Informe de investigación

Medición óptica de la vulnerabilidad del xilema del tallo 1 [ABIERTO]

Timothy J. Brodribb, a, 2 Marc Carriqui, si Sylvain Delzon, C y Christopher Lucani una

una Escuela de Biología, Universidad de Tasmania, Hobart 7001, Australia.
si Departamento de Biología, Universitat de les Illes Balears, Palma, Illes Balears, España
C BIOGECO, INRA, Universidad de Burdeos, 33610 Pessac, Francia

ID de ORCID :font>0002-4964-6107 (TJB); Icsoft0002-0153-2602 (MC); Font>0003-3442-1711 (SD); Icsoft0001-8983-3575 (CL).

La vulnerabilidad de los tejidos de transporte de agua de las plantas a una pérdida de función por cavitación durante el estrés hídrico es un indicador clave de las capacidades
de supervivencia de las especies de plantas durante la sequía. La cuantificación de esta importante métrica ha sido muy avanzada mediante técnicas no invasivas que permiten
ver las embolias directamente en el sistema vascular. Aquí, presentamos un nuevo método para evaluar la propagación espacial y temporal de las burbujas de embolización en
el xilema del tallo durante el estrés hídrico impuesto. Demostramos cómo el método óptico, utilizado previamente en las hojas, puede adaptarse para medir la vulnerabilidad al
xilema de los tallos. La validación de la técnica se lleva a cabo midiendo la vulnerabilidad al xilema de 13 coníferas y dos angiospermas de vesícula corta y comparando los
resultados con las mediciones realizadas con el método de centrífuga Cavitron. fi RMS la fiabilidad de la nueva técnica óptica y abre el camino a la simple, ef fi evaluación confiable
y eficiente de la vulnerabilidad del tallo utilizando el estándar fl escáneres, cámaras o microscopios.

En los traqueofitos modernos, la cavitación de xilema constituye una perturbar sustancialmente el sistema vascular antes de la medición
limitación fundamental para la funcionalidad de los sistemas de transporte de (Ennajeh et al., 2011; Rockwell et al.,
agua. Como consecuencia, la capacidad de las especies para resistir o evitar 2014). Un avance sustancial en los últimos años ha sido el uso de
la cavitación forma un eje primario de adaptación y variación ecológica entre tecnología de imágenes que permite ver el agua dentro de las plantas
las plantas terrestres (Xu et al., 2016). Sin embargo, a pesar de las tremendas intactas, revelando la ubicación y la formación de embolias dentro de los
percepciones ecológicas y fisiológicas que esperan una comprensión detallada tallos (Brodersen et al.,
de los límites y la propagación de la cavitación xilimétrica en especies de 2013), raíces (Cuneo et al., 2016), hojas (Bouche et al., 2016; Brodribb et
plantas, el rápido progreso se ha visto limitado por las diferencias técnicas. fi Culturas al., 2016a; Scoffoni et al., 2017), y
Estos dif fi Los cultivos se asocian en gran medida con la replicación, en fl Owers (Zhang y Brodribb, 2017). Estos estudios han cambiado sustancialmente
condiciones experimentales, del entorno hidráulico metaestable que nuestra visión de la cavitación y reparación del xilema, lo que indica que la
caracteriza el agua. fl debido al xilema cuando se expone a las grandes cavitación puede propagarse rápidamente entre los órganos de las plantas
tensiones que existen durante la transpiración rápida o el agua del suelo fi cit (Skelton et al., 2017) y que los bloqueos de aire (embolias) no se reparan
(Cochard et al., 2013). rápidamente en los árboles después del regado (Charrier et al. , 2016; Choat et
al.,
2016) La cavitación ahora se ve ampliamente como un daño a largo plazo en el
La mayoría de los métodos tradicionales para cuantificar el grado de embolia sistema de transporte de agua de los árboles que ocurre bajo señalización. fi el
de xilema requieren la escisión de partes de la planta (tallos, raíces u hojas), lo estrés hídrico no puede y eso se repara mediante el nuevo crecimiento del nuevo
que hace que el aire o el agua exógena sean succionados rápidamente en la tejido de xilema (Brodribb et al., 2010; Cochard y Delzon, 2013).
vasculatura, por lo tanto
Las imágenes con rayos X proporcionan información espacial inigualable
sobre dónde ocurre la cavitación en los tallos y se pueden usar para determinar
1 Este trabajo fue apoyado por el Consejo de Investigación Australiano (otorga la vulnerabilidad del xilema a la cavitación en especies de plantas (Choat et al.,

DP170100761 a TJB) y por un Premio de Postgrado a CL;

2016; Nolf et al.,
MC recibió una beca de viaje de la Fundación Bancaria La Caixa y de la Conselleria d ' Educació, 2017) Sin embargo, la naturaleza dañina del haz de rayos X significa que las
Cultura i Universitats (Govern de les Illes Balears) y una beca predoctoral del Fondo Social imágenes de alta frecuencia durante las horas y días necesarios para deshidratar
Europeo (FPI / 1700/2014). las plantas al estrés hídrico sufren fi No es posible provocar la cavitación. La
resonancia magnética, por otro lado, puede proporcionar información espacial y
2 Dirección de correspondencia a timothyb@utas.edu.au. El autor responsable de la
temporal sobre la cavitación, pero la baja resolución de la imagen (tamaños de
distribución de materiales integrales a la
píxeles más grandes que los vasos de la mayoría de las especies) significa que la
fi Los hallazgos presentados en este artículo de acuerdo con la política descrita en las
resonancia magnética solo puede usarse para resolver embolias en especies con
Instrucciones para los autores (www.plantphysiol.org) son: Timothy J. Brodribb (
vasos muy grandes. Ambas técnicas requieren hardware grande y costoso y
timothyb@utas.edu.au ).
actualmente no se pueden utilizar en el fi campo, por lo que tiene una aplicación
TJB concibió los planes de investigación originales; TJB y SD super-
visionado los experimentos; MC, SD, CL y TJB realizaron la mayoría de los experimentos.
limitada para medir grandes tamaños de muestra. Recientemente se desarrolló una
alternativa a estos métodos intensivos en hardware utilizando un
[ABIERTO] Los artículos se pueden ver sin suscripción.

