Dissertations / Theses on the topic 'Plant physiology – Experiments'

Thesis (MTech (Agriculture)--Cape Peninsula University of Technology, 2018.<br>Choumollier (narrow-stem kale) (Brassica oleracea, L.) has been progressively used in recent years as a supplementary forage harvest in many countries with a temperate climate. Boron (B) and calcium (Ca) are the two most important elements for supporting plant structure and function of plasma membranes. Boron nutrition is vital for obtaining high quality yields in vegetables. The main objective of this study was to evaluate the extent to which boric acid concentration can affect growth parameters (plant height, leaf numbers, chlorophyll levels, and leaf size) of Brassica olereacea var. acephala at different stages of growth and development. Treatment comprised of four concentrations of boron (0.3 mg/kg, 0.4 mg/kg, 0.5 mg/kg and 0.6 mg/kg). Yield and physiological growth responses were measured during the course of the study to ascertain effectiveness and influence of boron treatments on the test crops. Leaves of B. oleracea were harvested at weekly intervals (W1, W2, W3, W4 and W5) after each treatment regimen for approximate basic mineral analysis and composition. Soil pH did not vary much among the various orchard blocks tested, regardless of soil depth. Exchangeable cations Na+ and K+ levels did not vary significantly, but Ca2+ and Mg2+ levels fluctuated considerably among orchards analyzed. The Control Orchard exhibited a higher P content than the other orchards. Ca, Mg, Cu and B levels did not vary significantly among the orchards, but Na, Fe and Zn levels were markedly raised in the Orchard treated with 0.3 mg/kg boron) relative to the Control Orchard. Chlorophyll fluorescence was significantly dependent on the treatment dose of boron as compared to control. Chlorophyll fluorescence also increased significantly with the growth period, i.e., the duration following the initial treatment at all doses of boron. Boron at all did not significantly affect leaf count, leaf length and plant height. The work may add to the body of knowledge on the influence of boron on the physiological performance, mineral contents and proximate composition of leaves of the species. Furthermore, the findings may have important applications in achieving high quality yields in vegetable crops.

En aquesta tesi presento quatre capítols, en els quals es discuteix com diferents espècies subarbustives interactuen amb plantes coexistents, sota règims variables d’estrès. Aquesta recerca ha estat centrada en ecosistemes de gran valor ambiental, ecològic i de conservació, i alhora sensibles als canvis ambientals, en quatre regions distintes situades en zones de latitud o altitud elevades. Per ordre latitudinal, els ecosistemes estudiats han estat: 1) el límit supraforestal dels Pirineus Centrals, situats en una zona temperada; 2) el gradient de successió primària d’un ecosistema situat en una zona boreal, a Finlàndia,; 3) el límit supraforestal situat a la zona subàrtica de Lapònia; i 4) la tundra situada en una zona de l’alt àrtic, al nord‐est de Grenlàndia . Els dos primers capítols es basen en una aproximació experimental i se centren en investigar com els subarbustos més comuns trobats prop del límit supraforestal interactuen amb plançons d’arbres de les espècies que formen el límit del bosc en dos ambients contrastats, i.e. el límit supraforestal subàrtic, i el límit supraforestal dels Pirineus Centrals. A més, donat que els arbres que viuen prop del límit de distribució són molt sensibles als canvis ambientals , especialment a l’augment de temperatures durant l’estació de creixement (Körner 2003), també s’ha investigat com podrien afectar el creixement dels plançons d’arbre i la seva supervivència al llarg de l’ecotò, diferents escenaris de canvis ambientals. El primer capítol es titula ‘Les interaccions arbre‐arbust i els canvis ambientals dirigeixen la dinàmica supraforestal a la zona subàrtica’, i s’hi exposa l’experiment de tres anys de durada que es va executar al ‘Parc Nacional d’Abisko’, en els Scandes subàrtics, al nord de Suècia; les plantes estudiades varen ser plançons de Betula pubescens i el subarbust Vaccinium myrtillus. En aquest estudi es va certificar la importància de les interaccions arbust‐arbre, tant facilitatives com competitives, com a elements clau en la dinàmica supraforestal subàrtica. A més, vàrem demostrar que la gran sensibilitat dels plançons a l’escalfament tenia fortes implicacions per la dinàmica supraforestal, tenint en compte l’escenari previst d’augment de temperatures en latituds elevades. També es va observar que les interaccions complexes entre arbusts i herbívors són claus per preveure canvis futurs. El segon capítol es titula ‘Els plançons d’arbres situats als límits supraforestals Pirinencs i subàrtics mostren respostes semblants a la presència d'arbustos i a les simulacions de canvis ambientals’. Aquí es presenta una comparació entre els resultats de l’experiment presentat en el primer capítol i els obtinguts en un experiment paral∙lel dut a terme durant un període de temps semblant prop del límit supraforestal en el ‘Parc Natural de l’Alt Pirineu’, als Pirineus Centrals catalans. Aquest experiment es va basar en el mateix disseny factorial que l’anterior estudi, però amb diferents espècies (i.e. plançons de l’arbre Pinus uncinata i l’arbust Rhododendron ferrugineum). Segons ens consta, és el primer estudi que avalua experimentalment les respostes de les plantes vers diferents escenaris ambientals en un ecosistema d’alta muntanya als Pirineus. En aquest capítol es presenten alguns mecanismes que ajudaran a comprendre la variabilitat recentment observada de les respostes locals de límits supraforestals de zones temperades i subàrtiques com a resultat del clima canviant, i també identifiquem alguns paral∙lelismes que poden utilitzar‐se per generalitzar les respostes a gran escala dels límits supraforestals al canvi climàtic. El tercer capítol se centra en els efectes d’un subarbust dominant (i.e. Empetrum nigrum) en plançons de Pinus sylvestris al llarg del gradient de successió primària en un ecosistema boreal en una illa emergent de la badia de Bòtnia, a Finlàndia. Aquest capítol s’anomena ‘Un arbust ericoide exerceix la doble funció de reclutar pins i els seus simbionts fúngics al llarg d’un gradient de successió primària’. Aquí hem mostrat que els efectes facilitadors i competidors dels subarbustos determinen fortament l’establiment de plançons i la seva colonització fúngica al llarg d’aquest gradient de successió. Segons ens consta, aquests són els primers resultats que demostren que un arbust ericoide micorrízic pot millorar tant el desenvolupament de l’arbre hoste ectomicorrízic com el dels simbionts fúngics de l’arbre. L’estudi presentat al quart capítol es va realitzar al llarg d’un gradient de nivositat en un ecosistema extrem de tundra àrtica al ‘Parc Nacional del nord‐est de Grenlàndia’, el Parc Nacional més gran del món. El capítol es titula ‘Interaccions vegetals i composició de la vegetació àrtica al llarg d’un gradient de nivositat al nord‐est de Grenlàndia’. Aquest ecosistema és probablement el més sensible i fràgil de tots els ecosistemes estudiats en aquesta tesi, donat que s’espera que a la costa est de Grenlàndia s’hi esdevinguin canvis substancials en el clima com a resultat de canvis destacables en els règims de precipitació de neu i de les temperatures (Brown i Mote 2009). Aquí es va avaluar la riquesa d’espècies de plantes, així com els patrons d’establiment i composició de diverses formes de creixement existents en comunitats vegetals àrtiques associades a una variació de la cobertura de neu durant els mesos d’hivern. Aquest estudi ajudarà a preveure la diversitat potencial i els canvis en la vegetació a la zona de l’alt Àrtic, si els règims de precipitació de neu canvien en el futur com es preveu.<br>In this thesis I present four chapters, and in all of them I discuss how dwarf shrubs interact with co‐occurring plants under varying regimes of stress. This research involved ecosystems of great environmental, nature conservation and ecological value, yet highly sensitive to environmental changes, in four contrasting cold regions at high altitude or high latitude. Following a latitudinal order, the selected ecosystems were: 1) a temperate alpine treeline in the Central Pyrenees; 2) a primary succession gradient in a boreal ecosystem in Finland; 3) a subarctic alpine treeline in Lapland; and 4) a high‐arctic tundra in north‐eastern Greenland. The first two chapters are based on an experimental approach and focus on how shrubs commonly found near the treeline interact with tree seedlings of treelineforming species in two contrasting environments, i.e. in a subarctic forest‐tundra ecotone in Lapland, northern Sweden, and in a more southern, temperate forestalpine pasture ecotone in the Central Pyrenees. In addition, since trees living near their limit of distribution are very sensitive to environmental changes, especially to increased temperature during the growing season (Körner 2003), we also assessed how distinct environmental change scenarios may affect tree seedling growth and survival across the ecotone. The first chapter is entitled ‘Shrub‐tree interactions and environmental changes drive treeline dynamics in the Subarctic’, where we explain the three‐year‐long experiment performed in the Abisko National Park, in the subarctic Scandes, Northern Sweden; the species studied were Betula pubescens tree seedlings and the shrub Vaccinium myrtillus. In this study we showed the importance of facilitative and competitive shrub‐tree interactions as drivers of subarctic treeline dynamics. Furthermore, we demonstrated that the great sensitivity of tree seedlings to warming had strong implications for treeline dynamics under the predicted warmer scenario at high latitudes, and we identified that complex interactions between shrubs and herbivores are critical to predicting future changes. The second chapter is entitled ‘Similar tree seedling responses to shrubs and to simulated environmental changes at Pyrenean and subarctic treelines’. Here we presented a comparison between the results obtained in the experiment presented in the first chapter and those obtained in a parallel experiment performed during a similar period near the treeline in the Alt Pirineu Natural Park, in the Central Pyrenees, Catalonia. This experiment was based on the same factorial design but with different species (i.e. Pinus uncinata tree seedlings and the shrub Rhododendron ferrugineum). To our knowledge, it is the first study which experimentally tests the responses of plants to distinct environmental scenarios in a high mountain ecosystem in the Pyrenees. In this chapter we presented some mechanisms for understanding the recently observed variability of local responses of both subarctic and alpine treelines to currently changing climate while identifying some commonalities that can be used to generalise large scale response of treelines to climate warming. The third chapter focuses on the effects of a dominant dwarf shrub (i.e. Empetrum nigrum) on Pinus sylvestris tree seedlings along a primary succession within a boreal ecosystem on an uplifting island in Bothnian Bay, Finland. This chapter is called ‘An ericoid shrub plays a dual role in recruiting both pines and their fungal symbionts along primary succession gradients’. Here we showed that facilitative and competitive effects of shrubs markedly determined tree seedling establishment and their fungal colonisation along this succession gradient, but in this chapter we did not relate these findings to any environmental changes. As far as we know, we presented the first finding that an ericoid mycorrhizal shrub may enhance both the performance of the ectomycorrhizal host tree and the tree’s fungal symbionts. The study presented in the fourth chapter was performed along a snow‐depth gradient in an extreme arctic tundra ecosystem in the Northeast Greenland National Park, the largest national park in the world. The chapter is entitled ‘Plant interactions and higharctic vegetation composition along a snow‐depth gradient in NE Greenland’. This ecosystem is probably the most sensitive and fragile among the ecosystems studied in this thesis as the eastern coast of Greenland is expected to experience substantial changes in climate due to marked changes in snow precipitation and temperature regimes (Brown and Mote 2009). Here we assessed plant species richness, establishment and composition patterns in distinct growth forms occurring in common arctic plant communities associated with varying snow‐depth during the winter season. This study will help to predict potential diversity and vegetation changes in the high Arctic if snow precipitation regime changes in the future as anticipated.

