Event and Knowledge Modeling

Este apartado de discusión general se ha articulado en torno a tres bloques conceptuales. En primer lugar, se aborda la gm como una variable más que afecta a la fijación de carbono y se relaciona con

otras variables que afectan también a la An y ante las situaciones ambientales reflejadas en los

resultados y que son susceptibles de un proceso de mejora para conseguir vegetales potencialmente más atractivos para satisfacer la necesidad de alimentos y fibras que demanda nuestra sociedad en continuo crecimiento. En segundo lugar, el valor ecológico atendiendo a la variación interespecífica y el papel que tiene cada especie dentro del ecosistema o la comunidad. Finalmente se analiza la importancia de la gm en un contexto de cambio climático.

Actualmente existe consenso entre la comunidad científica en que la conductancia del mesófilo no es infinita, y por tanto reduce el flujo de CO2 que llega al estroma cloroplástico. Las implicaciones

que tiene considerar la gm una cantidad finita pueden ir mucho más allá de comprender la respuesta

de la An ante cambios ambientales. Un análisis detallado del intercambio gaseoso de la hoja,

incluyendo la gm, permite establecer los distintos elementos de juicio sobre el balance de carbono

foliar, donde la capacidad de carboxilación es importante (Vcmax, Jmax), pero también el cálculo de la

cantidad de CO2 emitido durante la fotorrespiración, la respiración mitocondrial en luz y su

reasimilación (Tholen y otros 2012; Busch y otros 2013; Evans & von Caemmerer 2013). Estos cálculos han de hacerse en base a Cc estimada in vivo, ya que resulta variable según las distintas

especies y circunstancias ambientales cambiantes donde es habitual que concurran más de un factor de estrés. Otros aspectos importantes asociados al estudio de la gm derivan en cuestiones más

alejadas de la fisiología foliar, abarcando, por ejemplo, la estimación de climas pasados, ya que existe discriminación isotópica del carbono 13C que queda recogido en las muestras vegetales fosilizadas (Fletcher y otros 2008) o en los anillos de árboles vivos (Saurer, Aellen & Siegwolf 1997; Roden & Farquhar 2012), hasta elementos relativos a su posible uso futuro en planes de mejora genética. Por ejemplo, en el experimento 7 realizamos un análisis del fraccionamiento isotópico del intercambio gaseoso de la planta con la atmósfera en función del grado de iWUE alcanzado durante la fase de estrés hídrico. En la figura 75 se observa que después de la discriminación estomática el mesófilo fue el factor que más contribuyó a la discriminación del intercambio gaseoso en las dos especies de eucalipto analizadas.

Figura 75. Discriminación isotópica observada(Δo) en función de la eficiencia intrínseca en el uso del

agua (iWUE) en plantas de E. dumosa (izquierda) y E. pauciflora (derecha) sometidas a tres niveles de riego contrastado. Δi es la discriminación predicha si se asume que Ci = Cc (en ausencia de

fraccionamiento por la fotorrespiración y respiración mitocondrial en luz). La diferencia entre Δo y la

suma de las discriminaciones estimadas para la conductancia del (Δgm), fotorrespiración (Δf) y

respiración mitocondrial en luz (Δe), representa la discriminación estimada por la conductancia

estomática (Δo - Δf - Δe - Δgm).

En términos generales hemos observado correlación entre la gm y el resto de variables del

intercambio gaseoso, aunque es en las pequeñas variaciones donde reside la ventaja adaptativa que posiblemente haya favorecido la evolución de la gm a medida que los vegetales ocuparon nuevos nichos cada vez más expuestos al aumento de irradiancia y estrés hídrico, como se menciona en la introducción. Los mayores grados de correlación se han hallado con la fotosíntesis neta (An) y la tasa

de transporte electrónico entre fotosistemas (Ja), debido principalmente a que participan

directamente en las ecuaciones de cálculo, pero también encuentran apoyo en la teoría del control fotosintético (Foyer y otros 1990; Foyer y otros 2012), según la cual las reacciones en la ‘fase oscura’ de la fotosíntesis determinan el flujo de electrones en los tilacoides mediante regulación tipo feedback de los productos finales (ATP y NADPH+H+). En el apartado 4.1 se observó que la mayor gm

en E. dumosa propició una mayor Ja durante la fase de estrés hídrico y que a su vez la rápida

recuperación de la gm tras la rehidratación en E. dumosa estaría ligada a un menor estado oxidativo

