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Desempeño fotosintético de Nothofagus pumilio a través
de un gradiente de elevación en bosques sub-antárticos
en la Isla Navarino (55° S)
Patrocinante: Rafael Coopman Ruiz-Tagle
Trabajo de Titulación II presentado como parte de los requisitos para optar al Título de
Ingeniero en Conservación de Recursos Naturales
BASTIÁN ALBERTO OÑATE POTTHOFF VALDIVIA
2015
ÍNDICE DE MATERIAS
i Calificación del Comité de Titulación i
ii Agradecimientos ii
iii Dedicatoria iii
iv Resumen iv
1 INTRODUCCIÓN 1
2 ESTADO DEL ARTE 3
2.1 Funcionamiento fotosintético y limitaciones fotosintéticas 3
2.2 Fotosíntesis y sequía 3
2.3 Fotosíntesis y bajas temperaturas 4
2.4 Cambios en la capacidad fotosintética con la elevación 4
2.5 Eco-fisiología de Nothofagus pumilio en bosques de elevación 5
2.6 ¿Qué preguntas puede responder este estudio? 6
3 MATERIALES Y MÉTODOS 7
3.1 Área de estudio y colecta de material vegetal 7
3.2 Caracterización micro-ambiental 8
3.3 Masa por Área de Hoja (LMA) y nitrógeno foliar (N) 8
3.4 Intercambio de gases y fluorescencia de la clorofila 9
3.5 Estimación de conductancia del mesófilo (gm), velocidad máxima de carboxilación (Vc,max) y velocidad máxima de transporte de electrones (Jmax)
9
3.6 Análisis cuantitativo de las limitaciones fotosintéticas 10
3.7 Análisis Estadístico 10
4 RESULTADOS 11
4.1 Caracterización ambiental 11
4.2 Masa por área de hoja y contenido de nitrógeno foliar 11
4.3 Intercambio de gases y fluorescencia de la clorofila 13
4.4 Limitaciones fotosintéticas 15
5 DISCUSIÓN 18
5.1 Disminución del metabolismo difusivo en el gradiente de elevación
18
5.2 Aumento de la capacidad fotosintética en el gradiente de elevación 19
5.3 Limitaciones fotosintética 20
5.4 Bosque sub-antártico y futuro 21
7 REFERENCIAS 23
Anexos Anexo 1. Abreviación de conceptos utilizados
Anexo 2. Variación en ci y cc en el gradiente de elevación
Anexo 3. Promedios netos mensuales de Temperatura y Humedad Relativa, desviación estándar, error estándar y valores mínimos en el gradiente de elevación marzo 2014 – marzo 2015.
Anexo 4. Variación altitudinal de masa por área foliar, contenido de N (%) y N en base a masa por área (g m-2).
Anexo 5. Tabla diferencia relativa porcentual de variables climáticas ente 30-270 m y 30-510 m de elevación.
Anexo 6. Variación de ETRc y ETRo en el gradiente de elevación
i
Calificación del Comité de Titulación
Nota
Patrocinante: Sr Rafael Coopman 6.0
Informante: Sr. Duncan Christie 6.0
Informante: Sr. Roke Rojas 6.1
El Patrocinante acredita que el siguiente Trabajo de Titulación cumple con los requisitos de contenido y de forma contemplados en el Reglamento de la Titulación. Del mismo modo, acredita que en el presente documento han sido consideradas las sugerencias y modificaciones propuestas por los demás integrantes del Comité de Titulación.
ii
Agradecimientos
A Loreto Morales por su apoyo en la toma de datos el verano de 2014 y ayuda en las primeras etapas
de este escrito. A Roke Rojas por su apoyo constante en el aprendizaje, utilización de los equipos de
laboratorio, apoyo en las campañas de terreno al Cerro Róbalo y desarrollo y apoyo en el modelamiento
fotosintético. Al profe Duncan Christie por sus importante correcciones y comentarios a este manuscrito.
Al profe Rafael Coopman por compartir el conocimiento elemental para el entendimiento del
funcionamiento y modelamiento fotosintético, por sus correcciones a este manuscrito.
Agradezco al financiamiento entregado por el proyecto FONDECYT 1120965: “Climate variability
and ecological processes in high elevation forest from the tropical and Patagonian Andes”. Además, los
resultados que integran esta memoria de título corresponden a material original de este proyecto.
A la Fundación del Parque Etnobotánico Omora por haber dado acceso al área de estudio y facilitado
sus instalaciones para alojar al grupo de trabajo del proyecto.
iii
Dedicatoria
Para mi familia, mis padres y hermanos por su incesante e incansable compañía, en los que
tengo una fuente de amor e inspiración inagotable. A Cami con todo mi amor, a mis amigos con
harto cariño.