The 1985 and 1986 Cotton Reports have the same publication and P-Series numbers.<br>The experimental plant regulator XE-1019, a product of Chevron Chemical Company, was applied to short staple cotton at the University of Arizona Marana Agricultural Center in 1985. Plant height was modified by the chemical due to greatly shortened internode length. The 1.0 lb. a.i. XE-1019 per acre rate applied before bloom yielded significantly less than the other treatments at final harvest. Data collected from eight harvests through the season from sub-plots resulted in significant yield differences from the second through the sixth harvest dates.

<p>Copper and Zn deficiencies of crop plants occur in various areas throughout the world. The sulfate forms of Cu and Zn are generally used to correct these micronutrient deficiencies. In agricultural practices, Cu and Zn are applied to soils not only as a fertilizer but also as manures, pesticides and waste materials such as sewage sludge. High levels of Cu and Zn application to agricultural soils are considered to pose a potential hazard to plants and animals. Research findings have not established Cu and Zn levels that either injure plants or increase Cu and Zn concentrations in edible plant portions to undesirably high levels. Published data on the fate of applied Cu and Zn indicate that there is little, if any, downward movement of these micronutrients in soils and that, with time, applied Cu and Zn revert to plant unavailable forms in soils. </p><br>Master of Science

En esta tesis doctoral se estudian los mecanismos que las plantas pueden disponer para hacer frente al déficit hídrico reiterado, ya que en la naturaleza los ciclos repetidos de estrés son mucho más frecuentes que un solo periodo de estrés. La sequía es uno de los estreses ambientales que más afectan al crecimiento y desarrollo de las plantas, siendo el estrés abiótico el que más limita la producción de los cultivos. Además según los modelos climáticos actuales, la sequía va a seguir incrementando. Para resistir estos ciclos de estrés las plantas disponen de mecanismos que les ayudan a hacer frente a las consecuencias de la sequía, como son el incremento de ácido abscísico, la fotoprotección y protección antioxidante, y la memoria. La memoria es la capacidad de las plantas de responder mejor frente a un estrés tras haber estado previamente expuestas a dicho estrés. La memoria se puede dar tanto a nivel morfológico/estructural (como se aprecia en la reducción del tamaño de la antena de los cloroplastos indicado por la relación clorofila a/b), como a nivel bioquímico como se puede apreciar en los niveles de ácido abscísico. Plantas de Aptenia cordifolia previamente expuestas a la sequía mostraron mayores niveles de ácido abscísico y un tamaño menor de la antena del fotosistema II que las plantas expuestas a sequía por primera vez. La reducción en el tamaño de la antena también se observó en Silene dioica. El incremento en los niveles de ácido abscísico permite reducir la transpiración e inducir la síntesis de moléculas osmoprotectoras, y la reducción en el tamaño de la antena permite reducir la luz recibida por los fotosistemas, ya que el déficit hídrico suele darse en condiciones de exceso de luz cuando este sucede simultáneamente a un aumento en las temperaturas y la radiación solar, algo habitual en climas mediterráneos. A pesar de los mecanismos de disipación del exceso de la energía en los cloroplastos, como el ciclo de las xantofilas, es inevitable que en momentos de estrés se incremente la producción de especies reactivas de oxigeno (ROS). Para hacer frente a estas moléculas, es decir para encargarse de la fotoprotección, las plantas disponen de antioxidantes como los tococromanoles o carotenoides que son los antioxidantes lipofílicos más abundantes en cloroplastos. Tras déficits hídricos reiterados, en plantas de maíz se observó un incremento del 65% en los niveles de plastocromanol-8 (PC-8), un tococromanol del que aún no se conocía si aumentaba en condiciones de sequía, siendo además su cantidad el 25% de los tococromanoles totales. Sugiriendo estos resultados que el primer estrés ayudó a prevenir el daño en el fotosistema II con un incremento en la cantidad de tococromanoles, como indica la mejora de Fv/Fm en las plantas en el segundo estrés pese a tener un menor contenido hídrico relativo. Por último se estudió si la melatonina, una molécula con propiedades antioxidantes y reguladoras del crecimiento y desarrollo, ejercía un papel protector frente al déficit hídrico reiterado en plantas de maíz, y si actuaba como regulador o como hormona. Los resultados sugirieron que la melatonina endógena podría actuar como una hormona pero que aplicada exógenamente en el agua de riego en grandes cantidades podría ejercer un papel protector como antioxidante. En conclusión, las plantas tienen diferentes mecanismos para aclimatarse a las nuevas condiciones como la memoria, la regulación hormonal, la protección antioxidante y la fotoprotección.<br>Plant responses to reiterated drought differ from those to single drought exposure, and in nature plants are usually exposed to repeated cycles of drought. Plants have different mechanisms to withstand reiterated drought, as plant stress memory, antioxidants, photoprotection and phytohormones. Stress memory is the capacity of the organism to respond better to a given stress factor when individuals have already been challenged previously with the same stimulus, relative to those that have not been exposed to the stress before. Stress memory mechanisms were observed in the three species studied, Aptenia cordifolia, Silene dioica and Zea mays. In A. cordifolia, morphological adjustments were observed, as cahnges in the pigment composition leading to reductions of the light harvest complex (to increase photoprotection), as well as biochemical mechanisms, as the modulation of phytohomone contents (increases of abscisic acid). Apart of the reduction of the light harvest complex (also observed in S. dioica), lipophilic antioxidants such as tocochromanols and carotenoids have a role in photoprotection. In maize plants, an increase in tococromanols, including plastocromanol-8, was observed under reiterated drought, suggesting acclimation to prevent photoinhibitory damage, as indicated by the improvement of Fv/Fm despite lower relative water content in double-stressed plants. Also, it was studied if melatonin, an antioxidant and regulator, exerts a protective role against reiterated drought in maize. Results suggest that endogenous melatonin may have a protective role acting as a phytohormone, but applications of high amounts of melatonin may exert a protective role as an antioxidant. In conclusion, plants are able to acclimate to the new conditions (drought in this case) though various mechanisms, including memory, hormone regulation, antioxidant protection and photoprotection.