previo. También en este experimento 7 comprobamos que el ratio gm/gsc durante el estrés hídrico se

correlacionó con una mayor iWUE en condiciones de estrés hídrico, lo cual constituye la primera evidencia experimental en especies naturales de una variable que ya se había observado previamente en especies y variedades cultivadas. En consecuencia, una mayor gm maximiza la fijación de carbono mientras que se minimiza el uso de recursos: ya sea el agua consumida o nutrientes aportados (Bown y otros 2009; Centritto y otros 2009; Barbour y otros 2010; Galmés y otros 2011a; Flexas y otros 2013a; Rasheed y otros 2013).

Eucalyptus dumosa

iWUE (µmol CO₂ mol H₂O-1)

40 80 120 160  (‰ ) 0 10 20 30 _i _e _f Eucalyptus pauciflora

iWUE (µmol CO₂ mol H₂O-1)

40 80 120 160 _g m _o _o-_g m-f-e

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Trabajos recientes sugieren que el propio diseño foliar condiciona la gm y el consumo de agua que

hace la planta por transpiración, ya que el CO2 y el H2O parece que comparten un camino común al

penetrar en las células del mesófilo (Ferrio y otros 2012; Griffiths y otros 2013). De hecho se han identificado distintas aquaporinas en la membrana citoplasmática y del cloroplasto que transportan tanto agua como CO2 (Flexas y otros 2006b; Uehlein y otros 2008; Otto y otros 2010; Kaldenhoff

2012; Sade y otros 2014). Cano y otros (2014) sugirieron que la mayor conductancia del mesófilo observada en E. dumosa durante el estrés hídrico frente a E. pauciflora permitiría a la primera mantener un estado oxidativo inferior que la segunda, a través de un mecanismo de retroalimentación ya que la producción de ROS inhibe la actividad de las aquaporinas (Heinen y otros 2009). Por otro lado, se ha comprobado que el ABA inactiva las aquaporinas de la subfamilia PIP2 y reduce la Kleaf (Shatil-Cohen, Attia & Moshelion 2011; Pantin y otros 2013) y, aunque se han descrito

menos casos, existen evidencias de la conducción de CO2 a través de aquaporinas del tipo de PIP2

(Hanba y otros 2004; Mori y otros 2014; Perez-Martin y otros 2014). Evidencia directa de la disminución de la gm al aumentar la concentración de ABA foliar la ha dado (Mizokami y otros

2014)(consultar para la discusión de los mecanismos subyacentes incluida la regulación negativa de las aquaporinas por la acción de anhidrasas carbónicas y una revisión actualizada de los experimentos con ABA y gm). Sin duda la interacción entre ABA, ψleaf, gsw, Kleaf y gm debe ser mejor

estudiada para poder interpretar los resultados del experimento 2, donde se observó una relación muy estrecha entre la Kleaf aparente y el Cc en hojas desarrolladas al sol y a la sombra, o el súbito

descenso de la gm tras la transferencia en brinzales de haya (experimento 5) y el mayor descenso de la gm observado en hojas desarrolladas a la sombra tanto en brinzales como en individuos adultos (Experimento 1, 2 y 6). No obstante, las incertidumbres que se plantean tanto por el método de la J- variable y la curvatura al medir flujos muy pequeños (Gu & Sun 2013), como en el isotópico por falta de seguridad en el coeficiente de fraccionamiento de la fotorrespiración (Lanigan y otros 2008; Tholen y otros 2014) y la proporción de carboxilación que se produce por la fosfo-enol piruvato carboxilasa (PEPc) (Douthe y otros 2012) condicionan la validez de muchos estudios realizados en condiciones de estrés hídrico. Una alternativa siempre muy recomendable es estimar la gm por más

de un método, y a ser posible por métodos que compartan pocas variables en común, y testar si se obtiene un resultado común o no. Por otro lado, la correlación que se observa entre la gm estimada a partir del método anatómica y por los métodos anteriormente mencionados sugiere que la magnitud de error que se puede cometer no es muy elevado (Peguero-Pina y otros 2012; Tosens y otros 2012a; Tomás y otros 2013).