Lenga (Nothofagus pumilio),
creciendo en el límite arbóreo en Parque Nacional Torres del Paine.
iv
RESUMEN
La identificación de patrones ecológicos y del balance de carbono en los bosques de elevación ha ganado
gran atención en los últimos años, siendo de los límites vegetales más estudiados hasta ahora. El
desempeño fotosintético de bosques en el límite arbóreo, y sus mecanismos determinantes no han sido
documentados en climas templados y sub-antártico. Los bosques sub-antárticos son los más australes del
planeta y se consideran sensores ambientales al cambio climático, al distribuirse en el límite térmico de
distribución del bosque en el continente americano, bajo condiciones de estrés por bajas temperaturas y
fuertes vientos. Sin embargo, se ha registrado un aumento de las temperaturas al sur de la Patagonia. En
este estudio se midió el ciclo anual de la temperatura ambiental (T) y humedad relativa del aire (HR) y
el déficit de presión de vapor en 3 pisos de elevación 30, 270 y 510 m, abarcando toda la distribución
elevacional de N. pumilio en de lsla Navarino (55°S). A su vez, se caracterizó el funcionamiento
fotosintético y aspectos morfológicos en las 3 poblaciones estudiadas. Se evidencio un gradiente
altitudinal que determina una disminución en la T, una disminución de HR y consecuentemente un
aumento en le DPV. Se identificaron cambios fisiológicos, bioquímicos y morfológicos coordinados con
la elevación, manteniendo tasas de asimilación similar entre el nivel del mar y el límite arbóreo. La
asimilación fotosintética se ve restringida por la disminución altitudinal en la conductancia del mesófilo,
la cual es compensada por el aumento en el contenido de N y LMA con la elevación.
1
1. INTRODUCCIÓN
El límite altitudinal hasta el cual los bosques pueden ocurrir es denominado límite arbóreo (en inglés
treeline o timberline), siendo uno de los límites vegetacionales más llamativos y estudiados en la
naturaleza (Körner 1998, Cavieres & Piper 2004). El límite arbóreo es a un ambiente de ecotono o
gradiente ambiental que comparte un angosto umbral térmico global de 6.7°C (±0.8 SD) correspondiente
a la temperatura estacional media a nivel del suelo (Körner et al., 2004); llegando a 7 – 8 °C en zonas
mediterráneas y templadas, disminuyendo a 6 – 7 °C en zonas boreales y sub-árticas, y finalmente
llegando al mínimo de 5 – 6 °C en los trópicos.
En la Cordillera de Los Andes la ocurrencia del límite arbóreo es frecuente, variando en elevación,
de acuerdo a las especies, y disminuyendo en latitud. Nothofagus pumilio (Poepp et Endl.) Krasser
(Nothofagaceae) es una especie caducifolia que se distribuye entre los 35°35’ y 55°00’ S (Chile y
Argentina), encontrándose en climas alpinos y sub-antárticos (Veblen et al. 1996). N. pumilio y N.
antarctica regeneran en los sitios de temperaturas más bajas y mayor frecuencia de días con heladas del
género (Alberdi 1987). En particular, N. pumilio es capaz de establecerse en sitios más fríos y secos que
sus acompañantes siempreverdes (N. dombeyi y N. betuloides), dándose un gradiente ecológico
conformado por bosques de Nothofagus siempreverde-deciduo de especies mixtas en elevaciones bajas,
pasando a bosques puros de N. pumilio en elevaciones más altas (Veblen et al. 1996). Estas especies
conforman el treeline del bosque en los Andes del sur, llegando al nivel del mar en el extremo austral de
su distribución.
En una revisión global de la posición del límite arbóreo y causas de su ocurrencia, Körner (1998)
plantea que la disminución altitudinal de la temperatura limitan procesos fisiológicos tanto de ganancia
de carbono (hipótesis de limitación a la ganancia de carbono, CLH), como procesos de crecimiento o
utilización del carbono (hipótesis de limitación al crecimiento; GLH) esta última hipótesis con mayor
respaldo para las regiones fuera de los trópicos. En particular, existen estudios que han descrito el
funcionamiento fotosintético de N. pumilio en relación al cambio ambiental dado por el aumento en la
elevación (Molina-Montenegro et al. 2011, Premoli et al 2007), pero estos han sido desarrollados en las
regiones mediterráneas de la distribución de la especie, donde tanto la disponibilidad hídrica como la
temperatura tienen un rol clave en la restricción al crecimiento en el límite arbóreo (Lara et al 2005). No
obstante, varios estudios indican tasa de asimilación de CO2 sin mayores variaciones con el aumento en
la elevación (Premoli et al 2007, Molina-Montenegro et al. 2011, Fajardo et al. 2011). Lo anterior, brinda
apoyo a la GLH en la formación del treeline en esta especie. En particular, éste estudio describe el
metabolismo fotosintético de N. pumilio a los 55°S a través de su distribución altitudinal, y pretende
2
generar información relevante de las bases fisiológicas (limitaciones fotosintéticas) que modulan el
crecimiento y distribución de los bosques de elevación sub-antárticos en el extremo sur de los Andes.