www.plantphysiol.org/cgi/doi/10.1104/pp.17.00552

2054 Fisiología de las plantas , Agosto de 2017, vol. 174, págs. 2054 - 2061, www.plantphysiol.org 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
 Vulnerabilidad óptica en tallos

Técnica óptica que mide los cambios en la transmisión visual de la luz la fisiología está en la predicción de la mortalidad de los árboles (Anderegg
causados ​por la cavitación en las venas de las hojas (Brodribb et al., 2016a, et al., 2015) y la distribución de especies (Larter et al., 2017), y en estas
2016b). Esta técnica se desarrolló siguiendo las observaciones de burbujas aplicaciones, la vulnerabilidad del tallo puede proporcionar una mayor fi mortalidad
de cavitación en traqueidas de coníferas extirpadas (Ponomarenko et al., mortal trillada de hojas. Los estudios de plantas en macetas han
2014) y proporciona información detallada sobre la evolución espacial y demostrado que la falla del talloxilo se corresponde estrechamente con el
temporal de la cavitación en la red de venación de las hojas expuestas al punto de mortalidad de los árboles durante el estrés por sequía aguda
estrés hídrico. La vulnerabilidad calculada del xilema foliar a la cavitación (Brodribb y Cochard, 2009; Urli et al., 2013), como podría esperarse
(expresada como P 50, o potencial hídrico requerido para desactivar el 50% de considerando el hecho de que la embolia del tallo efectivamente aísla las
la función del xilema) usando este método de vulnerabilidad óptica (VO) que hojas del agua del suelo. Es evidente un gradiente de vulnerabilidad de los
coincide estrechamente con el P medido hidráulicamente 50 en hojas tallos a las hojas en algunas especies (Tyree et al., 1993), pero
(Brodribb et al., 2016b), lo que indica la utilidad del método para cuantificar probablemente no en las hierbas (Skelton et al., 2017), y se supone que es
la falla hidráulica. Es importante destacar que el métodoOV requiere solo un fl una forma en que las plantas leñosas protegen su mayor energía. - costosa
escáner o cámara para recopilar información de vulnerabilidad, lo que inversión de tallo por sacri fi cing deja durante la sequía extrema
proporciona un medio rentable y portátil para evaluar la vulnerabilidad del (Zimmermann, 1983; Hochberg et al., 2017). Dada la importancia de
xilema de la hoja. comprender la vulnerabilidad del tallo en las plantas leñosas, buscamos
aquí extender el altamente eficiente fi Método OV cient en hojas a tallos.
Postulamos que el mismo principio utilizado para identificar la cavitación en
las hojas, registrando los cambios en la luz
Aunque el método OV tiene una capacidad demostrada para revelar la
vulnerabilidad de la hoja al estrés hídrico, una de las principales
aplicaciones de la cavitación de xilema

Figura 1. A, un área acumulada de xilema cavitado en un

tallo de muestra de Callitris romboidea se muestra que
aumenta rápidamente aproximadamente 1 día después de
que se extirpó una rama hidratada (tiempo cero) y se dejó
secar. Después de un rápido aumento de la cavitación, la
tasa de nuevo xilema cavitado (cuantificado como el
número de píxeles) vuelve a cero aproximadamente 3 días
después de la escisión. El gráfico de recuadro muestra que
el tamaño de las regiones recién cavitadas visualizadas en
los tallos alcanza un máximo durante la parte más
empinada de la curva. Durante este período, bloques muy
grandes de traqueidas estaban cavitando en el intervalo de
2 minutos entre las exploraciones. B, un área acumulada de
xilema cavitado expresada en función del potencial hídrico
del tallo muestra una curva de vulnerabilidad sigmoidal
clásica. C, un mosaico de mapas de colores muestra la
progresión espacial de la cavitación a través del tiempo en
esta muestra ramificada de 20 mm de largo, la misma
muestra de tallo que en A y B. Se han apilado bloques
secuenciales de 280 imágenes (los números de fotograma
se muestran en la parte inferior de cada mosaico), con
píxeles cavitados coloreados de acuerdo con el potencial
de agua en el que ocurrió la cavitación. En esta muestra,
las ramas más pequeñas demostraron ser ligeramente más
resistentes a la cavitación que la rama principal.

Plant Physiol. Vol. 174, 2017 2055

Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
Brodribb y col.

transmisión causada por una transición de líquido a aire El método centrífugo se ha considerado durante mucho tiempo un método exacto
fi Los conductos llenos de xilema durante la cavitación podrían usarse en para evaluar la vulnerabilidad del xilema, excepto en los casos en que las
tallos. De hecho, se sabe desde hace mucho tiempo que las burbujas de longitudes máximas de los recipientes son similares al diámetro del rotor de la
aire se pueden visualizar en los tallos mediante microscopía de luz centrífuga (Cochard et al., 2013). Por esta razón, nos centramos en un grupo
(Vesque, 1883), y este principio se utilizó hace 80 años como una forma de diverso de encifradoras que carecen de conductos largos de xilema, mientras que
identificar la presencia de agua o aire en las ramas. por la evolución de se incluyeron dos angiospermas de vasos cortos para maximizar la amplitud de la
rayas de colores claros en la madera después de haber sido pinchada con muestra de especies.
un bisturí afilado (Haines, 1935). Aquí, utilizamos el principio de que una
transición de agua a aire fi El conducto lleno durante la cavitación causará
un cambio de color distinto en los conductos visibles, de translúcido
(generalmente oscuro) a re fl tejido activo (blanco). Por lo tanto,
RESULTADOS
cuantificamos cambios espacialmente discretos en el índice de refracción
del tallo. La observación continua de los tallos de secado debería permitir La cavitación se resolvió fácilmente visualmente y podría cuantificarse
registrar y cuantificar el tiempo y el patrón de cavitación. fi ed en relación fácilmente fi ed aplicando diferencia de imagen para distinguir cambios
con mediciones concurrentes del potencial de agua del tallo. rápidos en la luz re fl ección debido a la cavitación del xilema por
movimientos lentos asociados con la deformación de las ramas durante el
secado. El inicio de la cavitación se registró en promedio 1,308 min después
de la escisión de la rama, pero varió de 420 a 2,230 min. En todas las
Para validar de forma cruzada el nuevo método óptico del vástago, especies, el total acumulado de cavitaciones registradas siguió una función
utilizamos un método tradicional de centrífuga hidráulica como referencia aproximadamente sigmoidea, aunque esto
estándar para la comparación. los