Les poliamines més comunes són putrescina, espermidina i espermina. En vegetals, els nivells d’aquests compostos incrementen en resposta a diferents tipus d'estrès ambiental. Tanmateix, es desconeix el significat fisiològic d’aquest augment. En general, s'ha atribuït un paper protector a espermidina i espermina, mentre que, en molts casos, la putrescina es considera només com a precursor de les altres dues poliamines. En la planta model Arabidopsis thaliana la putrescina es forma per descarboxilació d’arginina, mediada per arginina descarboxilas (ADC), que es codificada per dos gens: ADC1 i ADC2. En la present Tesis Doctoral, s’ha estudiat la resposta a l’estrès per fred i per sequera de plantes transgèniques d’Arabidopsis sobreexpressores dels gen homòlegs ADC1 i ADC2. Aquestes plantes tenen augmentats els nivells de putrescina, però no els d’espermidina ni d’espermina. Els resultats obtinguts mostren que les plantes que acumulen Put, per sobreexpressió d’ADC1 o ADC2, són més resistents a fred, sobretot si es tracta de plantes aclimatades prèviament. D’altra banda, la tolerància a deshidratació només s’ha observat en aquelles plantes que acumulen grans quantitats de Put via ADC2, i el grau de tolerància es proporcional als nivells de putrescina. Les plantes sobreexpresores d’ADC2 mostren una reducció en la taxa de transpiració i en la conductància estomàtica, i son més sensibles a ABA, encara que no s’han trobat diferencies en els nivells d’aquesta a l’hormona. Aquests resultats suggereixen que un dels mecanismes implicats en la resistència a sequera d’aquestes plantes, és la reducció de la pèrdua d’aigua per transpiració com a resultat d’una menor obertura estomàtica induïda per un augment en la resposta a ABA. Les diferencies entre els plantes sobreexpresores d’ADC1 i ADC2 podrien venir donades per una diferent localització de les corresponents proteïnes, ja que s’ha observat que ADC1 es troba al nucli, mentre que ADC2 es localitza als cloroplasts. En conjunt els resultats obtinguts demostren que la putrescina te un paper intrínsec en la resposta de les plantes a estrès. Els nivells de poliamines estan regulats també pel catabolisme. Les poliamines són degradades per desaminació oxidativa mediada per aminoxidases, que poden ser dependents de FAD (PAOs) o de coure (CuAOs). Clàssicament s’ha considerat que les amino oxidases tenen una localització apoplàstica. En Arabidopsis s’han descrit cinc isoformes de PAOs , tres s’han localitzat en peroxisomes, i les altres dues tenen una predicció de localització citoplasmàtica. Cap d’aquestes proteïnes du a terme l’oxidació terminal de PAs, si no que catalitzen una ruta de retroconversió, produint espermidina a partir d’espermina, i putrescina a partir d’espermina. Tot això fa pensar en com s’oxiden les PAs en l’apoplast d’Arabidopsis i si en els peroxisomes s’hi du a terme l’oxidació terminal. A. thaliana té 10 gens descrits com a CuAOs, però fins al moment només un (ATAO1) s’ha caracteritzat a nivell funcional. En aquesta tesis s’han caracteritzat a nivell funcional tres CuAOs d’Arabidopsis (AtCuAO1-3) que catalitzen l’oxidació terminal de l’espermidina i la putrescina. AtCuAO1, com l’ATAO1, és una proteïna extracel•lular, el que suggereix que el catabolismes de les PAs en l’apoplast d’Arabidopsis és mediat per CuAOs. AtCuAO2 i AtCuAO3 es troben en els peroxisomes, el que indica que el catabolisme terminal i la retroconversió funcionen de manera coordinada per mantenir la homeòstasi de poliamines, ja que l’acumulació de Put inhibeix les PAOs. El perfil d’expressió de les tres AtCuAOs en resposta a diferents estímuls exteriors suggereix una especificació funcional d’aquestes proteïnes enfront diferents tipus d’estrès. En aquesta tesis doctoral s’aporten, per primera vegada, evidencies sobre la integració de les dos rutes de oxidació de les poliamines que fins ara s’havien estudiat de manera independent.<br>In plants, polyamine (putrescine, spermidine, spermine) levels increase in response to different abiotic stresses, but the biological meaning of this increase remains unclear. A protective role has been attributed to spermidine and spermine, while, in most cases, putrescine is considered only as a precursor of the other polyamines. In Arabidopsis, ADC (Arginine decarboxylase), the first enzyme involved in polyamine biosynthesis is encoded by two genes (ADC1 and ADC2).In this work, we have undertaken a genetic approach to study the effect of ADC1 and ADC2 over-expression in Arabidopsis freezing and drought tolerance. The obtained transgenic lines contain high putrescine levels and no increase in spermidine and spermine. Accumulation of putrescine by ADC1 or ADC2 over-expression is sufficient to promote freezing tolerance, mainly in cold-acclimated plants. Hower, only lines that accumulate Put by ADC2 over-expression are drought tolerant, and the degree of resistance correlates with Put content.This phenotype is related with a reduction in transpiration rate and stomata conductance, as well as an increased ABA-sensitivity. The differences between ADC1 and ADC2 over-expressing plants can be due to a different protein cellular localization. Polyamine levels are also regulated by degradation, mediated by FAD- and copper-dependent amine oxidases (PAOs and CuAOs). In Arabidospsis, five PAO isoforms, which oxidize polyamines by a back-conversion pathway, producing spermine and spermidine from putrescine have been characterized. However, only one of the ten gens annotated as CuAOs has been characterized so far. In this work, three CuAOs (AtCuAO1-3), involved in the terminal polyamine catabolism in Arabidopsis, have been functionally characterized. The results indicate a differential localization of AtCuAOs in the apoplast and peroxisomes together with a possible functional specification of AtCuAOs against different types of stress. Importantly, our results show that back-conversion and terminal catabolism work co-ordinately in peroxisomes to maintain polyamine homeostasis. For the first time we provide evidences for the integration of oxidative polyamine pathways that have so far studied in isolation.

