Mecanismos fisiológicos que determinan la merma de crecimiento de Populus deltoides infectado por roya (Melampsora medusae)

Abstract

Las plantas establecen estrechas relaciones con algunos microorganismos. Particularmente las royas establecen una asociación considerada parasítica, obteniendo del hospedante nutrientes y compuestos carbonados. Como consecuencia de este parasitismo se observan pérdidas de rendimiento en los cultivos asociadas a un desmantelamiento del aparato fotosintético por un lado y un aumento de ciertas rutas biosintéticas de defensa por el otro. La roya de los álamos es considerada una de las enfermedades más importantes del género Populus en Argentina como también a nivel mundial. Esta enfermedad ha obligado al remplazo de materiales genéticos utilizados en diferentes áreas productoras de álamo. Sin embargo, las alteraciones producidas por esta enfermedad no han sido abordadas desde un enfoque fisiológico integrador. La magnitud de estas alteraciones no sólo depende de la especie de álamo y del microorganismo causante de la roya, sino que también de las condiciones ambientales en las que se produce dicha asociación. Bajo estas consideraciones, se planteó como objetivo general conocer los mecanismos fisiológicos que determinan la merma en el crecimiento de Populus deltoides por la infección por roya (Melampsora medusae). Para ello, se trabajó con dos clones de álamo que presentaban “a priori” una susceptibilidad diferencial a la roya (clon Onda y clon `Australiano 106/60´). Se realizaron ensayos en contenedores como también a campo. Se evaluaron las alteraciones producidas por roya en el crecimiento de las plantas (altura de la planta, diámetro del tallo y acumulación de biomasa), densidad básica de la madera, variables fisiológicas a nivel foliar (fotosíntesis neta, respiración, tasa de transporte de electrones y rendimiento cuántico del fotosistema II, contenido de clorofilas, conductancia estomática y conductividad hidráulica de la hoja) y en la dinámica de nutrientes. También se estudiaron las alteraciones producidas por la roya bajo diferentes condiciones ambientales, como lo son suelos con diferente disponibilidad de nitrógeno y estrés hídrico (sequía e inundación). En esta investigación se determinó que la roya produce una reducción en el crecimiento de las plantas de ambos clones en condiciones de campo, como también en condiciones controladas. La magnitud de la alteración depende del clon. La disminución en la densidad básica de la madera sólo se produce en el clon Onda. La reducción en el crecimiento producida por roya puede ser explicada como una consecuencia de las alteraciones producidas en la fisiología de la hoja. La roya produce una reducción en la fotosíntesis neta debido a una pérdida de integridad del aparato fotosintético (tasa de transporte de electrones y rendimiento cuántico del fotosistema II, contenido de clorofilas). Al mismo tiempo, hay un aumento de la respiración. Sin embargo, esta reducción en la fotosíntesis neta es anterior a la pérdida de integridad, posiblemente porque la infección y desarrollo del hongo reduce el intercambio gaseoso (menor conductancia estomática) y la integridad del mesófilo (menor conductividad hidráulica de la hoja). Independientemente del clon, al aumentar la severidad de la enfermedad las alteraciones fisiológicas a nivel de hoja son mayores. Las hojas que son afectadas por la roya caen anticipadamente y lo hacen con una concentración mayor de nutrientes, los cuales son retenidos por el hongo o en metabolitos que no son removilizados antes de la abscisión foliar. De esta forma, los contenidos de nutrientes y proteínas en los tejidos de reserva de la planta se reducen, principalmente como consecuencia de la reducción en el crecimiento. Sin embargo, en el clon Onda también se produce una reducción en la concentración de nutrientes. La mayor disponibilidad de nitrógeno en el suelo, si bien produjo un aumento del crecimiento y de las concentraciones de este nutriente en los tejidos de reserva de la planta, no modificó los niveles de severidad de la enfermedad. No existió interacción con la roya, por lo que la reducción en crecimiento y las alteraciones en la fisiología causadas por la roya fueron de similar magnitud bajo las diferentes disponibilidades de nitrógeno. Cuando la roya se evaluó bajo diferentes condiciones hídricas, se observó que existe interacción entre la enfermedad y la disponibilidad de agua para el crecimiento de la planta. El desarrollo de la enfermedad es mucho mayor cuando las plantas crecen con buena disponibilidad de agua, se reduce bajo sequía y es mínimo en condiciones de inundación. La misma tendencia se observa en ambos clones, sin embargo, en el clon Onda las diferencias son más evidentes. Como consecuencia, la caída anticipada de hojas y el daño en el aparato fotosintético producidos por la enfermedad son mayores en las plantas a capacidad de campo, se vuelven mínimos cuando las plantas están bajo sequía y no se observan en las plantas inundadas. Estas alteraciones en la fisiología de las hojas producen efectos similares en el crecimiento a una defoliación artificial del 50%. En este caso, la mayor reducción del crecimiento se manifiesta en las plantas que crecen a capacidad de campo, es mínima en plantas bajo sequía y nula en plantas inundadas. La conclusión final es que la roya afecta la fisiología de la hoja desde el inicio de la infección porque reduce el intercambio gaseoso. A medida que la enfermedad se desarrolla, se produce daño en el aparato fotosintético y la posterior abscisión foliar. Las hojas que caen lo hacen con mayor concentración de nutrientes y por lo tanto se reduce la acumulación de los mismos en los tejidos de reserva de la planta. Como consecuencia de estos procesos el crecimiento se reduce, aunque en diferente magnitud dependiendo del clon y de las condiciones ambientales. Por ejemplo, bajo los efectos de la inundación la roya no produce pérdidas de crecimiento y son mínimas cuando las plantas sufren estrés por sequía. La información derivada de esta tesis puede aportar conceptos importantes para la evaluación de mecanismos de control químico de la enfermedad, por ejemplo, tener en cuenta las condiciones ambientales para recomendar o no la aplicación de fungicidas. Por otro lado, en los planes de mejoramiento genético que tengan como objetivo encontrar genotipos más tolerantes a la inundación o a la sequía, sería poco relevante considerar la susceptibilidad a la roya. Finalmente, esta tesis aporta una evaluación fisiológica integral del patosistema álamo-roya que incluye evaluaciones a distintas escalas (desde hoja hasta plantación) que dan sustento a las investigaciones que se realizan a niveles menores de integración (genómica, proteómica y metabolómica).

