Nitrogen nutrition in pine seedlings: the role of organic N in promoting tolerance and acclimation to abiotic stress

Sigala Rodríguez, José Ángel (2020). Nitrogen nutrition in pine seedlings: the role of organic N in promoting tolerance and acclimation to abiotic stress. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Montes, Forestal y del Medio Natural (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65618.

Description

Title: Nitrogen nutrition in pine seedlings: the role of organic N in promoting tolerance and acclimation to abiotic stress
Author/s:
  • Sigala Rodríguez, José Ángel
Contributor/s:
  • Oliet Palá, Juan Antonio
  • Uscola Fernández, María Mercedes
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2020
Subjects:
Freetext Keywords: acclimation; amino acids; ammonium; conifers; frost; nitrate; tolerance = aclimatación; aminoácidos; amonio; coníferas; nitrato; heladas; sequía; tolerancia
Faculty: E.T.S.I. Montes, Forestal y del Medio Natural (UPM)
Department: Sistemas y Recursos Naturales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Nitrogen (N) is one of the limiting factors of primary productivity and plant species diversity in many terrestrial ecosystems. Nitrogen occurs in multiple chemical forms in forest soils, ranging from simple inorganic N forms (NH4+ and NO3-) to organic forms, e.g., amino acids, peptides, and proteins. Nowadays, plants’ ability to uptake organic N forms has been recognized in several plant species from a broad spectrum of ecosystems. Uptake of intact organic N forms by plants would lead to energy- and C-savings, which may be used for biomass construction or support plant energy metabolism. Nitrogen nutrition plays an essential role in plant physiological mechanisms to cope with abiotic stress in pine species. However, how the availability of different N forms, and especially the organic N compounds, affect tolerance and acclimation to abiotic stress is poorly understood. The general objective of this Thesis was to study the effect of the chemical N forms on seedling morpho-physiological traits of ecologically distinct pine species. Notably, we examined how organic N (supplied as amino acids) affects different physiological mechanisms associated with tolerance and acclimation to frost and drought stress. The general hypothesis is that the potential benefits of the organic N utilization would be expressed as a stimulated growth of seedlings and (or) in boosting their tolerance and acclimation mechanisms to abiotic stress, and these effects would depend on the physiology and growth habit of the species. For this dissertation, five pine species have been employed as model plants. We used ecologically distinct species with contrasted growth habit during the seedling stage, either determinate or indeterminate shoot growth. We carried out three experiments to address the objective and the hypothesis of the Thesis. In the first experiment (Chapter 2), we studied morpho-physiological responses to organic N supply (amino acids) at two N doses in Pinus halepensis Mill. and Pinus sylvestris L. Subsequently, we assessed the ability of the organic-N fed seedlings to develop frost tolerance during the cold season compared with those under conventional inorganic-N fertilization (NH4NO3). In the second experiment (Chapter 3), we investigated morpho-physiological changes as influenced by the N forms in one-year-old Pinus ponderosa Dougl. ex Laws seedlings. The seedlings were fertilized for 10 weeks at 9 mM N with different N forms (either NH4+, NO3-, or organic N) during their second growing season. We measured traits associated with intrinsic drought tolerance after fertilization, but we also evaluate plant acclimation mechanisms to an 8-week drought period at varying drought intensities. In the last experiment (Chapter 4), we examined the effects of the N form in growth and physiological traits linked with drought tolerance and acclimation in seedlings of two ecologically distinct pine species: Pinus engelmannii Carr. and P. greggii Engelm. ex Parl. var. greggii. Seedlings were grown under different N forms: NO3-, NH4+, organic N, and a mixture of the tree N forms. Then, drought tolerance of seedlings was assessed in two contexts: symplastic-related responses to a high-intensity drought and shifts in physiological mechanisms for acclimation during a prolonged drought period. Results of the first experiment (Chapter 2) confirmed that both P. sylvestris and P. halepensis show as suitable growth with organic N supply as when they grow in inorganic N sources. At low N availability, both species had acute P deficiency when grown with inorganic N, but not with organic N. Likewise, when grown at high N rates, organic-N improved chlorophylls concentration. Both species increased their frost tolerance through time, especially during late autumn, though it was not appreciably greater in organic-N than