Root traits contributing to water stress tolerance in two perennial grasses in semiarid rangelands of central Argentina

Abstract

Limited water availability poses a significant challenge for plants in arid and semiarid environments, which cover two-thirds of Argentina’s territory. The objective of this study was to quantify the effects of different water regimes (natural precipitation versus irrigation) on aboveground and belowground growth and production parameters of two native perennial, cool-season, grass species: Nassella longiglumis and Amelichloa ambigua. Seedlings were obtained from seeds and grown in bags containing sieved soil (n=6). Over two growing seasons, plants with supplemental irrigation (200 mm) were compared to control plants (natural precipitation). Plants were harvested in three key phenological phases: vegetative, reproductive, and dormant. For each plant, basal area, tiller production, height, aboveground and belowground biomass, root length density, and detailed characteristics of a complete adventitious root (length, width, and number of lateral roots) were determined. Scanned images were processed using specialized software for root image analysis. The observed differences between species reflect contrasting survival strategies. Control plants of N. longiglumis exhibited longer, finer adventitious roots and a higher length density than irrigated and A. ambigua plants. This latter was less sensitive to irrigation. Belowground biomass varied with irrigation during the cycle, with no differences between species. Unlike N. longiglumis, A. ambigua showed greater vegetative development, with more basal area and tillers, resulting in greater aerial biomass. In contrast, N. longiglumis prioritized its reproductive cycle. Both species had greater aerial biomass under irrigation. In conclusion, N. longiglumis, the most competitive species, exhibited adaptations in its root system for water acquisition, maintaining its aerial growth and reproductive effort even under water restriction. These traits possibly contribute to the dominance of N. longiglumis in these rangelands.

La disponibilidad limitada de agua impone un gran desafío para las plantas en ambientes áridos y semiáridos, que cubren dos tercios del territorio argentino. El objetivo de este estudio fue cuantificar los efectos de distintos regímenes hídricos (precipitación natural versus riego) sobre parámetros de crecimiento y producción aéreos y subterráneos de dos especies de gramíneas perennes nativas, de ciclo invernal: Nassella longiglumis y Amelichloa ambigua. Se obtuvieron plántulas desde semilla que crecieron en bolsas conteniendo suelo tamizado (n=6). Durante dos temporadas de crecimiento, se compararon plantas con riego suplementario (200 mm) y plantas control (precipitación natural). Las plantas se cosecharon en tres fases fenológicas clave: vegetativa, reproductiva y dormante. En cada planta se determinaron: área basal, producción de macollas, altura, biomasa aérea y subterránea, densidad de longitud de raíces y características detalladas de una raíz adventicia completa (longitud, ancho y número de raíces laterales). Se emplearon imágenes escaneadas y procesadas mediante un software especializado en el análisis de imágenes de raíces. Las diferencias observadas entre las especies reflejan estrategias de supervivencia contrastantes. Las plantas control de N. longiglumis presentaron raíces adventicias más largas y finas y mayor densidad de longitud que las irrigadas y que plantas de A. ambigua. Esta última fue menos sensible al riego. La biomasa subterránea varió con la irrigación durante el ciclo, sin diferencias entre especies. A diferencia de N. longiglumis, A. ambigua mostró mayor desarrollo vegetativo, con más área basal y macollas, resultando en mayor biomasa aérea. En cambio N. longiglumis priorizó su ciclo reproductivo. Ambas especies tuvieron mayor biomasa aérea bajo riego. En conclusión, N. longiglumis, la especie más competitiva, exhibió adaptaciones en su sistema radical para la adquisición de agua, manteniendo su crecimiento aéreo y esfuerzo reproductivo incluso bajo restricción hídrica. Estos rasgos posiblemente contribuyan a la dominancia de N. longiglumis en estos pastizales.