El estudio plantea la siguiente hipótesis: el funcionamiento fotosintético del bosque sub-antártico
de N. pumilio en la Isla Navarino estará condicionado por el efecto de las bajas temperaturas y la alta
humedad relativa, no presentando limitaciones estomáticas en general. Por lo cual, producto del descenso
altitudinal de la temperatura y las no existentes limitaciones estomáticas, las principales limitaciones
fotosintéticas impuestas por el gradiente será una restringida conductancia del mesofilo y una baja en la
capacidad de carboxilación de la Rubisco.
Para probar la hipótesis se planteó el objetivo general de identificar las limitaciones s a la fotosíntesis
en el gradiente de elevación de un bosque de N. pumilio en la Isla Navarino.
En consecuencia, se llevarán a cabo los siguientes objetivos específicos:
1. Describir las condiciones micro-climáticas a lo largo del gradiente de elevación de la distribución de
N. pumilio en Isla Navarino.
2. Describir el desempeño fotosintético, LMA y contenido de Nitrogeno en individuos adultos de N.
pumilio a través del gradiente de elevación en I. Navarino
3. Cuantificar las limitaciones fotosintéticas impuestas por el estoma, el mesófilo y procesos bioquímicos
de N. pumilio en el gradiente de elevación en I. Navarino
3
2. ESTADO DEL ARTE
2.1 Limitaciones fotosintéticas: difusivas al CO2 y bioquímicas.
La primera válvula que regula el intercambio gaseoso en las hojas es él estoma, donde su abertura o
cierre, denominada conductancia estomática (gs) controla el paso del CO2 atmosférico hacía el espacio
intercelular (ci). Posteriormente, el CO2 debe alcanzar el sitio de carboxilación en la enzima Rubisco
dentro del cloroplasto (cc) internándose en las células del mesófilo (gm), a través de paredes y membranas
celulares, citoplasma y la membrana tilacoidal del cloroplasto (Flexas et al. 2008). Usualmente, las
limitaciones impuestas por la conductancia del mesófilo (MCL) son similares en magnitud a la
estomáticas (SL), y más frecuentes que las limitaciones bioquímicas (BL) (Flexas et al. 2012). Sin
embargo, bajo sequía leve, en las primeras etapas de la re-hidratación luego de sequía y la por exposición
a bajas temperaturas se han reportado casos en que MCL limita mayormente y hasta un 75% a la
fotosíntesis (Zhang 2010, Flexas et al. 2012). Por otro lado, las tasas de asimilación de CO2 pueden ser
limitadas por aspectos bioquímicos de la fotosíntesis (BL), tales como: la velocidad de máxima de
carboxilación de la Rubisco (Vc,max), la velocidad de regeneración de la RuBP (cuantificada como: tasa
máxima de transporte de electrones (Jmax) y la tasa de uso de las triosas fosfato (Sharkey et al. 2007).
Comúnmente estas limitaciones se activan bajo sequía severa, ej. contribuyendo con un 15% al total de
las limitaciones en árboles de una plantación forestal de la cuenca mediterránea (Grassi y Magnani, 2005)
y bajo exposición a bajas temperaturas (4.1% de las limitacions a 10°C) y altas temperaturas (10,6% de
las limitaciones a 30°C) en una especie de alta montaña del Himalayas (Zhang 2010).
2.2 Fotosíntesis y sequía
El flujo de CO2 que ingresa a la hoja por el estoma permite la asimilación de CO2, pero produce
inevitablemente la pérdida de agua y disminución del contenido relativo de agua de la hoja si el
abastecimiento a través de las raíces no reestablece la pérdida por transpiración (Kubiske et al. 2000,
Lambers 2008). El cierre estomático limita la difusión de CO2 dentro de la hoja, pero en ocasiones puede
aumentar la eficiencia fotosintética en el uso del agua (Lambers 2008). La sequía reduce la asimilación
fotosintética restringiendo el ingreso de CO2 al espacio intercelular, y también el ingreso de moléculas
de CO2 al cloroplasto, producto de la disminución progresiva de la conductancia del mesófilo (gm) por
sequía (Flexas et al. 2004, Grassi & Magnani, 2005). El protagonismo en las limitaciones fotosintéticas
varía según la severidad del estrés hídrico, generando limitaciones estomáticas (gs) bajo sequía moderada,
y de ambos componentes difusivos en serie (gs y gm) bajo sequía severa (Grassi & Magnani, 2005). En
adición, como la condición de sequía generalmente es acompañada de una alta carga lumínica, el aparato
4
fotosintético puede sobreexcitarse al no poder liberar el exceso de energía lumínica absorbida, dando
cabida a la síntesis de compuestos reactivos de oxígeno y finalmente a fotoinhibición crónica (Taiz &
Zeiger, 2010).