Figura 2. Gráficos similares a los de la Figura 1 que

muestran la progresión de la cavitación en un tallo de
la angiosperma Rosmarinus of fi cinalis. A pesar de la
extrema resistencia a la cavitación en este vástago, la
curva de vulnerabilidad muestra una transición muy
pronunciada del 12% al 88% de cavitación. La razón
de esta empinada transición se puede ver claramente
debido a una serie de cavitaciones grandes y largas
entre los cuadros 279 y 333.

2056 Plant Physiol. Vol. 174, 2017

Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
 Vulnerabilidad óptica en tallos

nunca fue una función completamente suave, típicamente puntuada por

bloques de cavitación mayor (Figs. 1 y 2). Estos bloques de cavitación, que
a menudo involucran cientos de traqueidas en las coníferas, generalmente
se hicieron más grandes a medida que el potencial hídrico se acercaba a P 50,
antes de disminuir su tamaño hacia el final del proceso de secado. Por lo
general, se registraron muchos eventos de cavitación en la misma parte de
la raíz debido a las múltiples capas de xilema superpuestas que se
representaron en las diferencias de imagen 2D. El área cavitada total era
típicamente del 150% al 200% del área 2D del tallo expuesto (debido a
múltiples capas de conductos).

La cavitación en las dos especies de angiospermas también parecía

involucrar grupos de conductos, particularmente durante el período de máxima
intensidad de cavitación alrededor de P 50 ( Figura 2). Pero los eventos más
pequeños, presumiblemente representando conductos individuales, a menudo
se observaron como eventos tempranos o como una cola hacia el final del
proceso de cavitación (Fig. 2).

Grandes diferencias en P 50 se registraron entre especies utilizando el

Figura 4. PAGS 50 ( medio 6 6 DAKOTA DEL SUR) para tallos de los mismos individuos medidos con los métodos
método óptico, con medios que van desde
óptico y cavitrón. Se encontró una concordancia muy estrecha en la muestra de coníferas entre los métodos
2 1,2 MPa en Retrophyllum comptonii a 2 9.1 MPa en
(pendiente de regresión, 0,98; r 2 = 0,93). Entre las dos angiospermas muestreadas, se encontró un buen
Diselma archeri. La variación dentro de las especies también fue acuerdo en una especie, mientras que el método de Cavitron produjo un P más negativo 50 en el segundo.
significativa fi no puede en muchas especies, alcanzando un máximo en D. Las pendientes producidas por las dos técnicas (gráfico de recuadro) se correlacionaron ( r 2 = 0,35; PAGS, 0.05),
archeri, donde P 50 osciló entre 2 6.7 y 2 11.2 MPa entre individuos. En pero la técnica óptica produjo una pendiente más pronunciada en 14 de las 16 especies (1: 1 se muestra

promedio, el coef fi cient de variación en P 50 entre las ramas replicadas fue como una línea de puntos en cada parcela).

del 16,2% con el método óptico y del 9,2% con el cavitrón. Las pendientes
medias de las curvas de vulnerabilidad para cada especie (entre 12% y
88% de pérdida de función) se correlacionaron entre los dos métodos, pero
Entre las especies de coníferas, hubo un fuerte acuerdo entre P 50 determinado
el método óptico produjo pendientes más pronunciadas en promedio (Figs.
con la técnica óptica y las técnicas de centrifugación. Una pendiente de
3 y 4).
regresión de
0,997 ( r 2 = 0,93) se encontró entre la óptica y la centrífuga P 50 en las 13
especies de coníferas, y la clasificación de P 50 fue muy similar usando
ambos métodos (Fig. 4).
Una de las dos angiospermas muestreadas mostró un signo fi No puede
haber diferencia entre la óptica y la centrífuga P 50 Aunque ambas técnicas
encontraron R. de fi cinalis muestras para ser altamente resistentes a la
cavitación, P 50 en el centrífugo ( 2 12MPa) fue un 32% más negativo que el
método óptico ( 2 8.1 MPa).

DISCUSIÓN

Aquí se muestra un nuevo método óptico para visualizar el proceso de

cavitación del xilema en plantas para cuantificar la vulnerabilidad del xilema
del tallo a las reducciones inducidas por la cavitación en la función
hidráulica del xilema del tallo. El proceso de daño por cavitación al sistema
vascular del tallo durante el estrés hídrico podría rastrearse en el tiempo y
el espacio en los tallos de una diversidad de especies, incluidas las
coníferas leñosas y las angiospermas. Esta novedosa técnica representa
un nuevo método muy fácil y barato para evaluar la vulnerabilidad del tallo
en especies leñosas utilizando ramas cortadas. En principio, el método
también se puede usar en ramas adjuntas, aunque esto no se probó aquí.