Els cloroplasts presenten una activitat respiratòria anomenada clororespiració, que consisteix en una cadena de transport electrònic des del NAD(P)H fins a l’oxigen i que està situada a les membranes tilacoidals. En aquesta cadena respiratòria participen el complex NAD(P)H deshidrogenasa (Ndh), la plastoquinona i la oxidasa terminal plastidial (PTOX). La seva funció està probablement relacionada amb l’adaptació de la fotosíntesi en situacions d’estrès o davant dels canvis en l’ambient. La possible existència d’una activitat respiratòria en plastidis no fotosintètics ha estat molt poc estudiada. Durant la maduració del tomàquet, els cloroplasts del fruit verd es diferencien en cromoplasts, els quals acumulen carotenoides i són fotosintèticament inactius. Durant aquest procés les membranes tilacoidals es desmantellen i l’aparell fotosintètic es degrada. No obstant, diversos transportadors electrònics es mantenen (Ndh, citocrom b6f i PTOX), així com l’ATP sintasa. Aquest fet suggereix que els cromoplasts podrien mantenir una activitat respiratòria similar a la clororespiració. En aquest treball es van realitzar estudis de respiració utilitzant cromoplasts aïllats de tomàquets madurs. Es va observar que els cromoplasts consumeixen oxigen activament, i aquest consum és estimulat pels donadors d’electrons NADH i NADPH. A més, la respiració de cromoplasts respon al desacoblador CCCP, suggerint que possiblement està relacionada amb la creació de gradients de protons a través de membranes. Per últim, es va comprovar que el consum d’oxigen és inhibit per un inhibidor de la PTOX, l’octil gal·lat, indicant que la PTOX és l’oxidasa terminal de la cadena respiratòria. Per altra banda, es va observar que els cromoplasts aïllats són capaços de sintetitzar ATP en presència de NADH i NADPH. Igual que el consum d’oxigen, la síntesi d’ATP és inhibida per l’octil gal·lat i respon al CCCP. Es van realitzar mesures en presència d’un inhibidor específic del complex citocrom b6f i la síntesi d’ATP va quedar parcialment inhibida, la qual cosa suggereix que el citocrom b6f participa en la cromorespiració. A més, es va estudiar l’efecte d’un inhibidor de les NAD(P)H deshidrogenases i es va observar que produïa un efecte diferent segons el donador d’electrons emprat, suggerint la presència de dues NAD(P)H deshidrogenases diferents. Per confirmar la presència del citocrom b6f en els cromoplasts, es va fer un estudi per tècniques d’immunocitoquímica fent servir un anticòs contra el citocrom f i es va localitzar a l’interior dels cromoplasts de tomàquet. En la cromorespiració, un possible acceptor d’electrons per al citocrom b6f és el citocrom c6, doncs es va observar que la seva expressió augmenta durant la maduració. Per altra banda es va intentar identificar una possible NAD(P)H deshidrogenasa alternativa al complex Ndh que participés en la cromorespiració. Les NAD(P)H deshidrogenases tipus II (Ndh-2) són enzims monomèrics que es troben a plastidis, mitocondris i peroxisomes. El genoma del tomàquet conté set gens que codifiquen Ndh-2. Es va estudiar l’expressió dels set gens en diversos teixits de tomaquera i durant la maduració del tomàquet, i es va trobar que quatre Ndh-2 són presents en el fruit madur. A continuació, es va estudiar la seva localització subcel·lular mitjançant la fusió d’aquestes Ndh-2 amb la YFP i l’expressió transitòria de les proteïnes quimèriques en fulles de plantes de tabac, i es va comprovar que dues Ndh-2 són plastidials. Per tant, aquestes Ndh-2 són candidates que podrien participar en la cromorespiració. Per comprovar quina podia ser la contribució de la cromorespiració en relació a la respiració total del tomàquet, es van realitzar estudis amb fragments de pericarp fent servir l’inhibidor octil gal·lat. Els resultats obtinguts mostren que la respiració associada a l’activitat de la PTOX augmenta durant la maduració del fruit i representa un 25% de la respiració total quan és madur. A més, també es va comprovar que la cromorespiració contribueix significativament al contingut d’ATP total del pericarp de fruit madur.<br>Chloroplasts present a respiratory process called chlororespiration. This activity consists in an electron transport pathway from NAD(P)H to oxygen which it is located in thylakoidal membranes, and it involves the plastidial terminal oxidase (PTOX) and the NAD(P)H dehydrogenase complex (Ndh). Its function is related with photoprotection and the adaptation of photosynthesis in changing environmental conditions. However, the existence of a similar respiratory process in non-photosynthetic plastids was less studied. During tomato (Solanum lycopersicum) fruit ripening, chloroplasts differentiate into photosynthetically inactive chromoplasts. In this work, we have shown that isolated tomato fruit chromoplasts present an oxygen consumption activity which is stimulated by the electron donors NADH and NADPH. This respiratory activity is sensitive to the uncoupler CCCP, suggesting that it could be related to the generation of membrane proton gradients. It is also affected by octyl gallate (Ogal), a PTOX inhibitor. The ATP synthesis rate of isolated chromoplasts was quantified, and we observed that it is dependent on the supply of NAD(P)H and is fully inhibited by Ogal. Also, the ATP synthesis is sensitive to a cytochrome b6f complex inhibitor, and the possible participation of this complex in chromorespiration is supported by the detection of cytochrome f in chromoplasts using immunoblot and immunocytochemical techniques. The observed increased expression of cytochrome c6 during ripening suggests that it could act as electron acceptor of the cytochrome b6f complex in chromorespiration. In addition, we studied the family of type II NAD(P)H dehydrogenases in tomato (Ndh-2), which includes seven genes. Four Ndh-2 are expressed in ripe tomato fruit, and two of them (nda2 and ndc1) are located in plastids, so they are candidates to participate in chromorespiration. On the other hand, the effects of Ogal on respiration and ATP levels were also studied in tissue samples. Oxygen uptake of mature green fruit and leaf tissues was not affected by Ogal, but was inhibited increasingly in fruit pericarp throughout ripening (up to 25% in red fruit). Similarly, Ogal caused a significant decrease in ATP content of red fruit pericarp. The number of energized mitochondria, as determined by confocal microscopy, strongly decreased in fruit tissue during ripening. Therefore, the contribution of chromoplasts to total fruit respiration appears to increase in late ripening stages.

