyacentes a esta respuesta. La idea de la realización de este estudio en diversas especies y con diferente tipo de requerimiento fotoperiódico fue analizar el grado de generalidad/universalidad de las respuestas observadas. Por otra parte, se tomó como caso paradigmático a la especie soja para profundizar algunos aspectos del mecanismo subyacente (v.g., cambios en los niveles hormonales foliares, experimentos de desfrutado para discriminar manipulativamente efectos del fotoperíodo de los del desarrollo reproductivo). Para ello se trabajó con especies de “día corto” para la floración: “soja” (Glycine max. L. Merr.), “quínoa” (Chenopodium quinoa Willd.) y “amaranto” (Amaranthus cruentus L.), y con especies de “día largo”: “trigo panadero” (Triticum aestivum L.), “cebada” (Hordeum vulgare L.), “avena” (Avena sativa L.) y “centeno” (Secale cereale L.). Las plantas una vez alcanzada la antesis fueron expuestas a fotoperíodos no inductivos según el caso, i.e., tratamientos fotoperiódicos de día largo (LD) y día corto (SD) para especies de “día corto” y “día largo” respectivamente. Adicionalmente, en soja el tratamiento fotoperiódico se combinó con tratamientos de desfrutado, que consistieron en la remoción de las vainas a medida que se generaban. Durante la post-antesis en todas las especies se registró el desarrollo fenológico, la progresión de la senescencia foliar (a partir de degradación de clorofilas foliares, la asimilación de dióxido de carbono y la abscisión foliar), y las tasas de crecimiento y producción de biomasa durante este período. Por otra parte, en soja, también se registró el contenido y origen (edáfico o fijación biológica) del nitrógeno acumulado en la biomasa durante la post-antesis, y la concentración foliar de hormonas vegetales. En todas las especies en estudio los principales resultados registrados fueron que en fotoperíodos no inductivos posteriores a antesis se retardó el desarrollo reproductivo, lo que consecuentemente prolongó la duración del período post-antesis. Asociado a la mayor duración de la post-antesis se demoró la degradación de las clorofilas foliares junto a una mayor persistencia de la asimilación de dióxido de carbono. En las especies de “día corto” donde ocurre la abscisión foliar (en las especies de este estudio), se observó una retención de las hojas en fotoperíodos no inductivos. Todos los anteriores síntomas de la senescencia foliar determinaron que la misma estuvo demorada en fotoperíodos no inductivos, y además que la demora de la senescencia fue del tipo funcional (i.e., menor degradación de las clorofilas asociada a un sostenimiento de la asimilación de dióxido de carbono). Si bien muchos síntomas de la senescencia se asociaron a la demora del desarrollo reproductivo, en la mayoría de las especies en estudio algunos de los síntomas no se asociaron exclusivamente a una mera demora del desarrollo reproductivo; consistentemente, en soja en tratamiento de desfrutado (i.e., se disectó manipulativamente el efecto del desarrollo de vainas) también se registró que bajo LD se aplazó la senescencia de las hojas. En plantas de soja expuestas a LD, asociado a la demora funcional de la senescencia se incrementó la concentración de Zeatinas (Z), Isopentenil Adenina (IP) y Giberelina (GA1), mientras que disminuyó la concentración de ácido abscísico (ABA), ácido jasmónico (JA) y ácido indol acético (IAA). Las modificaciones entre tratamientos en la concentración de IP y IAA se mantuvieron exclusivamente asociadas a la demora del desarrollo reproductivo (de vainas y semillas), mientras que el cambio de Z, GA1, ABA y JA persistieron cuando la comparación fue realizada considerando los mismos estadios de desarrollo. En general, en todas las especies se observó que junto a la mayor duración del período post-antesis (con una mayor radiación fotosintéticamente activa acumulada en esta etapa) y la demora funcional de la senescencia foliar en fotoperíodos no inductivos, se incrementó la producción de la biomasa total y de la biomasa vegetativa. Además, en todas las especies de “día corto” y en las de “día largo” trigo y avena aumentó el número de granos y el peso de granos por planta bajo fotoperíodos no inductivos. En soja en los tratamientos de desfrutado, la exposición a LD aumentó la generación de biomasa vegetativa. Por otra parte, los LD post-antesis en soja condujeron a un incremento de la acumulación de nitrógeno (sin cambios en la concentración en los tejidos) tanto por una mayor absorción de nitrógeno edáfico como de la fijación biológica de nitrógeno. Por último, en la mayoría de las especies se registró un cambio en las tasas de crecimiento diarias, por lo que el incremento de la biomasa total no se pudo asociar únicamente a un mayor período de crecimiento producto de la demora del desarrollo reproductivo bajo fotoperíodos no inductivos. La conclusión general que surgió de esta tesis fue que el fotoperíodo produce una demora en la senescencia foliar y un incremento en la generación de biomasa mediante dos mecanismos subyacentes; en uno de esos mecanismos, el fotoperíodo actuó mediado por la demora del desarrollo reproductivo, i.e., en este caso el fotoperíodo tendría un efecto indirecto sobre la senescencia foliar y producción de biomasa. Por otro lado, alguno de los efectos del fotoperíodo no estuvieron mediados por una mera demora en el desarrollo productivo, lo que sugiere un efecto directo del fotoperíodo sobre la senescencia foliar y producción de biomasa. Las hormonas vegetales estarían implicadas en ambos efectos del fotoperíodo sobre la senescencia foliar. Los fenómenos observados parecen estar conservados entre diferentes especies, pertenecientes a taxones (familias) diversas, y con requerimientos fotoperiódicos contrastantes para la floración.