2.3 Fotosíntesis y bajas temperaturas
La formación del límite arbóreo en zonas no tropicales es atribuida principalmente a la disminución de
la temperatura ambiental por el aumento en la elevación, lo que impacta directamente el crecimiento
(Körner 1998, Körner 2003, Piper et al. 2006, Hoch & Körner 2008, Fajardo et al. 2010, 2012, Molina-
Montenegro et al. 2011). Esto se ha explicado porque a temperaturas congelantes, la división celular es
más sensibles al frío que la fotosíntesis en sí, documentándose que el tiempo requerido para la
reproducción celular supera las 300 h a temperaturas de 1-2 °C, inclusive en plantas adaptadas al frío
(Körner 2003). Por otro lado, plantas de hábitats termales contrastantes reflejan un desempeño
fotosintético adaptado al régimen de temperaturas que imperan en sus ecosistemas de origen (Xiong et
al. 1999), reflejando un ajuste entre la demanda de uso de fotosíntatos y cambios en la maquinaria
fotosintética por procesos de aclimatación (Lambers 2008). Warren et al (2006), sometieron plántulas de
Quercus canariensis a temperaturas que variaron entre los 10 y 35°C identificando el óptimo de Amax a
los 25°C, disminuyendo su valor hacia los extremos termales; 10 y 35°C. A nivel difusivo del CO2, la
conductancia del mesófilo fue máxima entre los 20 y 35°C, disminuyendo a la mitad a los 10°C. Flexas
et al. (2008) reporta el efecto negativo sobre la conductancia de mesófilo (gm), al reducirse ésta en más
de un 75% en plantas que se desarrollaron a 5°C en relación a aquellas desarrolladas a 20°C. A nivel
bioquímico, Vc,max y Jmax fueron más sensibles a la baja temperatura disminuyendo un 90% con la
exposición de la planta a 10°C.
2.4 Cambios en la capacidad fotosintética con la elevación
Las respuestas en la capacidad fotosintética en gradientes de elevación son variadas. Desde una
disminución en la asimilación neta de CO2 (AN) con el aumento de la elevación en montañas tropicales,
Cabrera et al (1998) registró una disminución en AN desde ~5 a ~3 µmol CO2 m-2s-1 entre los 3500 a 4200
m de elevación en los Andes venezolanos (Acaena cylindrostachya y Senecio formosus). Hikosaka et al
(2002), registró una variación similar entre los 600 y los 3700 m de elevación en la Isla de Borneo en el
Sudeste Asiático en un amplio ensamble de especies, y Zhang et al (2005) registró una disminución entre
8 y 5 µmol m-2s-1 CO2 entre los 3200 y 4200 m de elevación en Quercus pannosa.
5
En contraste, en bosques de alta elevación fuera de los trópicos AN tiende a mantenerse o incrementar
con la elevación. Cordell et al (1999) reporta una mantención de AN en Metrosideros polymporha (~3
µmol CO2 m-2s-1) entre el nivel del mar y los 2500 m de elevación en Isla Mauna Loa, Hawaii. Piper et
al (2006) encuentran la misma tendencia entre los 2000 y 2200 m en Kageneckia angustifolia (AN de ~6
µmol CO2 m-2s-1), para primavera en los Andes Centrales de Chile. Por otro lado, Shi et al. (2006) registró
un leve aumento en AN en Buddleja davidii (13 y 14 µmol CO2 m-2s-1, entre 1300 y 3400 m) en montañas
del sud-este tibetano chino. Finalmente, Premoli et al (2007) y Molina-Montenegro et al (2011)
documentaron un ascenso en AN entre los 1100 y 1590 m en regiones mediterráneas para N. pumilio; el
primer autor registrando 11 y 18 µmol CO2 m-2 s-1 (41°S vertiente oriental de los Andes), y el segundo
registró 8 a 9 µmol CO2 m-2 s-1 entre los 1150 m y 1750 m (35-37°S, vertiente occidental de los Andes).
2.5 Ecofisiología de Nothofagus pumilio en bosques de elevación
En los bosques lluviosos del sur de Sudamérica, la temperatura media anual y la duración de la temporada
de crecimiento disminuyen con la latitud, al igual que la riqueza de especies vasculares y su productividad
primaria (Veblen et al. 1996). Además existe una disminución en la duración del periodo de crecimiento
vegetativo con el aumento en elevación, debido a un retraso en el rompimiento de nuevos brotes y un
adelanto en la caída de hojas (Veblen et al. 1996), conducido principalmente por el efecto de la
disminución altitudinal de la temperatura en la fenología de la brotación y floración (Rusch 1993). Varela
et al. (2012) describe óptimos térmicos de desempeño fotosintético para plantas del género Nothofagus
(N. obliqua y N. alpina) entre los 20 y 25 °C, disminuyendo su desempeño a menores temperaturas,
viéndose restringido completamente a -5°C. Lara et al. 2005, identificaron patrones espaciales y
temporales en el crecimiento anual de 13 poblaciones de N. pumilio, y su relación con la precipitación y
temperatura a lo largo de su distribución latitudinal en el límite arbóreo (35°35’ – 55°00’ S). Los autores
establecen que a lo largo de la distribución latitudinal de N. pumilio, la temperatura media anual es el
principal factor que influye en el crecimiento radial anual de los árboles en el límite arbóreo, y que la
precipitación influye significativamente solo en las 2 regiones más septentrionales con clima
Mediterráneo. Además, dentro de las 13 regiones, existen 7 sitios que se pueden agrupar en 3 grupos
según los patrones interanuales de crecimiento, teniendo un comportamiento similar con respecto al
clima; estos grupos son Vilches-Laguna del Laja (35° - 37° S), Antillanca-Volcán Yate (40° - 41° S), y
Punta Arenas-Tierra del Fuego-Isla Navarino (53° - 55° S).
