Understanding the regulation of leaf and plant gas exchange under water stress with a process-based model of stomatal conductance

Abstract

[eng] Water availability is one of the biggest constraints limiting the plant growth and species distribution around the world. This is the case in the Mediterranean region where, moreover, the frequency and amount of rainfall will decrease due to global warming. This will provoke longer periods of drought and a general decrease of water availability. In this context, one of the most vulnerable crops is grapevine. This crop has been traditionally rain-feed, although in recent years it’s becoming an irrigated crop. This increases the demand to regulate the water use by more precise irrigation techniques based on the plant water status. A good physiological indicator that allows knowing the plant water status is stomatal conductance. Although it is widely known the importance of the stoma, there is not an accurate model to predict their behavior as many physiological and environmental parameters co-regulate it. The aims of this thesis are to: a) study the physiological mechanisms regulating stomatal conductance, b) apply a process-based model to predict the behavior of stomatal conductance c) use this model as tool to better understand the physiological stomatal regulation along the canopy. Results show that stoma has a strong regulation by hydraulic conductance being a key physiological parameter regulating water use. In addition, abscisic acid and osmotic adjustment are also playing an important role in their regulation. On the other hand, the mechanistic model of stomatal conductance has been validated predicting with a good accuracy the variations throughout the day and season in well water and water stress conditions. At time, because this model is based on physiological parameters permits to infer about the relevance of those physiological parameters under water stress, predicting that hydraulic conductance has a main role on the regulation of stomatal conductance in different parts of the canopy.

[cat] La disponibilitat d'aigua és un dels majors obstacles que limiten el creixement de les plantes i la distribució a tot el món. Aquest és el cas de la regió Mediterrània, on s’espera que la freqüència i la quantitat de precipitacions disminuiran a causa de l'escalfament global. Aquest fet provocarà períodes més llargs de sequera i una disminució general de la disponibilitat d'aigua. En aquest context, un dels cultius més vulnerables és el de la vinya. El cultiu de la vinya ha estat tradicionalment un cultiu se secà, encara que en els darrers anys s'està convertint en un cultiu de regadiu. Aquest fet augmenta la demanda d’aigua i la necessitat de regular el seu ús amb tècniques de reg més precises basades amb l'estat hídric de la planta. Un dels millors indicadors fisiològics que permeten conèixer l'estat hídric de la planta és la conductància estomàtica. Encara que és àmpliament coneguda la seva importància, no existeix un model precís per prediure el seu comportament. Aquest fet es deu sobretot a que són molts els paràmetres fisiològics i ambientals que co-regulen alhora l’obertura estomàtica. Els objectius d'aquesta tesi doctoral són: a) l'estudi dels mecanismes fisiològics que regulen la conductància estomàtica, b) aplicar un model mecanicista per preveure els valors de la conductancia estomàtica c) i utilitzar aquest model com a eina per comprendre millor la regulació fisiològica dels estomes al llarg de la “canopy”. Els resultats mostren que l'estoma té una forta regulació per part de la conductància hidràulica sent aquest un paràmetre fisiològic clau. A més, l'àcid abscísic i l’ajust osmòtic també estan jugant un paper important en la seva regulació. D'altra banda, el model mecanicista ha estat validat i s’ha observat com ha estat capaç de predir les variacions de gs al llarg del dia i l'estació en condicions d'estrès hídric i de regadiu. Al ser un model mecanicista aquest es pot utilitzar com a eina de predicció dels paràmetres fisiològics. Sent axí s’ha estudiat la la regulació de l’estoma a diferents parts de la “canopy” observant que la conductància hidràulica té un paper principal en la regulació de la conductància estomàtica en les diferents localitzacions estudiades.