Figura 3. Comparación de la forma de la curva de vulnerabilidad producida por el cavitrón

(círculos negros) y el método óptico usando ramas de los mismos tres individuos de la conífera Lagarostrobos
franklinii. Aunque la media P 50 es muy similar en ambas especies, la pendiente de las curvas La técnica óptica permite la visualización directa del proceso de
entre 12% y 88% fue más pronunciada utilizando el método óptico. cavitación en tallos en condiciones realistas de desecación de la planta (en
oposición a la centrifugación o

Plant Physiol. Vol. 174, 2017 2057

Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
Brodribb y col.

presurización del tallo). Además de su simplicidad, la ventaja de esta técnica asegurando un mínimo de embolia nativa en las muestras medidas.
es que proporciona una visión completa de la progresión espacial y temporal
de la cavitación en los tallos durante el aumento del estrés hídrico. Esta El método óptico evalúa la pérdida en la función del xilema en términos
nueva perspectiva sobre la cavitación del vástago significa que es posible un de un área acumulada de tallo cavitado en cada cuadro de secuencias de
monitoreo continuo de la cavitación del vástago a medida que las burbujas imágenes. Este cálculo basado en áreas no tiene en cuenta lo profundo de fl uence
se propagan axialmente en el vástago durante el desarrollo del aumento del del radio del conducto del xilema, en el orden de r 4, eso debería determinar el fl
agua fi cit. Aunque la validación cruzada de la técnica se realizó utilizando bajo penalización incurrida por la cavitación de cualquier conducto particular
tallos leñosos, la técnica también utiliza especies heredadas, por lo que los en el vástago (Sperry et al., 2006). A pesar de esta aparente limitación, hubo
tallos translúcidos a menudo no requieren la eliminación del floema. un acuerdo muy fuerte en P 50 entre el método óptico (que informa el área de
los conductos cavitados) y el método centrífugo (cuantificación de pérdidas
en la conductancia hidráulica). La explicación del fuerte acuerdo entre las
La dinámica temporal resuelta con precisión de la cavitación del tallo en técnicas a pesar de las diferentes métricas de cavitación es claramente
las coníferas y las angiospermas estudiadas aquí produjo curvas de evidente por la distribución espacio-temporal de la cavitación en los tallos
vulnerabilidad de forma altamente sigmoidal, caracterizadas por un período observada aquí. Most signi fi no puede ser la evolución de la cavitación en
inicial y extendido de desecación del tallo antes de que se registraran grandes bloques de conductos conectados en lugar de conductos discretos,
eventos de cavitación del tallo. Esta forma sigmoidal de vulnerabilidad al particularmente cuando los vástagos se acercan al P 50 potencial de agua.
xilema medida por la técnica de VO coincide estrechamente con la forma de Estos grandes eventos de cavitación interconectados también se ven en
curvas de vulnerabilidad de cavitrón (Lamy et al., 2011) y tomografía imágenes de rayos X de tallos (Choat et al., 2015) y producen una pendiente
computarizada de rayos X (Choat et al., 2016). La mayoría de los datos pronunciada en la curva de vulnerabilidad alrededor de P 50 Suponiendo que
recopilados utilizando métodos tradicionales de secado en banco para la cavitación en los tallos de la centrífuga también se realiza de esta manera,
medir la vulnerabilidad al xilema también producen curvas de vulnerabilidad se esperaría que la P 50 los valores producidos por las dos técnicas estarían
sigmoidea, pero a menudo se informan curvas más lineales en especies de acuerdo. La técnica óptica enfatiza la importancia de las conexiones entre
con xilema altamente resistente al estrés (Markesteijn et al., 2011; Vinya et los conductos más que el tamaño de los vasos individuales, y debido a la
al., 2013). Un bene importante fi t del VO y los métodos de tomografía naturaleza de la propagación de la cavitación, es probable que esto capture
computarizada para evaluar la vulnerabilidad es que informan las con precisión la dinámica de fl baja restricción. Aunque las pendientes de las
respuestas del xilema funcional sin referencia a un fl condición ushed. los fl El curvas de vulnerabilidad producidas por el cavitrón tienden a ser menos
procedimiento de lavado es requerido por otras técnicas hidráulicas, por las profundas que las que utilizan el método óptico, esto puede explicarse por
cuales las muestras son sometidas a alta presión de agua fi Rellene todos las ramas de menor diámetro utilizadas en la técnica óptica frente al cavitrón.
los espacios de aire en la muestra y proporcione una conductancia máxima Pequeño diámetro (3 - Se utilizaron ramas de 6 mm) para las mediciones
teórica. El lavado tiene el potencial de activarse (re fi ll) xilema que no era ópticas para garantizar que las cavitaciones se pudieran visualizar desde
funcional en la planta intacta, así como también para introducir núcleos de todas las profundidades en el tallo. Es probable que las muestras de tallo de
burbujas, los cuales pueden producir curvas de vulnerabilidad erróneas mayor diámetro utilizadas en las mediciones de cavitrón incorporen más de
(Rockwell et al., 2014). un año de crecimiento en la rama muestreada, particularmente

Entre la gama de métodos alternativos para medir la vulnerabilidad del

xilema, el cavitrón se seleccionó aquí como un estándar de comparación
porque se considera altamente confiable cuando se utiliza para medir
especies con conductos cortos como las coníferas (Cochard et al., 2013).
Por esta razón, la mayor parte de nuestro conjunto de muestras se tomó del
clado de coníferas, utilizando los mismos individuos para las técnicas
Tabla I. Lista de especies
ópticas (muestreadas en 2016) y cavitrón (muestreadas en 2012). La
Clase
precisión de las centrifugadoras para medir la vulnerabilidad del xilema de Especies Familia

angiosperma es objeto de un debate considerable debido a los artefactos Agathis robusta Araucariaceae Conífera

probables asociados con vasos largos (Torres-Ruiz et al., 2014; Hacke et al., Araucaria bidwillii Araucariaceae Conífera

2015). Por esta razón, solo medimos dos especies de angiospermas, Araucaria cunninghamii Araucariaceae Conífera

seleccionados para cubrir un rango de sensibilidades al estrés hídrico, pero Wollemia nobilis Araucariaceae Conífera
Callitris romboidea Cupressaceae Conífera
ambos tenían longitudes máximas de vasos de xilema que eran
Diselma archeri Cupressaceae Conífera
aproximadamente la mitad que el diámetro del rotor. A pesar de la gran
Acmopyle pancheri Podocarpaceae Conífera
diferencia en la vulnerabilidad entre los dos angioespermas medidos aquí,
Afrocarpus falcatus Podocarpaceae Conífera
se descubrió que ambos producen una forma sigmoidea en sus curvas de Dacrycarpus imbricatus Podocarpaceae Conífera
vulnerabilidad utilizando métodos ópticos y de cavitrón. Nuestro muestreo Lagarostrobos franklinii Podocarpaceae Conífera
previo al amanecer de árboles bien regados aseguró que las ramas Phyllocladus aspleniifolius Podocarpaceae Conífera
muestreadas comenzaran a secarse a partir de potenciales de agua Prumnopitys ladei Podocarpaceae Conífera

cercanos a cero, por lo tanto Retrophyllum comptonii Podocarpaceae Conífera

Retrophyllum rospigliosii Podocarpaceae Conífera
Betula pendula Betulaceae Angiosperma
Rosmarinus of fi cinalis Lamiaceae Angiosperma