Existe evidencia que respalda la hipótesis de limitación en el crecimiento (GLH) en el límite arbóreo
de N. pumilio, donde la exposición a bajas temperaturas (por alta elevación o latitud) disminuye el
6
crecimiento, sin verse restringida la provisión de carbohidratos solubles (Premoli et al. 2007, Fajardo et
al. 2011, Molina-Montenegro et al. 2011). Lo anterior indica que el crecimiento (sink activities) es
sensible en el límite arbóreo de N. pumilio en gran parte de su distribución, entre los 35° y 46°S. En
circunstancias de restricción de crecimiento, es probable que la baja fijación de carbono (source
activities) se deba a mecanismos inhibitorios “Feedback”, en específico a la baja en la disponibilidad de
fosforo estromal para la síntesis de ATP, gatillada por la baja tasa de transporte de carbohidratos hacia
fuera del cloroplasto.
2.6 Pregunta del estudio.
El posicionamiento del límite arbóreo y el desempeño de las plantas en este ambiente, es el resultado de
las interacciones micro-climáticas (clima y topografía) y la tolerancia fisiológica de las especies
(Cavieres & Piper, 2004). De esta manera, es interesante, analizar el funcionamiento fotosintético en
relación con variables ambientales claves, como disponibilidad de agua y temperatura en gradientes de
elevación. Limitaciones fotosintéticas estomáticas (SL), del mesófilo (MCL) y bioquímicas (BL) en
plantas, pueden ser calculadas a partir caracterización fotosintética (Grassi & Magnani 2005, Galmés et
al 2007, Zhang 2010). La oportunidad que este estudio que nos brinda se basa en que, N. pumilio en Isla
Navarino (55° S) habita bajo una fuerte influencia oceánica que produce una alta y constante humedad
relativa y una disminución progresiva de la temperatura ambiental con la elevación. Así, el
cuestionamiento en particular del estudio es: ¿Cómo responde el metabolismo fotosintético de la planta
al gradiente de temperatura entre el nivel del mar y el límite de elevación arbóreo, en una atmósfera de
alta humedad y bajas temperaturas?
7
3 MATERIALES Y MÉTODOS
3.1 Área de estudio y colecta de material vegetal
El trabajo en terreno del estudio se realizó desde el 23 de febrero hasta el 9 de marzo del 2014, en el
gradiente de elevación del Cerro Róbalo en árboles adultos y sanos (100 - 150 años) de N. pumilio. El
Parque Etnobotánico Omora se ubica en la Isla Navarino (Figura 1), formando parte de la Reserva de la
Biósfera Cabo de Hornos y es el sitio más austral de la Red Chilena de Estudios Socio-Ecológicos a
Largo Plazo (LTSER-Chile) (Contador et al. 2014). La isla posee un clima oceánico sub-antártico donde
la temperatura promedio es de 5.6 °C, julio y enero son los meses más frío y cálido, respectivamente, y
la precipitación promedio es del orden de 467 mm anuales (Lombardi et al 2011).
Figura 1. Imagen de localización del área de estudio en Sud-América (A). En el rectángulo blanco a
mano izquierda, se establece un acercamiento regional del área de estudio (B), indicando con una X
blanca la ubicación de la capital de la Región de Magallanes y la Antártica Chilena, Punta Arenas. En el
rectángulo blanco a mano derecha se realiza un acercamiento a la Isla Navarino, indicando la ciudad de
Puerto Williams (54° 55’S) con el círculo blanco y la ubicación del gradiente de elevación estudiado en
el Cerro Róbalo con el cuadrado blanco (C).
El gradiente de elevación del estudio comprendió todo el rango de distribución en elevación de la
especie, dentro del cual se realizaron los muestreos en 3 sitios ubicados a distinta elevación; sitio bajo a
los 30 m, sitio medio a los 270 m, y sitio alto a los 510 m. En cada sitio se eligieron de 8 a 12 árboles
X Punta Arenas
8
con ramas de orientación norte y hojas totalmente expandidas, a partir de los cuales se obtuvieron
muestras de ramas durante la mañana (7:00–9:00h AM) con un cortador de ramas telescópico. Las cuales
inmediatamente fueron introducidas en tubos sellados de PVC de 4’ llenos con agua en condiciones de
oscuridad. Para eliminar la embolia en los haces vasculares de las porciones basales de las ramas, se cortó
5 cm por sobre la base de la rama, previamente sumergida en el agua. Posteriormente el tejido fue
transportado al laboratorio, donde fueron estimuladas con un panel de luz LED (80:20% luz roja:azul)
durante media hora, antes de la medición.