The biological actions of the herbicides SC-0224 (trimethylsulfonium carboxymethylaminomethylphosphonate) and glyphosate [N-(phosphonomethyl)glycine] (PMG) were compared. In each study trimethylsulfonium iodide (TMS-I) was included as a treatment because the trimethylsulfonium ion is a constituent of the SC-0224 molecular structure. In inflated duckweed (Lemna gibba L.), both formulated and technical grade forms of SC-0224 were found to be much more phytotoxic to duckweed than either formulated or technical grade forms of glyphosate. The growth inhibition caused by glyphosate was partially prevented by different combinations of the aromatic amino acids phenylalanine, tyrosine, and tryptophan; whereas, the duckweed growth inhibition caused by SC-0224 could not be reduced by the same amino acid combinations. TMS-I and SC-0224 were found to be equally phytotoxic to duckweed. SC-0224 caused larger increases than glyphosate in the pool levels of amino acids; the increases caused by SC-0224 were similar, however, to those caused by trimethylsulfonium iodide. Expressed on a per gram fresh weight basis none of the chemical treatments caused significant changes in soluble protein or the incorporation of ¹⁴C-leucine into soluble protein. On a per flask basis (allowing for decreased growth in treated flasks), both herbicides and TMS-I caused significant decreases in soluble protein and ¹⁴C-leucine incorporation. SC-0224 and TMS-I caused larger decreases than glyphosate in both cases but the SC-0224 and TMS-I treatments were not significantly different. These data indicate that differences in the phytotoxicity of SC-0224 .and glyphosate may be due to the action of the trimethylsulfonium ion of the SC-0224 structure. The effects of these herbicides on the conversion of shikimate to anthranilate in a cell-free extract of Klebsiella pneumoniae ATCC 25306 were also compared. SC-0224 and glyphosate equally inhibited the production of anthranilate indicating that SC-0224 has action similar to glyphosate on the shikimate pathway. The effects of these herbicides on photosynthetic electron transport (the Hill reaction) was determined using isolated thylakoids from Alaska pea (Pisum sativum L.). The action of SC-0224 was compared with the action of glyphosate, TMS-I and diuron [3-(3,4-dichorophenyl)-1,1-dimethylurea]. SC-0224, glyphosate and TMS-I did not inhibit the Hill reaction at concentrations up to 10 mM; whereas, diuron caused an almost total inhibition at 0.10 mM. The results of this study indicate that SC-0224 is not an inhibitor of photosynthetic electron transport. These studies indicate that both constituents of the SC-0224 structure, TMS and PMG, are phytotoxic and may act independently.<br>Ph. D.

Environmental constraints and developmental processes in plants can lead to light energy excess in chloroplasts by lowering the threshold at which light becomes saturating by a lack of electron acceptors in the light-processing structures. Inactivation of photosystems due to high energy quanta is generally known as photoinhibition, a process that can compromise growth and organ development in plants due to an imbalance of the cellular redox state that leads to enhanced oxidative stress. Hence, it is essential to determine environmental factors and stages of organ development that influence the extent of photoinhibition and mechanisms triggered to avoid photoinhibition and cope with photo-oxidative stress, so that plant survival is not put in jeopardy. For this reason, leaves from an ecologically important Mediterranean plant, flowers from a relevant commercial crop and fruits from a highly appreciated agronomic tree, were selected to analyse events leading to photoinhibition and strategies to allow plant acclimation and correct organ development. With this regard, mastic trees were selected to study their sensitivity to cold stress during Mediterranean winters and altitudinal distribution, to determine if antioxidant strategies and leaf phenology influence their ability to survive environmental constraints. On the other hand, lily flowers were selected to study photoinhibitory events taking place during flower opening and how phytohormones could regulate the timing of flower opening by interacting with photo-oxidative stress signals. Besides, sweet cherry fruits were also selected to better understand physiological events related to ripening onset and chloroplast dismantling with the production of antioxidants and hormonal signals involved. Our results show that timing and stage of organ development directly condition the outcomes of photoinhibition with regards of chloroplast status and antioxidants produced, with a general prevailing mechanism where reduced Fv/Fm triggers higher lipid peroxidation and parallel production of phytohormones and antioxidants that deal with increased photo-oxidative stress. In conclusion, photoinhibition does not compromise plant or organ survival, but prompt the activation of signalling networks that promote metabolic changes to fine-tune the timing and severity of this process to allow acclimation and correct organ development.

Las cerezas (Prunus avium L.) son frutos muy apreciados por el consumidor, alrededor del mundo, debido a sus características visuales y organolépticas. Como un fruto carnoso con hueso no climatérico, los cambios bioquímicos y físicos que ocurren durante su crecimiento, maduración y sobremaduración están regulados por las hormonas. Para comprender mejor la compleja interacción entre algunas fitohormonas durante estos procesos y cómo afectan a los parámetros de calidad, las cerezas se recolectaron de una finca comercial en diferentes etapas del desarrollo en árbol y, además, durante el período posterior a la cosecha. Los resultados mostraron un alto contenido de promotores del crecimiento como las auxinas, citoquininas y giberelinas, al comienzo del desarrollo del fruto, para disminuir posteriormente tan pronto como el proceso de maduración inicia. También se correlacionaron negativamente con los indicadores de maduración, lo que sugiere un posible papel como inhibidoras del proceso de maduración de las cerezas. Además, el ácido jasmónico y el ácido salicílico mostraron una disminución de sus niveles a medida que avanzaba la maduración, privando de protección contra patógenos al fruto. Por el contrario, el contenido de ácido abscísico aumenta al inicio de la maduración, y se correlaciona positivamente con los indicadores de calidad, promoviendo la maduración de las cerezas. La melatonina, un compuesto recientemente estudiado, disminuye drásticamente al inicio de la maduración y, tras su aplicación exógena, se observa un papel importante como inhibidor de la maduración de las cerezas, particularmente en concentraciones bajas. Durante la sobremaduración, hay una gran pérdida de agua y el ácido abscísico, las citoquininas y las giberelinas disminuyen paralelamente con el deterioro del fruto, lo que sugiere un papel protector por parte de estas hormonas contra la maduración excesiva. Así pues, se observa un cross-talk hormonal durante el desarrollo de las cerezas y su sobremaduración, actuando de manera conjunta o regulándose entre sí, influyendo, de esta forma, en la creación nuevas estrategias y tecnologías para mejorar la calidad del fruto.<br>Sweet cherry fruits (Prunus avium L.) are highly appreciated by consumers worldwide because of their visual and organoleptic characteristics. As a non-climacteric stone fruit, the biochemical and physical changes that occur during its growth, ripening and over-ripening are regulated by hormones. To better understand the complex interplay between some phytohormones during these processes, and how quality parameters are affected, sweet cherries were harvested from a commercial orchard at different developmental stages and during postharvest time. Results showed high concentrations of growth promotors such as auxins, cytokinins and gibberellins, at the very beginning of fruit development, to later decrease as soon as the ripening process started, and negatively correlated with ripening parameters, thus suggesting a possible inhibitory role in sweet cherries ripening process. Also, jasmonic acid and salicylic acid showed a decrease as ripening progress, depriving fruit protection against pathogens. In contrast, abscisic acid concentrations increased at the onset of ripening, and was positively correlated with quality parameters, promoting sweet cherries ripening. Melatonin, a newly-studied compound, decreased drastically at the onset of ripening and after its exogenous application, melatonin exhibited an important role as a sweet cherry ripening inhibitor, particularly at low concentrations. During over-ripening, cherry fruits clearly suffered a huge water loss, and abscisic acid, cytokinins and gibberellins decreased in parallel with fruit decay, suggesting a protective role against over-ripening. Therefore, a hormonal cross-talk is observed during sweet cherry development and over-ripening, acting together or regulating each other, which may help to create new strategies and technologies to improve fruit quality.