2058 Plant Physiol. Vol. 174, 2017

Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
 Vulnerabilidad óptica en tallos

considerando el lento crecimiento de muchas de las especies de coníferas Vulnerabilidad del tallo Cavitron
utilizadas aquí para comparar. Por lo tanto, las curvas de Cavitron re fl ect la
Las mediciones se llevaron a cabo en una o dos ramas de tres árboles por especie. Las pérdidas de
vulnerabilidad integrada de una muestra mucho más grande de traqueidas que los transpiración se evitaron quitando las agujas u hojas inmediatamente después del muestreo y envolviendo las
tallos de menos de 1 año medidos por el método óptico, lo que probablemente ramas en papel húmedo para mantenerlas húmedas y frescas (5 ° C) hasta la medición de la resistencia a la

conduzca a una pendiente menos profunda (Torres-Ruiz et al., 2016). embolia (dentro de las 3 semanas posteriores al muestreo). Todas las muestras se enviaron a Francia a través
de una empresa de envío urgente internacional en 3 días. Luego se determinó la vulnerabilidad a la embolia
inducida por la sequía en el Caviplace (Universidad de Burdeos, Talence, Francia;
Un signi fi No puede haber discrepancias entre P 50 en métodos ópticos y http://sylvain-delzon.com/caviplace) con la técnica de cavitrón (Cochard, 2002; Cochard et al., 2005). La corteza
centrífugos solo se observó en tallos de la angiosperma R. de fi cinalis Aunque se retiró de las ramas de coníferas antes del muestreo, para evitar la contaminación de la resina, y todas las
ambos métodos registraron una resistencia a la cavitación ramas se cortaron con una cuchilla de afeitar, bajo el agua, a una longitud estándar de

extremadamente alta en esta especie, el cavitrón produjo un P más

negativo 50
0,27 m. El porcentaje de pérdida de conductancia (PLC) se determinó a diferentes velocidades (es decir,
Se necesitará un examen más detallado de esta especie y otras diferentes presiones de xilema) para obtener una curva de vulnerabilidad para cada muestra. Estas curvas de
angiospermas altamente resistentes para determinar si este desacuerdo se vulnerabilidad muestran el porcentaje de pérdida de conductancia del xilema en función de la presión del xilem

debe a artefactos o algún sesgo sistemático de uno de los dos métodos. (para más detalles, ver Delzon et al., 2010). Para cada rama, la relación entre el porcentaje de pérdida de
conductancia y la presión de agua del xilema fue fi Provisto con la siguiente ecuación sigmoidal (Pammenter y
Un posible factor contribuyente es el largo tiempo de viaje desde Hobart,
Vander Willigen, 1998):
Australia, a Francia antes de la medición de este individuo. Las muestras
de la misma especie medidas localmente con el cavitrón arrojaron valores
mucho más cercanos al valor OV (H. Cochard, comunicación personal). SOCIEDAD ANÓNIMA ¼
100 1

Este extremo muy resistente del espectro de vulnerabilidad es de particular

S
þ Exp
25 re Pi 2 PAGS 50 Þ

interés, ya que aparece como una adaptación crítica tanto en coníferas

donde P 50 ( MPa) es la xilempresión que induce una pérdida de conductividad del 50% y S
(Brodribb et al., 2014; Larter et al., 2017) como en la angiosperma (% MPa 2 1) es la pendiente de la curva de vulnerabilidad en el fl punto de ección. Valores medios de los parámetros
(Blackman et al., 2012) especies arbóreas que habitan bosques de vulnerabilidad a la embolia (P 50 y S) corresponden a los valores promedio de tres a 16 muestras por especie.

semiáridos. Además, utilizamos nuestras curvas de vulnerabilidad para calcular P12 y P88, que son el 12% y el 88% de
pérdida de conductividad hidráulica, respectivamente. P12 y P88 son fisiológicamente significativos fi-

no pueden indexar porque se cree que re fl ect la tensión de entrada de aire inicial que produce embolias y la
El éxito del método óptico al proporcionar un mapa de cavitación resuelto tensión irreversible del xilema inductor de muerte, respectivamente (Urli et al., 2013).
en el tiempo en tallos con estrés hídrico, al tiempo que proporciona una
medida precisa de vulnerabilidad en términos de P 50, abre la puerta a nuevas
aplicaciones. La simplicidad y el bajo costo de la técnica la hacen muy Vulnerabilidad de vástago óptico
atractiva para la investigación ecológica y genética donde se requieren
Los mismos individuos o clones de árboles recolectados en 2012 para la determinación de Cavitron de P 50 fueron
muestras de gran tamaño. Además, la técnica proporciona un medio para ver
revisitados y muestreados utilizando el método OV. Se cortaron ramas del orden de 1 m de largo de los árboles
la cavitación en tejidos que han sido diferentes fi culto a medida. Las flores se temprano en la mañana y se transfirieron en bolsas de plástico al laboratorio a unos 50 m de distancia. En
han medido recientemente con éxito utilizando el método óptico para mostrar general, se permitió que las ramas se equilibraran en bolsas de plástico húmedas en la oscuridad durante un