3.2 Caracterización micro-ambiental
La caracterización micro-ambiental de temperatura y humedad relativa por elevación, se realizó con
registradores de datos climáticos Hobo pro-v2 (OnSet Copmuter Corporation, Bourne, USA). Estas
variables se midieron desde marzo del 2014 hasta abril del 2015 con una frecuencia de una hora. Luego
se calculó las medias mensuales, desviación estándar y error estándar por elevación en valores netos, y
para la relación entre fotosíntesis y ambiente, se utilizaron los registros dentro el fotoperiodo, desde las
8:00 a las 20:00 h.
El cálculo del déficit de presión de vapor (DPV) se realizó según Murray 1967. Considerando las
variables de temperatura ambiental (T) y humedad relativa (HR), se calculó la presión de vapor (vp) en
kPa como sigue:
[1] vp=0.611(17.27*T/(T +237.3))
Finalmente, el déficit de presión de vapor (VPD) se calculó de la siguiente manera:
[2] VPD=vp-((RH/100)*vp)
3.3 Masa por área de hoja (LMA) y nitrógeno foliar (N)
De las ramas utilizadas para la medición de intercambio de gases y fluorescencia, se extrajeron entre 40
a 50 hojas por cada rama para determinación de la relación peso seco/área de hoja (LMA). Las hojas
fueron escaneadas y con el software ImageJ se calculó el área de hoja, luego las hojas fueron secadas por
60 h en un horno a 70°C para obtener su peso seco. El contenido relativo de nitrógeno foliar (N) por peso
seco se determinó en 3 muestras por elevación, del tejido usado para el LMA siguiendo el método de
Kjeldahl. Posteriormente se calculó el contenido de nitrógeno en base a peso por área (N g por m2 de
hoja), y multiplicando el contenido por área de N con los valores de LMA se obtuvo el contenido de
nitrógeno en base a la masa de la hoja.
9
3.4 Intercambio de gases y fluorescencia de la clorofila
Todas las mediciones de intercambio de gases fueron realizadas en hojas completamente expandidas en
5 árboles para cada sitio, con un IRGA Li-6400XT con una cámara con florímetro integrado (Li-6400-
40; Li-cor Inc., Nebraska, USA), durante la mañana y media tarde (9:00 a 15:00 hrs). Mediciones
preliminares permitieron definir que a densidad del flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) de 1000 µmol
m-2 s-1 se encuentra la saturación del proceso fotosintético. El flujo de aire se fijó en 300 ml min-1, la
temperatura del bloque a 20°C y la humedad del aire se mantuvo a las condiciones ambientales (~ 40-
50%) haciendo VPD entre 1 y 1.5 kPa. Se llevaron a cabo curvas de respuesta a la luz fotosintética a una
concentración (Ca) de CO2 de 400 µmol mol-1, variando PPFD de 2000 a 0 µmol m-2 s-1 (90:10% red:blue
light). La respuesta en AN al cambio en la concentración de CO2 atmosférico (Ca), se desarrolló 20%
sobre el LSP y consistió en 13 diferentes concentraciones de CO2 entre 50 y 2000 µmol mol-1, según el
procedimiento de Galmes et al. (2011), obteniendo curvas AN-Ci. Se corrigieron las mediciones a través
de la cuantificación de fugas hacia dentro y fuera de la cubeta según Flexas et al. (2007). En aquellos
casos en que la hoja no alcanzó a cubrir la totalidad de la cubeta de medición de intercambio de gases,
se recortó el área que utilizaba la hoja con un gasket idéntico al espacio disponible en la cubeta. Luego
se calculó el área de la hoja con el mismo método utilizado previamente para el cálculo de LMA.
Finalmente se corregían los parámetros obtenidos con el área real de la hoja.
3.5 Estimación de conductancia del mesófilo al CO2 (gm), velocidad máxima de carboxilación
(Vc.max) y velocidad máxima de transporte de electrones (Jmax)
Los datos fueron modelados mediante el modelo mecanistico de fotosíntesis propuesto por Farqhuar et
al. (1980). Posteriormente, se utilizaron dos métodos diferentes para estimar gm y valores de Vc,max y
Jmax. En el primero, los tres parámetros se obtuvieron simultáneamente por el método descrito por
Sharkey et al. (2007), el cual considera un ajuste iterativo de curvas por mínimos cuadrados de las curvas
AN-Ci. En el segundo método, se usó la ecuación de Harley et al. (1992), con el fin de obtener la
concentración de CO2 en el cloroplasto (Cc).