Una de les teories sobre l'envelliment més acceptades en animals i humans és la teoria dels radicals lliures que descriu l'augment d'estrès oxidatiu a mesura que augmenta l'edat de l'organisme. Desafortunadament, hi ha pocs estudis que demostrin aquesta teoria en les plantes, i cap d'ells en plantes de gran longevitat. En aquesta tesi vam escollir dos models de plantes perennes de gran longevitat per tal d'investigar la importància de l'estrès oxidatiu, juntament amb els mecanismes de protecció com la vitamina E, en els processos d'envelliment de les plantes sota les condicions climàtiques naturals dels hàbitats on creixen. Per tal de dur a terme aquest objectiu es va analitzar l'efecte de l'edat (en un rang d'edats d'l a 280 anys) sobre el grau de peroxidació lipídica, els mecanismes de fotoprotecció i altres marcadors d'estrès oxidatiu en fulles i tubercles (l'òrgan perenne) utilitzant com a model l'herbàcia perenne no clonal més longeva registrada fins a l'actualitat, Borderea pyrenaica, en la que també es va investigar el possible efecte del sexe en els processos d'envelliment. L'altre espècie, Vellozia gigantea, es tracta d'una planta endèmica del Brasil que tot i no poder ésser datada, es considera que pot arribar a tenir més de 500 anys. En aquest cas es va avaluar l'efecte del tamany, intrínsec a l'edat, en els marcadors d'estrès oxidatiu i també es va estudiar la resposta ecofisiològica a les variacions estacionals (estació seca i plujosa). Els resultats dels diferents treballs realitzats mostren que l'edat o el tamany de la planta no té un efecte negatiu en els processos fisiològics mesurats en termes d'estrès oxidatiu, mostrant doncs que la teoria dels radicals lliures no és universal en plantes perennes. B. pyrenaica no presenta signes de deteriorament fisiològic amb l'edat, almenys fins a l'edat estudiada (280 anys). A més, les femelles centenàries de B. pyrenaica presenten una major capacitat de fotoprotecció que els mascles de la mateixa edat i les plantes juvenils, per això es proposa que aquesta espècie presenta senescència negativa. L'òrgan perenne subterrani de B. pyrenaica (els tubercles) sembla ser el secret de la seva extraordinària longevitat, considerant la seva peculiar estratègia de creixement juntament amb el seu eficient mecanisme de protecció antioxidant en vitamina E que augmenta amb l'edat (senescència negativa). En la planta arborescent V. gigantea no només les plantes de major tamany van mostrar una eficient homeòstasi hídrica i nutricional, almenys igual d'eficient que les de menor tamany; sinó que els nivells de vitamina E, important mecanisme de protecció contra l'estrès oxidatiu, van ser significativament més alts en les plantes de major tamany. L'absència de deteriorament fisiològic amb l'augment del tamany i, així doncs de l'edat, revela senescència negligible en V. gigantea. A més s’observa que tant els tocotrienols (per primera vegada detectats en fulles en plantes superiors) com els tocoferols (vitamina E) tenen un paper important de protecció contra l’estrès foto-oxidatiu. Durant les condicions de dèficit hídric de l’estació seca, V. gigantea desenvolupa un eficient mecanisme de protecció, basat en el tancament estomàtic per conservar l’aigua en la planta induït per l’àcid abscísic, que a més, indueix presumiblement la síntesi de vitamina E per protegir de l’estrès oxidatiu. En aquests estudis es conclou que les plantes perennes són organismes altament resistents a l’estrès i l’envelliment, tal com es mostra en els mecanismes de protecció que desenvolupen per a mantenir les seves funcions fisiològiques fins edats molt avançades, observant que ni l’edat ni el tamany de la planta és la causa principal del declivi funcional de l’organisme.<br>One of the most accepted theories of ageing in animals and humans is the free radical theory of ageing, which describes that oxidative stress increases with age. Unfortunately, there are very few studies that test this theory in plants, and none in long-lived perennial plants. In this thesis, we choose two models of long-lived perennial plants to investigate the processes of ageing and the importance of oxidative stress, along with the role of protection mechanisms such as vitamin E, in the ageing process in plants under natural climatic conditions. With this aim, we explored the effects of age (ranging from 1 to 280 years) in the extent of lipid peroxidation, photoprotection mechanisms and other oxidative stress markers in leaves and tubers (perennial organ) in the longest-lived perennial — not clonal — herb registered to date, Borderea pyrenaica. The other species used in the study, Vellozia gigantea, is an endemic plant of Brazil in which it is not possible estimate its age, but it is considered to live more than 500 years. In this species, we evaluated the effect of size on various oxidative stress markers and evaluated the ecophysiological response to seasonal variations in water availability (rainy and dry season) in plants grown in their natural habitat. Results show that neither age nor size have a negative effect on plant physiological processes related to oxidative stress, thus suggesting that the free radical theory of ageing is not universal in perennials plants. B. pyrenaica showed absence of physiological deterioration with aging as indicated by oxidative stress markers, at least until the studied age (280 years), showing that the oldest females display a greater photoprotection than males of the same age and juveniles (negative senescence). The perennial organ that grows underground in B. pyrenaica (tubers) seems to be the secret of its long life, considering its unique growth strategy together with its efficient antioxidant protection mechanism (vitamin E), whose levels increased with age. V. gigantea also shows absence of physiological deterioration with ageing (mature individuals of various sizes were examined), which was also associated with increasing vitamin E levels in the oldest individuals, suggesting therefore a case of negligible senescence. In this plant species, tocotrienols were found in leaves (this is the first documented study showing tocotrienols in leaves of higher plants), which might have an important role to protect against photo-oxidative stress, along with tocopherols. Water deficit conditions during the dry season led V. gigantea to activate an efficient protection mechanism based on abscisic acid-induced stomatal closure to prevent water loss and presumably increase vitamin E biosynthesis. In this thesis, it is concluded that perennials plants are highly resistant organisms to stress and ageing, as shown by their protective mechanisms to maintain adequate physiological functions until very advanced ages, so that neither age nor size cause any functional decline in the organism.

Coastal ecosystems are highly threatened worldwide by multiple anthropogenic stressors that act at a range of spatial scales, from local to the global, and adversely affect their ecological functions and associated biodiversity. Global warming is one of the most pervasive stressors, and the assessment of how the species (or other levels of biological organization) react to it is an urgent need in a rapidly warming world. Moreover, thermal stress rarely acts in isolation from other stressors. The potential synergies among global warming and local stressors is of particular concern in what it regards foundation species, such as the case of seagrasses, due to their crucial role in maintaining the structure and function of coastal ecosystems. The main objective of this PhD thesis is to improve the knowledge of how warming alone and in combination with different local factors can affect seagrasses. This research has been conducted based upon mesocosm experiments submitted to different temperatures (and, in some cases, to other agents), and plants responses measured from biochemical to population levels. The results obtained are considered an approach to what may occur in the real world, always acknowledging the limitations of our methodology. Chapter 1 revealed different tolerance to warming among the two main Mediterranean seagrass species, Cymodocea nodosa and Posidonia oceanica. C. nodosa tolerates temperature increases much better than P. oceanica probably due to its life story (opportunistic), habitat (from confined waters to the open sea) and biogeographical affinity (tropical and subtropical). This will potentially cause changes in the distribution area of these two species in the Mediterranean under a future scenario of warming. As shown in Chapter 2, an increase in nutrient concentration in water does not modify the response of C. nodosa to warming. However, the increase of organic matter in sediment clearly worsens, synergistically in some plant traits, the effects of warming, entailing a hazardous combination for plant survival. P. oceanica, in turn, is severely affected by conditions of high nutrient content and high temperatures (Chapter 3), again displaying synergistic effects, and confirming not only a thermal sensitivity in this species greater than in C. nodosa, but also a greater vulnerability to the exacerbation of thermal effects by other local stressors. Finally, the interactive effects of warming and salinity (Chapter 4) in an estuarine seagrass species, Halophila ovalis, in southwestern Australia resulted beneficial for plant survival, as the negative effect of warming was buffered by concomitant salinity increases. Overall, this research highlights the complexity of global warming effects in at least two aspects. Firstly, the multiplicity of biological levels at which those effects act and, secondly, the importance of studying not only isolated effects of temperature increases but also their joint effect with other stressors. Advances in these two directions will yield more realistic predictions concerning global warming and seagrass ecosystems and help to develop management policies to protect seagrass ecosystems in a changing world.