inorganic N supplied seedlings. However, organic-N supply seemed to boost cold acclimation via increases of compatible solutes, such as soluble sugars and proline. Consequently, we suggested that the extent the species depend on such compounds for cold acclimating will determine the benefits of organic N supply. Further, while organic N supply delayed the shoot growth cessation in P. sylvestris or stimulated secondary growth in P. halepensis during winter, it did not have detrimental effects on the frost tolerance of both species. In subsequent experiments, we also demonstrated that pine seedlings could efficiently use amino acids as a primary N source, showing similar performance to those grown with inorganic N forms. Indeed, organic-N fertilization induced similar needle N concentration in P. ponderosa as NH4+, but higher than NO3- (Chapter 3). Likewise, in P. greggii, organic N triggered higher shoot growth than NO3- and greater biomass allocation to roots than NH4+ (Chapter 4). Organic N fertilization did not support intrinsic tolerance to dehydration before acclimation. Organic-N fed seedlings tended to have an earlier loss of turgor and photosynthesis than those grown with the inorganic N forms. Nevertheless, we found that damage to photosynthetic machinery due to high intensity drought is somehow diminished in seedlings grown with organic N. This effect was particularly evident in P. engelmannii seedlings (Chapter 4). Overall, the N form appeared to influence drought-acclimation mechanisms rather than intrinsic dehydration-tolerance. For instance, in as P. ponderosa and P. greggii, seedlings grown with either organic N or NH4+ had a better performance under prolonged drought than NO3--fed seedlings. Notably, some acclimation responses, including biomass partitioning, leaf water use efficiency, or proline accumulation, were boosted by organic N fertilization. The general conclusion of this Thesis is that the potential energy- and C-savings of the organic N utilization are used in multiple functions, such as biomass construction, reserves, and support plant physiological acclimation to abiotic stress. Notably, fast-growing species are more plastic to N forms, and the benefits of organic N seems to be expressed in multiple functions, instead of maximizing a single process. ----------RESUMEN---------- El nitrógeno (N) es uno de los factores clave que limitan la productividad primaria y la diversidad de especies vegetales en muchos ecosistemas terrestres. El N está presente en múltiples formas químicas en los suelos forestales, desde formas inorgánicas simples (NH4+ y NO3-) hasta formas orgánicas, ej., aminoácidos, péptidos y proteínas. Actualmente, se reconoce la capacidad de muchas especies forestales en un amplio espectro de ecosistemas para adquirir formas orgánicas de N. La adquisición de formas intactas de N orgánico podría traducirse en ahorro energético y de carbono para las plantas, que pueden ser usados en la construcción de biomasa o en apoyar el metabolismo energético. El N juega un papel esencial en los mecanismos fisiológicos de las plantas para hacer frente al estrés abiótico. Sin embargo, no se comprende bien cómo la disponibilidad de diferentes formas de N y, especialmente, de los compuestos de N orgánicos afectan a la tolerancia y a la aclimatación al estrés abiótico en plantas de pino. El objetivo general de esta Tesis fue estudiar el efecto de las formas químicas de N en atributos morfo-fisiológicos de plantas de especies de pino ecológicamente distintas. Particularmente, se examinó cómo el N orgánico (suministrado en forma de aminoácidos) afecta a los diferentes mecanismos fisiológicos asociados con la tolerancia y aclimatación al estrés por frío y sequía. La hipótesis general es que los beneficios potenciales de la utilización del N orgánico podrían expresarse en un mejor crecimiento de las plantas y (o) en mejorar sus mecanismos de tolerancia y aclimatación al estrés abiótico, siendo el efecto dependiente de la fisiología y del hábito de crecimiento de las especies. Para esta Tesis, se emplearon cinco especies de pino como plantas modelo. Se usaron especies ecológicamente distintas y con hábitos de crecimiento contrastados en su etapa juvenil, ya sea de crecimiento determinado o indeterminado. Se llevaron a cabo tres experimentos para abordar el objetivo y la hipótesis de la Tesis. En el primer experimento (Capítulo 2), se estudiaron las respuestas morfo-fisiológicas en plantas de Pinus halepensis Mill. y Pinus sylvestris L. a la fertilización con N orgánico (aminoácidos) en dos dosis de N. Posteriormente, se evaluó la capacidad de las plantas fertilizadas con N orgánico de desarrollar tolerancia a heladas durante el periodo invernal comparadas con aquellas cultivadas con una fertilización convencional basada en N inorgánico (NH4NO3). En el segundo experimento (Capítulo 3), se investigaron cambios morfo-fisiológicos