Plants establish close relationships with microorganism. Particularly, rusts have a parasitic association with plants, because they obtain nutrients and carbonate compounds from the host. In consequence, yield looses are observed in diseased plants associated with the breakdown of the photosynthetic apparatus and an increase in certain defense biosynthetic pathways. Poplar rust is considered one of the most important diseases on Populus genus in Argentine and around the world. This disease has forced to the replacement of genetics materials used for plantations in different areas. However, the alterations produced in the plants by rust have not been studied from a physiological integrated point of view. The magnitude of the alterations in the plants does not depend only on the poplar clone and rust species, but also on the environmental conditions in which the association happens. The general objective of this Thesis was to know the physiological mechanisms that determinate the growth decline on Populus deltoides infected by rust (Melampsora medusae). For this, we worked with two poplar clones that “a priori” have differential susceptibility to rust (clone Onda and clone `Australiano 106/60´). Containers and field experiments were performed. Alterations on growth (plant height, stem diameter and biomass accumulation), wood basic density, physiological variables at leaf level (net photosynthesis, respiration, photosystem II electron transport rate and quantum yield, chlorophylls content, stomatal conductance and leaf hydraulic conductance) and nutrients dynamic causes by rust were evaluated. It was also studied the alterations produced by rust under different environmental conditions, like different nitrogen availability in the soil and water stress (drought and flooding). Rust diminished growth on plants of both clones on field and controlled conditions. The magnitude of the reduction was clone-dependent. Only on clone Onda, wood basic density was lower in diseased plants. Growth decrease can be explained as a consequence of leaf physiology alterations. The net photosynthesis drop was due to the loss of photosynthetic apparatus integrity (reduction of photosystem II electron transport rate and quantum yield and chlorophylls content). At the same time, rust increased respiration. However, the net photosynthesis reduction started previously to the loss of integrity, possibly because the fungus infection and development reduced gas exchange (lower stomatal conductance) and the mesophyll integrity (lower leaf hydraulic conductance). As the disease severity increased the physiological alterations at leaf level were higher, independently of the clone. Leaves affected by rust fell earlier in autumn and with higher nutrient concentration than healthy leaves. Nutrients were retained by the fungus biomass or in plant metabolites that were not remobilized before leaf abscission. Thus, nutrients and proteins content on plant storage tissues (stems and roots) were reduced in infected plants of both clones. However, nutrient concentration reduction in stems and roots was observed only on clone Onda. Higher nitrogen availability on the soil increased growth and concentration of this nutrient on plant storage tissues. However, disease severity levels were not altered. Therefore, growth decline and physiology alterations caused by rust under different nitrogen availability were similar. When rust was evaluated under different water conditions, interaction between rust and water availability for plant in the soil was observed. Disease development was much higher when plants grew with good water availability, it was lower under drought and it was minimal under flooding conditions. The same trend was observed in both clones. However, differences were more evident on clone Onda. As a consequence, anticipated defoliation and photosynthetic apparatus damaged produced by rust were higher on plants at field capacity, were minimal under drought and were not observed on flooding plants. The leaf physiology alterations produced by rust had similar effect on growth than an artificial 50% defoliation. On this occasion, the higher growth reduction occurred on plants growing at field capacity, followed by plants under drought and was minimal in flooding plants. The final conclusion is that rust affects leaf physiology from the beginning of the infection because it reduces gas exchange. As disease develops, damage on photosynthetic apparatus and the subsequent leaf abscission happen. Leaves fall with higher nutrient concentration and hence, the accumulation of nutrients on plant storage tissues is reduced. Growth is reduced as a consequence of this process, even though with different magnitude depending on the clone and environmental conditions. For example, rust do not produce growth looses under flooding and it is minimal when plants suffer drought. The information derived from this thesis can provide important concepts for the evaluation of chemical control mechanisms of the disease, for example, that environmental conditions should be taken into account to suggest or not the fungicide application. On the other hand, on genetics improvement programs that look for more tolerant to flooding or drought genotypes it would be of little relevance to consider rust susceptibility. Finally, this Thesis brings a comprehensive physiological assessment of poplar-rust pathosystem that includes different scales evaluations (from leaf to plantation) and gives sustenance to researches at lower levels of organization (genomics, proteomics and metabolomics).