En general, la reducción de la fotosíntesis a causa del estrés hídrico fue debida a una reducción de CO2 en los lugares de carboxilación y en menor medida al desacoplamiento del metabolismo celular

(Chaves, Flexas & Pinheiro 2009; Lawlor & Tezara 2009). Actualmente se sabe que ambas conductancias, estomática y del mesófilo, se reducen por estrés hídrico (Roupsard, Gross & Dreyer 1996; Flexas & Medrano 2002; Flexas y otros 2009a; Niinemets y otros 2009a), sin embargo la

contribución relativa de cada resistencia puede variar de unas especies a otras y en función de la intensidad y rapidez de estrés hídrico o del momento fenológico de la planta (experimentos 1, 2, 3 y 7 y 8) (Flexas y otros 2006a; Galmés y otros 2007; Galle y otros 2009; Galle y otros 2011). La capacidad bioquímica para fijar CO2 es menos sensible al déficit hídrico y solo ante condiciones de

estrés hídrico severo o impuesto muy rápidamente la actividad enzimática se ve reducida (Galmés y otros 2011b; Flexas y otros 2012a). No obstante, existe un déficit importante de conocimiento de la respuesta de los vegetales leñosos a periodos prolongados de estrés hídrico y en particular cuando se estudia la interacción de la luz dentro de la copa con el estrés hídrico. A este respecto, cabe preguntarse la validez de haber medida la gm a luz saturante, cuando las hojas desarrolladas en

sombra se caracterizan por una baja irradiancia que no satura los fotosistemas, excepto cuando se producen haces de luz directa o sunflecks. La fotosíntesis en las hojas que están expuestas a la luz directa del sol se encuentra generalmente limitada por la concentración de CO2 en el lugar de

fijación (Cc), mientras que en ambientes nemorales la falta de luz limita los productos de la cadena

de transporte electrónico necesarios para regenerar la RubP, excepto en los momentos en que los sunflecks iluminan la hoja, llegando a saturar los fotosistemas y la fotosíntesis. La importancia de los sunflecks es grande, ya que proporcionan alrededor del 90% de la cantidad diaria total de fotones absorbidos por una planta crecida en el sotobosque, y el 60% de la fotosíntesis (Küppers y otros 1996). En general las plantas crecidas a la sombra son capaces de responder rápidamente a la luz incidente y de activar sus complejos enzimáticos a las nuevas condiciones de irradiancia en cuestión de minutos (Pearcy, Gross & He 1997). Por tanto, nuestras mediciones realizadas a luz saturante tienen justificación incluso en hojas adaptadas a crecer en la sombra. De igual forma, las estimas que se realizaron de la gm representarían la situación en que las hojas creciendo a la sombra fijan la

mayor cantidad de CO2, esto es, a luz saturante.

La importancia de la gm para entender la ecología de las especies radica principalmente en el alto

grado de correlación que existe principalmente con la An en la gran mayoría de los estudios

realizados; lo cual amplifica la importancia de la gm en el balance de carbono no sólo foliar sino a

nivel de individuo o incluso de ecosistema terrestre, dado que la entrada de carbono y energía química se produce mayoritariamente a partir de la función fotosintética. El hecho de que las especies de climas más xéricos mantengan una mayor gm cuando el agua es limitante para el

crecimiento favorece la síntesis de carbohidratos que pueden contribuir al ajuste osmótico y de esta forma quizá mantener igual turgencia a potenciales hídricos menores y poder realizar más intercambio gaseoso o fomentar una turgencia suficiente para mantener el crecimiento radicular hacia aquellas zonas del suelo más húmedas, o bien aumentar las reservas que, cuando el déficit de agua suponga el cierre total de los estomas, contribuirán a la supervivencia del vegetal al disminuir el riesgo de déficit de carbono. También estarían ligados a mantener un menor estrés oxidativo. Estos resultados son generalizables al conjunto de las especies estudiadas. Por ejemplo, la especie más tolerante al déficit hídrico en el Hayedo de Montejo, el roble melojo, tuvo mayor gm que el resto de