influenciados por las formas de N en plantas de Pinus ponderosa Dougl. ex Laws. Las plantas durante su segundo periodo de crecimiento fueron fertilizadas durante diez semanas con diferentes formas de N a 9 mM N (sea NH4+, NO3-, o N orgánico). Se midieron atributos asociados con la tolerancia intrínseca a la desecación después de fertilización. Después, se evaluaron mecanismos de aclimatación a diferentes intensidades de sequía durante un período de ocho semanas. En el último experimento (Capítulo 4), se examinaron los efectos de la forma de N en el crecimiento y en los atributos fisiológicos vinculados con la tolerancia y la aclimatación a la sequía en plantas de dos especies ecológicamente distintas: Pinus engelmannii Carr. y P. greggii Engelm. ex Parl. var. greggii. Las plantas fueron cultivadas con distintas formas de N: NO3-, NH4+, N orgánico y una mezcla de las tres formas de N. Después, se evaluó la tolerancia a la sequía en dos contextos: respuestas a nivel simplástico a una sequía corta y severa; y cambios en los mecanismos fisiológicos de aclimatación durante un periodo de sequía moderada pero prolongada. Los resultados del primer experimento (Capítulo 2) confirmaron que tanto P. sylvestris como P. halepensis presentaron un crecimiento adecuado tanto con la fertilización con N orgánico como cuando se cultivaron con fuentes de N inorgánico. A baja disponibilidad de N, ambas especies tuvieron severas deficiencias de fósforo (P) cuando se cultivaron con N inorgánico, pero no así con N orgánico. Asimismo, cuando las plantas se cultivaron a altas dosis de N, el N orgánico aumentó la concentración de clorofilas. Ambas especies incrementaron su tolerancia a heladas con el tiempo, especialmente durante finales del otoño, aunque esta no difirió entre plantas fertilizadas con N orgánico y con N inorgánico. Sin embargo, la fertilización con N orgánico podría haber estimulado el endurecimiento mediante un aumento de la concentración de solutos compatibles, como azúcares solubles y prolina. En consecuencia, se sugiere que los efectos de la fertilización con N orgánico podrían depender de la medida en que tales osmolitos contribuyen al endurecimiento de las especies de pino. Además, si bien la fertilización con N orgánico retardó el cese de crecimiento en P. sylvestris y estimuló el crecimiento secundario en P. halepensis durante el invierno, no redujo la tolerancia a heladas en ninguna de las especies. En los experimentos posteriores, también se demostró que las plantas de pino pudieron usar eficientemente los aminoácidos como fuente primaria de N, mostrando un desempeño similar a aquellas cultivadas con formas inorgánicas de N. De hecho, en P. ponderosa, la fertilización con N orgánico indujo una concentración de N en acículas similar al NH4+ pero superior al NO3- (Capítulo 3). Asimismo, en P. greggii, el N orgánico indujo un mayor crecimiento que el NO3- y mayor asignación de biomasa a las raíces que el NH4+ (Capítulo 4). La fertilización con N orgánico no incrementó la tolerancia intrínseca a la desecación sin aclimatación previa. Las plantas cultivadas con N orgánico presentaron una pérdida de turgencia y de fotosíntesis moderadamente más temprana que aquellas cultivadas con formas de N inorgánico. No obstante, el daño en la maquinaria fotosintética debida a una sequía de alta intensidad pareció disminuir en plantas fertilizadas con N orgánico. Este efecto fue especialmente evidente en plantas de P. engelmannii (Capítulo 4). En general, la forma de N pareció influir en los mecanismos de aclimatación a la sequía en lugar de en la tolerancia intrínseca a la desecación. Por ejemplo, en P. ponderosa y P. greggii, las plantas cultivadas con N orgánico o NH4+ presentaron un mejor desempeño bajo escenarios de sequía prolongada, en comparación con las plantas fertilizadas con NO3-. Especialmente, algunas respuestas de aclimatación, incluyendo distribución de biomasa, eficiencia en el uso de agua en hojas, o la acumulación de prolina, fueron mejorados mediante la fertilización con N orgánico. La conclusión general de esta Tesis es que el ahorro de energía y el de C derivados de la utilización del N orgánico son utilizados en diferentes funciones, como la construcción de biomasa, las reservas, y en mecanismos fisiológicos de aclimatación al estrés abiótico. Particularmente, las plantas de rápido crecimiento fueron más plásticas a las fuentes de N, y los beneficios del uso de N orgánico parecerían estar expresados en múltiples funciones, en lugar de maximizar un único proceso.

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Item ID: 65618
DC Identifier: https://oa.upm.es/65618/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65618
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65618
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 28 Oct 2021 05:40
Last Modified: 01 May 2022 22:30
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