una embolia relativa a las hojas en las hierbas y especies leñosas (Zhang y período de 60 minutos para garantizar que los estomas se cerraran antes de preparar el tallo para la obtención de
imágenes. El método óptico no puede cuantificar la embolia existente en la madera y solo puede medir nuevas
Brodribb, 2017), mientras que las raíces presentan un objetivo futuro obvio. El
cavitaciones. Por esta razón, se tuvo mucho cuidado para garantizar que las muestras no estuvieran expuestas a
método óptico es ideal para explorar cómo se mueve la cavitación dentro y ninguna forma de estrés hídrico o congelamiento en los meses previos a la medición.
entre los tejidos vegetales a medida que aumenta el estrés hídrico. fi es y tiene
el potencial de proporcionar una visión integrada de la cavitación en los
Un psicrómetro de tallo (ICT Australia) fue fi Tted lo más cerca posible de la región del tallo que se está
principales órganos de la planta a medida que la cavitación se propaga
escaneando para la formación de embolia. En fi Al colocar el psicrómetro, se retiró un pequeño cuadrado de
dentro de un individuo.
corteza para evitar dañar la madera. El psicrómetro se aisló parcialmente con poliestireno y se ajustó para
registrar el potencial hídrico de la hoja cada 10 min. El tiempo de enfriamiento para el psicrómetro se incrementó
de 5 a 30 s a medida que los tallos se secaron, asegurando una lectura estable de la temperatura del bulbo
húmedo. Los potenciales de agua de hoja de referencia se tomaron durante el período de secado utilizando una
cámara de presión Scholander para asegurar que los potenciales de agua de hoja y tallo se equilibraran, como
era de esperar debido al cierre del estoma antes del comienzo de la cavitación (Brodribb y Holbrook, 2003). Sin
embargo, después de que la cavitación del tallo había comenzado, los valores de Scholander y psicrómetro a
menudo tendían a divergir, como era de esperar debido a la desconexión hidráulica entre las hojas y los tallos.
MATERIALES Y MÉTODOS Material vegetal

Se tomaron muestras de trece especies de coníferas de cuatro familias de coníferas (Tabla I) de una colección Se seleccionó un mapa de astes de aproximadamente 3 a 6 mm de diámetro y aproximadamente de 80 a
de coníferas en maceta que crece en invernaderos en la Universidad de Tasmania. Todas las plantas tenían más 120 cm de longitud para coníferas, o de 1 a 2 m de longitud para las angiospermas, para el escaneo. Se evitaron
de 10 años y crecían en macetas de 20 litros en condiciones bien regadas en invernaderos parcialmente abiertos, las ramas que estaban alargando o expandiendo activamente las hojas para asegurarse de que el xilema
de modo que la luz y la temperatura estuvieran cerca de las condiciones ambientales en Hobart. Las muestras para estuviera maduro (sin vida). La profundidad del xilema que se podía visualizar de manera confiable para la
el análisis centrífugo se recolectaron y midieron en 2012, mientras que las muestras para el análisis óptico se cavitación era de aproximadamente 1 mm, por lo que se seccionó previamente una selección de tallos para
recolectaron en 2016 en los mismos individuos o clones. Todas las especies estuvieron representadas por tres determinar el grosor aproximado de la rama que produciría 1 mm de xilema sobre la médula. fl Esta región del
réplicas recolectadas como esquejes de diferentes individuos en las semillas silvestres o recolectadas en la tallo, de aproximadamente 15 mm de longitud, se preparó de modo que el xilemón de un lado de la médula
naturaleza. Adicionalmente, recolectamos dos angiospermas con tolerancia al estrés hídrico contrastante para pudiera ser fotografiado. Se retiró cuidadosamente una región de corteza de aproximadamente 15 a 20 mm de
representar los extremos opuestos del espectro de vulnerabilidad de la angiosperma, pero que tenían vasos longitud de un lado del tallo para exponer la madera subyacente sin dañar el xilema. La forma más fácil de
relativamente cortos para que pudieran medirse utilizando la técnica de centrifugación. Estas dos especies ( Rosmarinus hacerlo era hacer dos cortes axiales paralelos a lo largo de la corteza a cada lado de la ventana deseada,
de fi cinalis y Betula pendula) ambos fueron recolectados al final de una primavera húmeda (2016) de plantas de evitando daños al xilema subyacente, y usar una aguja o fi nernails para despegar la corteza suavemente de los
jardín individuales en Hobart. cortes. Una vez que se creó una ventana, fue fi rmly

Plant Physiol. Vol. 174, 2017 2059

Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
Brodribb y col.

asegurado ya sea en un fl escáner de superficie (Perfection 800; Epson) o una platina de microscopio (Leica Brodribb TJ, McAdam SA, Jordan GJ, Martins SC ( 2014) Las especies de coníferas se adaptan a climas de baja
M205) utilizando abrazaderas acolchadas para garantizar que la muestra no se mueva durante el secado. Una precipitación siguiendo una de las dos vías divergentes. Proc Natl Acad Sci USA 111: 14489 - 14493
vez asegurado, el escáner o la cámara se configuraron para capturar imágenes a una velocidad de una por
minuto, y la muestra se dejó secar lentamente hasta que ya no se registraron cavitaciones (generalmente del Brodribb TJ, Skelton RP, McAdam SA, Bienaimé D, Lucani CJ, Marmottant P
orden de 48 - 120 h). Durante el secado, la región objetivo del tallo se oscureció principalmente, excepto por la luz (2016b) Quanti visual fi El catión de la embolia revela la vulnerabilidad de la hoja a la falla hidráulica. Nuevo
del microscopio (una iluminación de anillo con iluminación LED) o un escáner. El resto del tallo se expuso a la fitol 209: 1403 - 1409
iluminación del laboratorio y a condiciones ambientales de 22 ° C y 55% de humedad relativa. En el caso del Charrier G, Torres-Ruiz JM, Badel E, Burlett R, Choat B, Cochard H,
escáner, las imágenes se recogieron en condiciones normales. fl modo activo en lugar del modo de transmisión Delmas CE, Domec JC, Jansen S, King A ( 2016) Evidencia de segmentación de vulnerabilidad hidráulica y
utilizado para las hojas. Las muestras se dejaron secar hasta que no se pudieron ver cavitaciones adicionales en falta de xilema re fi Lling bajo tensión. Plant Physiol 172: 1657 - 1668
el xilema durante un período de 12 h. En algunas muestras, se aplicó una capa delgada de hidrogel (Tensive
Gel; Parker) a la superficie expuesta del xilema para mejorar la transmisión de luz y reducir la evaporación de la Choat B, Badel E, Burlett R, Delzon S, Cochard H, Jansen S ( 2016) Medición no invasiva de la vulnerabilidad a
superficie. Esto no tuvo un efecto apreciable en el valor de P 50 cuando se comparó entre muestras (TJ Brodribb, la embolia inducida por la sequía mediante microtomografía de rayos X. Plant Physiol 170: 273 - 282
datos no publicados), pero fue necesario tener cuidado para evitar fl Ecciones de movimientos a medida que el gel
se encoge durante el proceso de secado. Choat B, Brodersen CR, McElrone AJ ( 2015) Microtomografía de rayos X sincrotrón de embolia de xilema en
retoños de Sequoia sempervirens durante ciclos de sequía y recuperación. Nuevo fitol 205: 1095 - 1105