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la menor en la fase de regenerado, lo cual la hace poco competitiva con el roble albar y el haya que forman copas más densas impidiendo la entrada de luz al suelo. Otro ejemplo lo constituye el cerezo, que presenta una tolerancia foliar a la deshidratación mayor que el haya, pero que sin embargo presenta mayor riesgo de cavitación en el tallo y raíces más someras. Estos caracteres se corresponden con su ecología de orla del bosque, es decir, sin llegar a formar masas puras, es capaz de regenerarse tanto al sol como a la sombra y ser competitivo, a menos que el cierre de copas de las hayas impida su regeneración en favor del haya, capaz de mantenerse más tiempo en el sotobosque umbrío. En consecuencia, para comprender la ecología de una especie es necesario observar todo su ciclo reproductivo, estudiar a los vegetales como un conjunto integrado donde la parte aérea importa tanto como la subterránea y hacerse la pregunta: ¿qué rasgos funcionales y variables ambientales son más importantes para explicar el nicho de una especie dada? Responder a esta pregunta supone poder establecer una teoría mecanicista y predictiva que complemente a las estimaciones demográficas y al estudio de las interacciones bióticas en que se basan gran número de estudios sobre coexistencia de especies y modelos de distribución (McGill y otros 2006). Por tanto, desde aquí se hace una llamada de atención para que en los estudios de la ecología de comunidades se vuelva al estudio de los rasgos funcionales, particularmente por dos razones prácticas: En primer lugar, la teledetección, la mayor información geográfica y la acumulación de mega-bases de datos con información mundial están proporcionando las herramientas necesarias para reinventar la ecología y la relación entre especies. En segundo lugar, porque la amenaza del calentamiento global exige la capacidad de predecir los efectos de un entorno cambiante en la biosfera.

En un contexto de cambio climático, acelerado por la emisión antrópica de gases con efecto invernadero (GcEI) a la atmósfera, el conocimiento de los mecanismos que regulan el intercambio gaseoso se vuelve crucial para predecir los límites y la capacidad de adaptación de las especies forestales a escenarios futuros. Los ecosistemas forestales son sumideros de carbono y gestores del recurso hídrico, aumentando las precipitaciones por su elevada transpiración. El aumento en la concentración de GcEI en la atmósfera (p.e. en 2013 se han alcanzado las 400 ppm de CO2)

conllevará muy probablemente el aumento de temperaturas a nivel global. Lo cual supondrá mayor capacidad de retención de vapor de agua por la atmósfera y muy posiblemente aumento de la demanda evaporativa de la atmósfera. Por otro lado, los modelos actuales predicen una mayor variabilidad en el reparto de las precipitaciones, existiendo muy posiblemente una disminución de las mismas en latitudes subtropicales, mientras es esperable un aumento en las latitudes más septentrionales y entre los trópicos (Christensen y otros 2007). La situación es particularmente grave para el área mediterránea, donde estudios sobre patrones de los pasados 50 años señalan tendencias negativas de las precipitaciones, incluidas las regiones con clima mediterráneo de la Península Ibérica (Trigo y otros 2004; De Luis y otros 2009; García-Ruiz y otros 2011). Por otro lado, se empiezan a observar episodios de decaimiento, a veces asociados a muerte de las masas forestales tras intensos periodos secos, como ocurrió durante la sequía del 2003 en Europa, y cuyos

efectos posteriores fueron observables no sólo en regiones del área mediterránea, sino también en regiones de centro Europa donde la vegetación se encuentra menos adaptada a sequías estivales (Ciais y otros 2005; Leuzinger y otros 2005). Debido a la fuerte influencia entre la atmósfera y la vegetación, aquéllas variables que afecten al ciclo del CO2 y del vapor de agua a nivel de la hoja, ej.

gm, también afectarán al ciclo del CO2 y el H2O a nivel atmosférico. Sin embargo, son pocos los

modelos que incorporen de forma explícita la gm (Keenan y otros 2010; Egea y otros 2011; Sun y

otros 2014b), a pesar de su importancia en la interpretación de los datos isotópicos que son frecuentemente usados para derivar flujos de CO2 entre la atmósfera y la vegetación. Si la gm está

muy poco implementada en los modelos basados en procesos, su variación dentro de la copa, estacional y la mayor reducción de la gm en condiciones de déficit hídrico en las hojas más

sombreadas es prácticamente nula (Joetzjer y otros 2014). Lo cual nos indica que se está reproduciendo un error en la estimación de la productividad primaria neta en aquellas regiones más susceptibles de tener déficit hídrico, debido a la obtención de datos mediante satélite que se integran a nivel de dosel sin considerar la gm. Otros temas importantes a estudiar son la variación de

la gm en función de la temperatura (Bernacchi y otros 2002; Warren & Dreyer 2006; Flexas & Diaz-

Espejo 2014; von Caemmerer & Evans 2014) y en respuesta al aumento de CO2 (Eichelmann y otros

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