The effects of photoperiod have been extensively studied in many plant species, mainly regarding the induction of flowering. Instead, the effects of photoperiod in stages after anthesis in general and in particular related to leaf senescence, have been less studied. Thus, the general objective of this thesis was to determine if non-inductive photoperiods after anthesis in "short day" and "long day" species for flowering participate in the regulation of leaf senescence and processes associated with it, and to elucidate possible mechanisms underlying this response. The idea to carry out this study in various species with different types of photoperiodic requirements was to analyse the degree of generality/universality of the responses previously observed in soybeans. On the other hand, soybean was chosen as a paradigmatic case to investigate some aspects of the underlying mechanisms (v.g., changes in leaf hormone levels, fruit removal experiments to manipulatively discriminate photoperiod effects mediated by changes in reproductive development from direct effects not linked to alterations in fruit growth). In this thesis, I worked with “short day” species for flowering: “soybean” (Glycine max. L. Merr.), “quinoa” (Chenopodium quinoa Willd.) and “amaranth” (Amaranthus cruentus L.), and with “long day” species: “bread wheat” (Triticum aestivum L.), “barley” (Hordeum vulgare L.), “oats” (Avena sativa L.) and “rye” (Secale cereale L.). Once the plants reached anthesis, they were exposed to non-inductive photoperiods as appropriate, i.e., long day (LD) and short day (SD) photoperiod treatments for “short day” and “long day” species respectively. Additionally, in soybean the photoperiod treatment was combined with fruit removal treatments, which consisted in the removal of the pods as they were generated. During post-anthesis in all species, the phenological development, the progression of leaf senescence (determined by leaf chlorophyll degradation, carbon dioxide assimilation and leaf abscission), and growth rates and production of biomass were recorded. On the other hand, in soybean, the content and origin (soil uptake and biological fixation) of nitrogen accumulated in the biomass during post-anthesis, and the foliar concentration of plant hormones were also recorded. In all the species under study, the main results obtained were that in non-inductive photoperiods after anthesis, reproductive development was delayed, which consequently prolonged the duration of the post-anthesis period. Associated with the longer duration of post-anthesis, the degradation of leaf chlorophylls was delayed together with a greater persistence of carbon dioxide assimilation. In the “short day” species where leaf abscission occurs (in the species in this study), a retention of the leaves was observed in non-inductive photoperiods. All the previous symptoms of leaf senescence determined that it was delayed in non-inductive photoperiods, and also that the delay in senescence was of the functional type (i.e., less degradation of chlorophylls associated with sustained carbon dioxide assimilation). Although many symptoms of senescence were associated with delayed reproductive development, in most species studied some of the symptoms were not exclusively associated with delayed reproductive development; consistently, in soybean under fruit removal treatment (i.e., the effect of pod development was manipulatively dissected) it was also recorded that under LD the senescence of the leaves was postponed, i.e., a direct effect of photoperiod not related to the delay of reproductive growth was detected. In soybean plants exposed to LD, associated with the functional delay in senescence, the concentration of Zeatins (Z), Isopentenyl Adenine (IP) and Gibberellin (GA1) increased, while the concentration of abscisic acid (ABA) jasmonic acid (JA) and indole acetic acid (IAA) decreased. The modifications between treatments in the concentration of IP and IAA remained exclusively associated with the delay in the development of pods and seeds, while the changes in Z, GA1, ABA and JA persisted even when the comparisons were made at the same development stages. In general, in all species it was observed that together with the longer duration of the post-anthesis period (with a greater accumulated photosynthetically active radiation in this stage) and the functional delay of leaf senescence in non-inductive photoperiods, the production of total biomass and of vegetative biomass increased. Furthermore, in all “short day” and in the “long day” species wheat and oats seed/grain number and the weight of grains per plant under non-inductive photoperiods increased. In soybean in the fruit removal treatments, exposure to LD increased the generation of vegetative biomass. On the other hand, in soybean, post-anthesis LD led to an increase in nitrogen accumulation (without changes in tissue concentration) both due to greater soil nitrogen uptake and biological nitrogen fixation. Finally, in most of the species there was a change in daily growth rates, so the increase in total biomass could not be associated solely with a longer growth period due to the delay in reproductive development under non- Inductive photoperiods. The general conclusion that emerged from this thesis is that non-inductive photoperiods produce a delay in leaf senescence and an increase in biomass production through two independent mechanisms; in one such mechanism, day length mediated the delay in reproductive development, i.e., in this case photoperiod would have an indirect effect on senescence leaf and production of biomass. On the other hand, some of the effects of photoperiod were not mediated by a mere delay in productive development, suggesting a direct effect of photoperiod on leaf senescence and biomass production. Plant hormones would be involved in both photoperiod effects on leaf senescence. The observed phenomena seem to be conserved between different species belonging to diverse taxa (families), and with contrasting photoperiodic requirements for flower induction.