[3] CC = ᴦ*(Jflu+8(AN+Rd))/(Jflu–4(AN+Rd))
Donde ᴦ * corresponde al punto de fotocompensación del CO2 a nivel de cloroplasto (Flexas et al. 2009)
y Jflu es la tasa de transporte de electrones. Esta última obtenido como:
[4] Jflu = ϕPSIIxPPFDxLabsx0.5,
En (2), Labs la absorbancia de la hoja estándar para hoja caduca y ϕPSII es la eficiencia fotoquímica,
obtenida con la siguiente operación:
10
[5] ϕPSII = F’m – Fs/F’m,
Luego de [3], se pueden transformar curvas AN-Ci a curvas AN-CC, obteniendo gm como:
[6] gm = AN/(Ci–Cc)
Se utilizaron los parámetros de dependencia térmica de la cinética de la Rubisco descritos por Bernacchi
et al. (2002). Tasa de respiración en oscuridad (Rd), se consideró la mitad de la tas de respiración en luz
(Rn; Niinemets et al. 2005; Gallé et al. 2012). La tasa de fotorespiración (Pr) se calculó acorde a Valentini
et al. (1995), combinando mediciones de intercambio de gases y fluorescencia de la clorofila a.
3.6 Análisis cuantitativo de las limitaciones fotosintéticas
El cálculo de la contribución relativa de las limitaciones fotosintéticas de los principales procesos que la
determinan se realizó siguiendo a Grassi & Magnani (2005). Esta aproximación utiliza valores de AN, gs,
gm y Vc,max, que permite dividir las limitaciones fotosintéticas atribuibles a la vía difusiva el CO2;
(Conductancia estomática y conductancia del mesófilo; SL y MCL) y a procesos bioquímicos; (BL),
asumiendo como referencia (o tratamiento control) la elevación que registre la máxima tasa de
asimilación de CO 2 (Grassi & Magnani 2005; Flexas et al. 2013). Finalmente, las limitaciones no-
estomáticas fueron definidas acorde a Flexas et al. (2009), como la suma de la contribución entre la
conductancia del mesófilo y procesos bioquímicos (NSL = MCL + BL), mientras que las limitaciones
difusivas como la suma entre la conductancia estomática y del mesófilo (DL = SL + MCL). El total de las
limitaciones (TL) fue la suma de todos sus componentes. Para el caso del gradiente de elevación de N.
pumilio se tomó como referencia la población que presentó la mayor asimilación neta (AN) bajo
condiciones naturales de luz saturante y CO2 ambiental, correspondiente en este estudio a la población
a los 30 m de elevación.
3.7 Análisis Estadístico
Se utilizó un Análisis de Varianza (ANOVA; P < 0.05) para identificar diferencias estadísticas en los
distintos parámetros ecofisiológicos y micro-ambientales entre elevaciones. Cada media fue calculada
con al menos 5 réplicas de individuos distintos. La normalidad y homocedasticidad de los datos fue
comprobada con las pruebas de Shapiro Wilk (P < 0.05) and Levene (P < 0.05), respectivamente. Las
diferencias entre medias fueron determinadas con la prueba de Duncan (P < 0.05). Todos los análisis se
realizaron con el programa libre RStudio, acoplado con los paquetes estadísticos “agricolae”
(http://tarwi.lamolina.edu.pe) y “MASS” (http://www.stats.ox.ac.uk/pub/MASS4).
11
4 RESULTADOS
4.1 Caracterización ambiental
Se obtuvieron para el periodo marzo 2014 – marzo 2015 promedios anuales de temperatura del aire
5.03°C (±0.04 ES), 4.77°C (±0.04 ES) y 2.74°C (±0.04 ES) a los 30, 270 y 510 m de elevación,
respectivamente (Anexo 3), existiendo un gradiente que tiende a la disminución de la temperatura del
aire al aumentar la elevación. En adición la humedad relativa registró promedios anuales mayores a 80%
en los tres sitios del gradiente, aunque a los 270 y 510 m se alcanzaron valores mínimos 10% más bajos
que a los 30 m de elevación (Anexo 3), probablemente por la influencia de la mayor cercanía al mar y
humedad relativa a los 30 m.
La longitud del fotoperiodo de verano en Isla Navarino fue de 12 h de 8:00 a 20:00 h., acorde a 2
sensores cuánticos instalados durante los días de medición. En adición, a partir de los datos de T y HR
se calculó el DPV. El DPV representa una variable integradora entre temperatura del aire, humedad
relativa y la transpiración de la planta (Figura 2, cuadro 1). T y HR alcanzaron promedios anuales a los
30 m de elevación de 6.4 ±0.15 °C y 83 ±0.61% respectivamente, siendo estos valores los más altos en
el gradiente, en consistencia con el DPV que alcanzó el valor más bajo del gradiente (13 ± 0.0 kPa;
Cuadro 1). T y HR presentaron disminuciones con el aumento en la elevación de 41 y 12% entre los 30
y 510 m de elevación, respectivamente. Por el contrario, el DPV presentó la tendencia opuesta,
aumentando su valor en un 38% entre los 30 y 510 m de elevación (cuadro 1). Finalmente, las principales
diferencias climáticas para el periodo en el cual se realizaron las mediciones (marzo de 2014 ) fueron: a)
el sitio a los 270 m de elevación registró el mayor DPV (0.12 kPa ±0.005 ES), siendo un 19% más
desecante que a los 30 m de elevación, y b) el sitio a los 510 m de elevación registró la menor T (3.4 °C
±0.2 ES) siendo un 47% más frío que a los 30 m de elevación (Anexo 5).
