One problem, many solutions: investigating how plant physiology and metabolome shape plant water use and drought resistance strategies

Abstract

Els ecosistemes dominats per plantes llenyoses són importants reservoris de biodiversitat clau per regular les condicions climàtiques. Tot i això, la vegetació es veu greument amenaçada per les temperatures elevades i els canvis en els règims de precipitació causats pel canvi global, amb canvis potencialment dramàtics en la composició i el funcionament de la vegetació a nivell mundial, com esdeveniments de mortalitat forestal. S'ha reconegut que la sequera és un determinant clau del funcionament i la dinàmica de la vegetació, i cada vegada és més important comprendre com les plantes responen a l'estrès per identificar quines espècies són més vulnerables al canvi global. Aquí utilitzem un marc conceptual nou per estudiar com les plantes responen a la sequera en què distingim explícitament entre l'exposició a l'estrès, els trets funcionals, les respostes fisiològiques i el metaboloma (incloent-hi el metabolisme primari i l’especialitzat). Apliquem aquest marc conceptual en el context d’un experiment de simulació de sequera amb 20 espècies de plantes llenyoses mediterrànies amb nivells contrastants de resistència a la sequera. Els nostres resultats mostren que els trets funcionals estan coordinats i interactuen significativament amb l'exposició de les plantes a l'estrès, modulant-ne les respostes fisiològiques a la sequera. Tot i presentar una regulació menys estricta de l'ús de l'aigua, sembla que les espècies resistents a la sequera són més capaces de mantenir la hidratació dels teixits foliars en condicions de sequera. A més, el metaboloma de la fulla està estretament vinculat a trets relacionats amb l'ús i l'assignació de recursos foliars, que van des d'espècies de fulla caduca que tenen fulles relativament més adquisitives fins a espècies de fulla perenne amb fulles relativament més conservatives. A més, les nostres dades apunten a la forta especificitat de les respostes fisiològiques i metabolòmiques de les diferents espècies a la sequera, en funció de l'estratègia de tolerància a la sequera de cada espècie. Finalment, mostrem que les respostes fisiològiques i metabòliques a l'estrès per sequera estan altament relacionades, i hi ha majors respostes metabòliques en espècies que presenten una variació més gran en l'estat hídric de les fulles (estratègia de tolerància a la sequera). Els nostres resultats donen suport a l'ús del nostre nou marc conceptual per comprendre millor les respostes de les plantes a la sequera en el context del canvi climàtic accelerat.

Los ecosistemas dominados por plantas leñosas son importantes reservorios de biodiversidad clave para regular las condiciones climáticas. Sin embargo, la vegetación se ve gravemente amenazada por las temperaturas elevadas y los cambios en los regímenes de precipitación causados por el cambio global, con cambios potencialmente dramáticos en la composición y funcionamiento de la vegetación a nivel mundial, como los eventos de mortalidad forestal. Se ha reconocido que la sequía es un determinante clave del funcionamiento y la dinámica de la vegetación, y cada vez es más importante comprender cómo las plantas responden al estrés para identificar qué especies son más vulnerables al cambio global. Aquí, utilizamos un marco conceptual novedoso para estudiar cómo las plantas responden a la sequía en el que distinguimos explícitamente entre la exposición al estrés, los rasgos funcionales, las respuestas fisiológicas y el metaboloma (incluyendo el metabolismo primario y especializado). Aplicamos este marco conceptual en el contexto de un experimento de simulación de sequía con 20 especies de plantas leñosas mediterráneas con niveles contrastantes de resistencia a la sequía. Nuestros resultados muestran que los rasgos funcionales están coordinados e interactúan significativamente con la exposición de las plantas al estrés, modulando las respuestas fisiológicas de las plantas a la sequía. A pesar de presentar una regulación menos estricta del uso del agua, las especies resistentes a la sequía parecen ser más capaces de mantener la hidratación de los tejidos foliares en condiciones de sequía. Además, el metaboloma de la hoja está estrechamente vinculado a rasgos relacionados con el uso y la asignación de recursos foliares, que van desde especies de hoja caduca que tienen hojas relativamente más adquisitivas hasta especies de hoja perenne con hojas relativamente más conservativas. Además, nuestros datos apuntan a la fuerte especificidad de las respuestas fisiológicas y metabolómicas de las distintas especies a la sequía, en función de la estrategia de tolerancia a la sequía de cada especie. Finalmente, mostramos que las respuestas fisiológicas y metabólicas al estrés por sequía están altamente relacionadas, encontrándose mayores respuestas metabólicas en especies que presentan una mayor variación en el estado hídrico de las hojas (estrategia de tolerancia a la sequía). Nuestros resultados respaldan el uso de nuestro novedoso marco conceptual para comprender mejor las respuestas de las plantas a la sequía en el contexto de cambio climático acelerado.

Woody plant ecosystems are important biodiversity repositories key to regulating climatic conditions. However, vegetation is severely threatened by elevated temperatures and changes in precipitation regimes driven by global change, with potential dramatic worldwide changes in vegetation composition and functioning, such as forest dieback events. Drought has been recognised as a major driver of vegetation functioning and dynamics, and it is becoming increasingly important to understand how plants respond to stress to assess which species are more vulnerable to global change. Here, we use a novel conceptual framework to study how plants respond to drought in which we explicitly distinguish between exposure to stress, functional traits, physiological and metabolomic responses (including primary and specialised metabolites). We apply this framework in the context of a drought simulation experiment with 20 Mediterranean woody plant species with contrasting levels of drought resistance. Our results show that functional traits are coordinated and significantly interact with plant exposure to stress in modulating plant physiological responses to drought. Despite presenting a less stringent regulation of water use, drought-resistant species appear better able to maintain tissue hydration under drought conditions. Moreover, the leaf metabolome is tightly linked to leaf resource use and allocation traits, ranging from deciduous species with relatively more acquisitive leaves to evergreen species with relatively more conservative leaves. Furthermore, our data point to the strong species-specificity of plant physiological and metabolomic responses to drought, following each species' drought tolerance strategy. Finally, we show that physiological and metabolic responses to drought stress are highly correlated, with stronger metabolic responses found in species that present a wider variation in leaf water status (drought-tolerant strategy). Our results support the use of our novel conceptual framework to better understand plant responses to drought in the context of accelerated climate change.