Cochard H ( 2002) Una técnica para medir la conductancia hidráulica del xilema bajo altas presiones negativas.
Una vez completadas, las secuencias de imágenes se analizaron para identificar la cavitación, lo que se vio Entorno de células vegetales 25: 815 - 819
fácilmente como cambios en la re fl Ección del xilema expuesto. El análisis por diferencia de imagen usando ImageJ Cochard H, Badel E, Herbette S, Delzon S, Choat B, Jansen S ( 2013) Métodos para medir la vulnerabilidad de la
(NIH) se realizó restando imágenes sucesivas para revelar cambios rápidos en el contraste producido por la planta a la cavitación: una revisión crítica. J Exp Bot 64: 4779 - 4791
cavitación. Estos cambios rápidos se identificaron fácilmente fi ed en sustracciones de imágenes y podría ser fi Filtrado
por movimientos lentos causados ​por el secado. El umbral de las diferencias de imagen permitió el recuento Cochard H, Damour G, Bodet C, Tharwat I, Poirier M, Ameglio T ( 2005) Evaluación de una nueva técnica de
automático de eventos de cavitación utilizando la función de analizar-apilar en ImageJ. Los detalles completos, centrífuga para la generación rápida de curvas de vulnerabilidad de xilema. Planta Fisiol 124: 410 - 418
incluida una descripción general de la técnica, el procesamiento de imágenes, así como los guiones para guiar la
captura de imágenes y el análisis, están disponibles en http://www.opensourceov.org. Cochard H, Delzon S ( 2013) Las fallas y reparaciones hidráulicas no son rutinarias en los árboles. Ann For Sci 70:
659 - 661
Cuneo IF, Knipfer T, Brodersen CR, McElrone AJ ( 2016) Falla mecánica de fi Las células corticales de la raíz
Conteo de cavitaciones resuelto por tiempo en cada sistema, cuanti fi Se compiló una cantidad de píxeles inician el declive hidráulico de la planta durante la sequía. Plant Physiol 172: 1669 - 1678
por evento durante el secado del tallo y se convirtió en un porcentaje del total de píxeles cavitados. La salida del
psicrómetro se utilizó para determinar un fi Función definida que describe el cambio en el potencial hídrico a lo Delzon S, Douthe C, Sala A, Cochard H ( 2010) Mecanismo de cavitación inducida por el estrés hídrico en
largo del tiempo. Típicamente, esta era una función lineal una vez que los estomas se cerraban, pero coníferas: la estructura y la función del pozo confinado respaldan la hipótesis de la siembra capilar de focas.
ocasionalmente, las funciones polinómicas eran fi tted para tener en cuenta la variación en la pendiente Entorno de células vegetales 33:
2101 - 2111
re C vástago/ dt. Combinando el recuento de cavitación con la función que describe re C vástago/ dt Ennajeh M, Simões F, Khemira H, Cochard H ( 2011) ¿Qué tan confiable es la técnica de manga de presión de
permitió que el número acumulado de cavitaciones se expresara en función de doble extremo para evaluar la vulnerabilidad del xilema a la cavitación en angiospermas leñosas? Planta
C vástago. El P 50 para cada muestra se tomó directamente de esta parcela. Un valor de P 50 se midió para cada uno Fisiol 142: 205 -
de los tres tallos, permitiendo una media y Dakota del Sur para ser presentado para cada especie. 210
Hacke UG, Venturas MD, MacKinnon ED, Jacobsen AL, Sperry JS, Pratt
RB ( 2015) El método de centrifugación estándar mide con precisión las curvas de vulnerabilidad de los
tallos de olivo de vasos largos. Nuevo fitol 205: 116 - 127
EXPRESIONES DE GRATITUD Haines F ( 1935) Observaciones sobre la presencia de aire en tractos conductores. Ann Bot (Londres) 49: 367 - 379