Dimethylsulfide (DMS) and its algal metabolite precursor, dimethylsulfoproprionate (DMSP), are major players in the oceanic and atmospheric sulfur cycle. DMS is the most abundant volatile organic sulfur compound in the upper ocean and its global emission accounts ca. 28 Tg S per year, thus representing the main natural source of sulfur to the troposphere and about 30% of the global (including anthropogenic) sulfur emissions. DMS cycle has been the subject of hundreds of studies over the last 27 years because of its hypothesized role in climate regulation (CLAW hypothesis), where it has been postulated to regulate the number of cloud condensation nuclei over the oceans and hence reduce the total amount of solar radiation reaching the Earth's surface. However, this simplistic view has not been proven so far as the relationship between oceanic DMS concentrations and solar radiation is complex and involves several different actors. Both DMS and DMSP (hereafter referred together as DMS(P)) concentrations are variable in the surface ocean and physics, chemistry and biology in the photic upper layer all play important roles in their cycling, from DMSP biosynthesis to DMS ventilation, with their relative importance varying amongst the diversity of biomes and pelagic ecosystem settings encountered in the world's oceans. Hence, predicting DMS at a global scale needs an intricate understanding of processes affecting its cycle at all temporal and spatial scales. The premise of the thesis is to contribute to a better understanding of the different physical, chemical and biological drivers that shape the DMS(P) cycle in polar, tropical and sub- tropical oceanic environments from very short to longer term temporal scales. This work combines an extensive database of DMS measured at low and high frequency, in different regions and across environmental gradients, and at temporal scales that span from minutes to seasons. In the short term (minutes to hours) , exposure to UVR seems to play an important role in the physiological response of phytoplankton cells and DMS(P) production. Solar radiation also dictates the pace of variability in DMS concentration over diel (day-night) cycles, where DMS seems to be surprisingly coupled to photobiological clocks. However, while gross biological DMS production generally increases with light exposure, concentration depends on the net effect of production and losses by photolysis, microbial consumption and ventilation. As a result, no single pattern for diel DMS oscillations is valid for the global oceans. Extensive data gathering across many biogeographical provinces in the tropical and subtropical oceans confirmed that DMS distribution is better explained by abiotic factors (solar radiation, vertical mixing, light absorption by organic matter) and phytoplankton physiology (efficiency of photosystem II) than by indicators of plankton abundance and general activity. Our work also shows that inferences about the causes of the variability of DMS depend on the frequency of the data collection. During a circumnavigation cruise, data collected at low frequency translated into relatively low variation factor (5.1) within individual biogeochemical provinces. In contrast, high frequency data revealed much higher variation factor (96) because of the capture of sub-mesoscale variability. Statistical work on high frequency data showed that critical variability distances for DMS average 15 and 50 km for coastal and open ocean marine provinces, respectively. DMS distribution patchiness increases with productivity and latitude, with important implication for designing fieldwork and computational mapping of DMS concentration and emissions. Overall, this thesis sheds light on the complex interplay of physical, chemical and biological variables in the DMS cycle and emphasizes the difficulty of finding simple environmental drivers of quantitative applicability at global scales.<br>El dimetilsulfur (DMS) i el seu precursor algal dimetilsulfoniopropionat (DMSP) són part fonamental del cicle del sofre als oceans i l’atmosfera. El DMS és el compost volàtil de sofre més abundant a l’oceà superficial, que n’emet a l’atmosfera una quantitat aproximada de 28 Tg S l’any. Això representa la principal font natural de sofre a la troposfera, i aproximadament un terç de l’emissió global de sofre, incloent-hi l’antropogènica. El cicle del DMS ha estat objecte de centenars d’estudis en els darrers 27 anys, motivats sobretot per la hipòtesi CLAW que proposava que el DMS és la principal font de nuclis de condensació de núvols sobre els oceans i, d’aquesta manera, ajuda a regular la quantitat de radiació solar que arriba a la superfície de la Terra i, de retruc, el clima. Aquesta hipòtesi, avui vista com a simplista, no s’ha arribat a provar totalment, sobretot perquè la relació entre radiació solar i concentració i emissió de DMS és complexa i hi intervenen múltiples factors. Tant la concentració del DMS com la del DMSP (que referim conjuntament com a DMS(P)) varien força en l’oceà superficial com a resultat de processos que van de la biosíntesi del DMSP a la ventilació del DMS. Aquests processos, a la vegada, responen a factors i actors físics, químics i biològics, la importància relativa dels quals varia entre biomes i configuracions de l’ecosistema pelàgic. Com a conseqüència, predir la distribució del DMS a escala global demana un coneixement profund de tots els processos implicats, a totes les escales temporals i espacials. L’objectiu general de la tesi és contribuir a conèixer millor els factors físics, químics i biològics que governen el cicle dels DMS(P) en aigües polars, subtropicals i tropicals a escales temporals molt diverses. El treball combina una base de dades extensa de mesures de DMS obtingudes a baixa i alta freqüència, en regions diverses, a través de gradients ambientals, i d’escales de temps que van des dels minuts fins a les estacions de l’any. A més curt termini (minuts a hores), l’exposició a la llum UV sembla jugar un paper important en la resposta fisiològica del fitoplàncton i la subseqüent producció de DMS(P). La radiació solar també dicta el ritme de variació de la concentració de DMS en cicles dia-nit, en què el DMS es mostra sorprenentment acoblat amb els rellotges fotobiològics. Tanmateix, malgrat que la producció biològical bruta de DMS generalment augmenta amb l’exposició a la llum, la concentració depèn de l’efecte net d’aquesta producció amb les pèrdues per fotòlisi, consum microbià i ventilació. Al capdavall, no sembla que hom pugui definir un patró d’oscil·lació dia-nit únic per al DMS a l’oceà global. L’obtenció de dades en moltes províncies oceàniques tropicals i subtropicals va confirmar que la distribució del DMS s’explica millor amb factors abiòtics tals com la radiació solar, la barreja vertical, l’absorció de la llum per la matèria orgànica, i també per factors de fisiologia de fitoplàncton, com l’eficiència del fotosistema II, més que amb els indicadors d’abundància i activitat general del plàncton. El treball mostra també que les inferències que hom pugui fer sobre les causes de variabilitat de la concentració del DMS depenen força de la freqüència d’observació. En una campanya de circumnavegació, les mesures fetes a baixa freqüència mostraven, per a una província donada, una amplitud de variació d’un factor de 5. En la mateixa província, les mesures d’alta freqüència mostraven una amplitud d’un factor de 96, perquè capturaven la variabilitat de mesoescala i submesoescala. L’anàlisi estadística de les dades d’alta freqüència va mostrar que les distàncies de variabilitat crítiques per al DMS eren de 15 i 50 km per aigües més costaneres i més oceàniques, respectivament. Les distàncies d’heterogeneïtat en la distribució del DMS es fan més curtes amb la latitud i com més productives són les aigües. Això té implicacions importants en el disseny de treball de camp i en els esforços de ‘mapejat’ computacional. En conjunt, la tesi aporta llum a la complexitat de les interaccions que intervenen en el cicle del DMS, i ressalta la dificultat de trobar una relació simple que permeti predir la concentració i emissió del DMS en qualsevol punt de l’oceà global a partir de variables ambientals conegudes.

Pappelsorten (Populus) für den Anbau in Kurzumtriebsplantagen sollten neben einer hohen Biomasseproduktion und der Vermehrbarkeit über Steckhölzer auch Trockentoleranz aufweisen. Trockenheit stellt einen wichtigen abiotischen Stressor dar, der das Wachstum der Pflanze, ihre Vitalität und ihre Produktivität negativ beeinflussen kann. Polyploide Sorten von Getreidepflanzen (Triticum), krautigen Pflanzen (Lonicera, Spathiphyllum und Nicotiana) aber auch Baumarten (Betula) zeigen eine höhere Toleranz gegenüber Stress, wie z.B. Trockenstress, im Vergleich zu Sorten mit niedrigerem Ploidiegrad. Hybridaspen Populus tremula (L.) x P. tremuloides (Michx.) der Sektion Populus können auch auf Grenzertragsböden ökonomische Zuwächse verzeichnen, auf denen andere Baumarten ausfallen. Den Hybridaspen fehlt allerdings die Vermehrbarkeit über Steckhölzer. Anderen Pappelarten der Sektionen Tacamahaca und Aigeiros wie beispielsweise P. nigra (L.) and P. trichocarpa (Torr. & Gray) x P. deltoides (Bartram ex Marsh) zeigen diese entscheidende Eigenschaft. Da Kreuzungen zwischen den Sektionen Populus und Tacamahaca oder Aigeiros auf natürlichem Weg schwierig sind, wurde die Methode der somatischen Hybridisierung eingesetzt. Der Klon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') wurden als ein Fusionspartner und einer der Klone P. x canescens (INRA clone No. 717 1‑B4), P. nigra oder P. trichocarpa x P. deltoides (B19) als zweiter Fusionspartner in Hybridisierungsexperimenten verwendet. Blattmorphologisch und durch Mikrosatellitenanalysen konnten die erhaltenen Fusionsprodukte dem Ausgangsklon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zugeordnet werden, wiesen dabei aber einen tetraploiden Chromosomensatz auf. In der vorliegenden Dissertation war das zentrale Ziel, Trockenstressreaktionen tetraploider Hybridaspenlinien (HAL) im Vergleich zur diploiden Ausgangslinie P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zu untersuchen. Dazu wurden die folgenden Fragen aufgestellt. (i) Sind die tetraploiden HAL dem diploiden Ausgangsklon unter Trockenheit überlegen z.B. hinsichtlich des Wasserverbrauchs und des Verwelkungs- und Vertrocknungszeitpunktes der Blätter? (ii) Unterscheiden sich die tetraploiden HAL von dem diploiden Ausgangklon in morphologischen Ausprägungen wie beispielsweise der Stomatamorphologie, der Höhe, der Biomasse und der Gesamtblattfläche? (iii) Ist die höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL durch den erhöhten Ploidiegrad verursacht? (iv) Zeigen die tetraploiden HAL unter Trockenstress früh physiologische Veränderungen im Kohlenhydratgehalt, dem relativen Blattwassergehalt und der stomatären Leitfähigkeit? (v) Gibt es genetische Modifikationen abgesehen von der Tetraploidie wie z.B. Duplikationen und Deletionen, die eventuell Einfluss auf das Trockensressverhalten haben könnten? In einem ersten Experiment wurden vier tetraploide HAL untersucht. Zwei HAL zeigten einen geringeren Wasserverbrauch und drei HAL eine spätere Verwelkung als der diploide Ausgangsklon. Außerdem entwickelten die tetraploiden HAL eine geringere Stomatadichte, größere Stomata und eine vergleichbare oder geringere Höhe, Biomasse und Gesamtblattfläche im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Das zweite Experiment wurde mit vier diploiden und 16 weiteren tetraploiden HAL durchgeführt. Auch die diploiden Linien stammten aus Protoplastenfusions-experimenten. Die tetraploiden HAL wiesen im Mittel eine höhere Überlebensrate als die diploiden HAL auf, entwickelten aber durchdschnittlich ein geringeres Höhenwachstum. Unter Berücksichtigung der Höhe verwelkten 11 tetraploide, aber keine diploide HAL später als der diploide Ausgangsklon. In einem dritten Experiment wurden zwei Linien aus dem zweiten Experiment ausgewählt, die vergleichbares Höhenwachstum zeigten, aber später verwelkten als der diploide Ausgangklon. Es wurden physiologische Merkmale wie der Wasserverbrauch und der Verwelkungszeitpunkt der Blätter beobachtet und der relative Blattwassergehalt, die stomatäre Leitfähigkeit und der Kohlenhydratgehalt in einer Zeitreihe untersucht. Geringerer Wasserverbrauch im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon konnte in beiden tetraploiden HAL gezeigt werden. Diese Beobachtung deckt sich mit dem höheren relativen Bodenwassergehalt der tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Insgesamt spricht das für geringeren Trockenstress in den tetraploiden HAL. Auf der anderen Seite sollte ein geringerer Wasserverbrauch auch eine geringere stomatäre Leitfähigkeit nach sich ziehen. Dies war in den tetraploiden HAL nicht durchgehend der Fall. Relativ zur Kontrolle konnten die tetraploiden Linien aber eine höhere stomatäre Leitfähigkeit bei Bodenwassergehalten aufrechterhalten, bei denen die diploide Ausgangslinie bereits ihre Stomata geschlossen hatte. Dies weist ebenfalls auf eine höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL hin. Genetische Modifikationen wie beispielsweise Duplikationen und Deletionen wurden mit Hilfe von “copy number variation”(“Kopienzahlvariation”)-Analysen an drei tetraploiden HAL und der diploiden Ausgangslinie durchgeführt. Die drei tetraploiden Linien zeigten vergleichbares Höhenwachstum, aber spätere Verwelkung als die diploide Ausgangslinie. Bei dieser Analyse konnten nur drei Segmente detektiert werden, die bei allen drei tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon verändert vorlagen. Die putativen Gene der detektierten Segmente wiesen keine Annotation auf. Eine der drei tetraploiden HAL zeigte eine hohe Anzahl von 90 Segmenten, die hier aber weder in dem diploiden Ausgangsklon noch in den beiden anderen tetraploiden Linien erhöht vorlagen. Diese Linie zeigte zwar eine höhere Trockentoleranz als der diploide Ausgangsklon, aber nicht gegenüber der anderen untersuchten tetraploiden HAL (Experiment 3). Beide tetraploiden HAL waren bezüglich des Wasserverbrauchs, des Verwelkungszeitpunktes und der stomatären Leitfähigkeit ähnlich. Dies lässt vermuten, dass die Trockentoleranz durch die Tetraploidie und nicht durch weitere genetische Modifikationen bedingt ist. Trotzdem ist eine weiterführende funktionelle Untersuchung der drei Segmente, die in allen tetraploiden HAL verändert auftraten, sinnvoll, da auch hier ein trockenrelevantes Gen verändert sein könnte. Um eine Relevanz der putativen Gene bezüglich Trockenheit zu testen, könnte zukünftig das Verhalten von Knock-out-Mutanten, denen die entsprechende Sequenz fehlt, unter Trockenstress untersucht werden. Abschließend ist zu bemerken, dass neben den hier untersuchten HAL mehrere hundert Fusionsprodukte in einem Verbundprojekt genetisch charakterisiert wurden. Die Heterofusionsfrequenz war äußerst gering und die Hybriden waren bereits in der in vitro Phase nicht überlebensfähig. Geringe Heterofusionsfrequenz wurde beteits in anderen Arten beobachtet (Cyclamen, Brassicaceae, Fabaceae, Poaceae, Solanaceae). Da in dieser Dissertation nur Homofusionslinien verwendet wurden, wurde die Vermehrbarkeit über Steckhölzer nicht getestet, sondern der Fokus auf das Trockenstressverhalten der tetraploiden Homofusionslinien gelegt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass veränderte morphologische Ausprägungen und eine höhere Trockentoleranz in den HAL mit erhöhten Ploidiegrad auftraten. Dies prädestiniert die tetraploiden Linien für Standorte, an denen Wasser als limitierender Faktor auftritt und hohe Ausfallraten durch Dürre erwartet werden.

This thesis on the topic "Physiology of Plants in Elementary School Botany" consists of theoretical and practical part. The theoretical part focuses on a didactical analysis of the textbooks currently in use and integration of this topic in the valid curricular documentation. It also includes a research part, in which the possibilities of material visual aids used in science teaching are identified. The practical part makes use of these observations. A interactive CD, which includes worksheets on the main areas of plant physiology, has been created based on these observations. The worksheets are in educational text form, include gap-filling activities, and practical - with appropriate experiments. To these, methodology notes for teacher are supplied. The complete version is on the attached CD. Keywords: plant physiology, textbook didactical analysis, worksheet, experiment suggestions, video-material