Agradecemos a Tracy Winterbottom y Michelle Lang por el cuidadoso mantenimiento de las coníferas en
Hochberg U, Windt CW, Ponomarenko A, Zhang YJ, Gersony J, Rockwell
macetas durante muchos años en UTAS.
FE, Holbrook NM ( 2017) El cierre estomático, la embolia basal de la hoja y el desprendimiento protegen la
Recibido el 21 de abril de 2017; aceptado el 30 de junio de 2017; publicado el 6 de julio de 2017. integridad hidráulica de los tallos de uva. Plant Physiol
174: 764 - 775
Lamy JB, Bouf fi er L, Burlett R, Plomion C, Cochard H, Delzon S ( 2011) Selección uniforme como fuerza primaria
LITERATURA CITADA que reduce la diferenciación genética poblacional de la resistencia a la cavitación en un rango de especies.
Más uno 6:
Anderegg WRL, Flint A, Huang C, Flint L, Berry JA, Davis FW, Sperry JS, e23476
Campo CB ( 2015) Mortalidad arbórea prevista a partir del daño vascular inducido por la sequía Nat Geosci 8: Larter M, Pfautsch S, Domec JC, Trueba S, Nagalingum N, Delzon S
367 - 371 (2017) La aridez impulsó la evolución de la resistencia extrema a la embolia y la radiación del género de
Blackman CJ, Brodribb TJ, Jordan GJ ( 2012) Vulnerabilidad hidráulica de la hoja en fl uences especies ' Límites coníferas Callitris Nuevo fitol 215: 97 - 112
bioclimáticos en un grupo diverso de angiospermas leñosas. Oecologia 168: 1 - 10 Markesteijn L, Poorter L, Paz H, Sack L, Bongers F ( 2011) La diferenciación ecológica en la resistencia a la
cavitación del xilema se asocia con rasgos estructurales del tallo y la hoja. Entorno de células vegetales 34: 137
Bouche PS, Delzon S, Choat B, Badel E, Brodribb TJ, Burlett R, Cochard - 148
H, Charra - Vaskou K, Lavigne B, Li S ( 2016) Son agujas de Pinus pinaster más vulnerable a la embolia Nolf M, Lopez R, Peters JMR, Flavel RJ, Koloadin LS, Young IM, Choat
xilemática que las ramas? Nuevos conocimientos de la tomografía computarizada de rayos X. Entorno de B ( 2017) Visualización de la embolia de xilema por microtomografía de rayos X: una prueba directa contra
células vegetales 39: 860 - 870 mediciones hidráulicas. Nuevo fitol 214: 890 -
Brodersen CR, McElrone AJ, Choat B, Lee EF, Shackel KA, Matthews MA 898
(2013) Las visualizaciones in vivo de la embolia inducida por la sequía se extendieron en Pammenter NW, Vander Willigen C ( 1998) Un análisis matemático y estadístico de las curvas que ilustran la
Vitis vinifera. Plant Physiol 161: 1820 - 1829 vulnerabilidad del xilema a la cavitación. Tree Physiol 18: 589 - 593
Brodribb TJ, Bienaimé D, Marmottant P ( 2016a) Revelador catastrófico
falla de las redes foliares bajo estrés. Proc Natl Acad Sci USA 113: 4865 - Ponomarenko A, Vincent O, Pietriga A, Cochard H, Badel É, Marmottant
4869 PAGS ( 2014) Las emisiones ultrasónicas revelan burbujas de cavitación individuales en madera estresada
Brodribb TJ, Bowman DJMS, Nichols S, Delzon S, Burlett R ( 2010) La función del xilema y la tasa de crecimiento por agua. Interfaz JR Soc 11: 20140480
interactúan para determinar las tasas de recuperación después de la exposición al agua extrema fi cit. Nuevo Rockwell FE, Wheeler JK, Holbrook NM ( 2014) Cavitación y sus descontentos: oportunidades para resolver las
fitol 188: 533 - 542 controversias actuales. Plant Physiol
Brodribb TJ, Cochard H 2009) Falla hidráulica de fi nes la recuperación y 164: 1649 - 1660
punto de muerte en coníferas con escasez de agua. Plant Physiol 149: 575 - 584 Scoffoni C, Albuquerque C, Brodersen CR, Townes SV, John GP, ​Cochard H,
Brodribb TJ, Holbrook NM ( 2003) Cierre estomático durante la deshidratación de la hoja, correlación con otros Buckley TN, McElrone AJ, Sack L ( 2017) Diámetro del conducto del xilema de la vena de la hoja en fl Influye
rasgos fisiológicos de la hoja. Plant Physiol 132: en la susceptibilidad a la embolia y al deterioro hidráulico. Nuevo fitol 213: 1076 - 1092
2166 - 2173

2060 Plant Physiol. Vol. 174, 2017

Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.
 Vulnerabilidad óptica en tallos

Skelton RP, Brodribb TJ, Choat B ( 2017) Al arrojar luz sobre la vulnerabilidad del xilema en una especie Urli M, Porté AJ, Cochard H, Guengant Y, Burlett R, Delzon S ( 2013) Umbral de embolia Xylem para falla
herbácea se revela una falta de segmentación. Nuevo fitol 214: 561 - 569 hidráulica catastrófica en árboles de angiospermas. Tree Physiol 33: 672 - 683

Sperry JS, Hacke UG, Pittermann J ( 2006) Tamaño y función en traqueidas de coníferas y vasos de Vesque J ( 1883) Observation directe du mouvement de l ' eau dans les
angiospermas. Am J Bot 93: 1490 - 1500 vaisseaux des plantes. Annals de Science Naturelles Botanique 15: 5 5 - 15
Torres-Ruiz JM, Cochard H, Mayr S, Beikircher B, Diaz-Espejo A, Rodriguez- Vinya R, Malhi Y, Fisher JB, Brown N, Brodribb TJ, Aragao LE ( 2013) vulnerabilidad de cavitación de Xylem en fl uences
Domínguez CM, Badel E, Fernández JE ( 2014) Vulnerabilidad a la cavitación en especies de árboles ' preferencias de hábitat en bosques de miombo. Oecologia 173: 711 - 720
Olea europaea Brotes del año actual: evidencia adicional de un artefacto de vaso abierto asociado con
técnicas de centrifugación e inyección de aire. Planta Fisiol 152: 465 - 474 Xu X, Medvigy D, Powers JS, Becknell JM, Guan K ( 2016) La diversidad en las características hidráulicas de las
plantas explica las variaciones estacionales e interanuales de la dinámica de la vegetación en los bosques
Torres-Ruiz JM, Cochard H, Mencuccini M, Delzon S, Badel E ( 2016) Observación directa y modelado de la tropicales estacionalmente secos. Nuevo fitol 212:
embolia diseminada entre conductos de xilema: un estudio de caso en pino silvestre. Entorno de células 80 - 95
vegetales 39: 2774 - 2785 Zhang FP, Brodribb TJ 2017) son fl Owers vulnerables a la cavitación del xilema
Tyree M, Cochard H, Cruiziat P, Sinclair B, Ameglio T ( 1993) sequía - durante la sequía? Proc R Soc B 284: 20162642
desprendimiento inducido de hojas en nogal: evidencia de segmentación de vulnerabilidad. Entorno de células Zimmermann MH 1983) Estructura del xilema y el ascenso de la savia. SpringerVerlag, Berlín
vegetales dieciséis: 879 - 882

Plant Physiol. Vol. 174, 2017 2061

Descargado desde el 9 de junio de 2019 - Publicado por www.plantphysiol.org
Copyright © 2017 Sociedad Americana de Biólogos de Plantas. Todos los derechos reservados.