4.2 Masa por área de hoja (LMA) y contenido de N foliar
La masa por área de hoja aumentó con la elevación haciéndose la hoja más pequeña y pesada, se
obtuvieron valores de 81.6; 85.3 y 109.2 g m-2 a los 30, 270 y 510 m s.n.m., respectivamente (Anexo 3).
El contenido de nitrógeno foliar en base a área no vario entre elevaciones. Sin embargo, al expresar el
contenido de N en base a masa (g m-2), éste aumentó 10.4% a los 270 m y 34.4% a los 510 m con respecto
a los 30 m de elevación (Anexo 3), aunque sin presentar diferencias estadísticas significativas (p > 0.05).
12
Figura 2. Variación anual para el periodo marzo 2014 a febrero 2015 de la temperatura del aire (A),
humedad relativa (B) y el déficit de presión de vapor (C) en el gradiente de elevación del Cerro Róbalo.
Los valores son promedios mensuales y error estándar, entre las 08:00 y 22:00 h, a los 30 m (círculo
relleno), 270 m (círculo vacío) y 510 m (triángulo relleno) de elevación.
13
Cuadro 1. Medias anuales de temperatura del aire (T), humedad relativa (HR) y déficit de presión de
vapor (DPV) para el periodo marzo 2014 a febrero 2015 entre las 8:00 y 20:00 h. (media ± error estándar)
en el gradiente de elevación del Cerro Róbalo. Se indica la diferencia relativa porcentual entre los 30 y
270 m de elevación (30-270), y entre los 30 y 510 m de elevación (30-510) para cada variable climática
(porcentaje en negrita).
4.3 Intercambio de gases y fluorescencia de la clorofila
La tasa de asimilación de CO2 (AN) presentó su mayor valor a los 30 m de elevación siendo de 14.5 µmol
CO2 m-2 s-1, sin variación significativa entre los 30 y 510 m, en esta última elevación AN alcanzó 13.3
µmol CO2 m-2 s-1 (cuadro 2). El menor valor de AN se registró a los 270 m, alcanzando 11.7 µmol CO2
m-2 s-1, presentando una disminución significativa entre los 30 y 270 m de elevación (p < 0.05). Con
respecto a los componentes difusivos del CO2, la conductancia estomática (gs) no varió estadísticamente
(p < 0.05) a lo largo del gradiente de elevación, manteniéndose constante alrededor de 0.08 µmol CO2
m-2s-1 (cuadro 2). Por el contrario, la conductancia del mesófilo (gm) disminuyo con la elevación (p <
0.05), en un 46.9% entre los 30 y 270 m y en un 53% entre los 30 y 510 m de elevación (cuadro 2). Esta
disminución en la conductancia del mesófilo produjo un desabastecimiento de CO2 en el cloroplasto (Cc)
a los 510 m con respecto a los 30 m de elevación (Anexo 2), siendo Cc significativamente menor en un
19% (diferencia p < 0.05).
Por otro lado, los componentes bioquímicos presentaron mayores restricciones a 270 m de
elevación. La velocidad máxima de carboxilación de la enzima Rubisco (Vc,max) aumentó con la
elevación, a los 510 m Vc,max se registró un valor de 91.7 µmol CO2 m-2 s-1 (40% mayor que a los 30 m;
cuadro 2). El aumento en la capacidad de carboxilación en la población de N. pumilio a los 510 m de
elevación es visible al comparar la pendiente de la porción lineal de las curvas de respuesta de asimilación
Variable climática
Elevación (m)
Media (± ES) Diferencia relativa con 30 m
30 6.39 ± 0.15 T (°C) 270 6.37 ± 0.18 -6.7 %
510 4.17 ± 0.18 -41.1 % 30 82.55 ± 0.61
HR (%) 270 76.51 ± 0.74 -10.1 % 510 78.17 ± 0.69 -12.2 % 30 0.13 ± 0.00
DPV (kPa) 270 0.18 ± 0.01 37.6 % 510 0.18 ± 0.01 38.4%
14
neta (AN) con el contenido de CO2 en el cloroplasto (Cc), donde la pendiente de asimilación a los 510 m
de elevación es la más empinada en comparación con los otros sitios (Figura 4B). Sin embargo, no
existieron diferencias significativas entre los 30 y 270 m de elevación, registrándose valores de 67.6 y
69.2 µmol CO2 m-2 s-1, respectivamente. Una tendencia similar se encontró con la tasa máxima de
transporte de electrones (Jmax) que también se incrementó con el aumento en la elevación, no difiriendo
estadísticamente entre los 30 y 270 m de elevación, con 151.6 y 138.6 µmol e m-2 s-1 respectivamente,
pero aumentando significativamente a 182.4 µmol e m-2 s-1 a los 510 m de elevación (20% más alto con
respecto a los 30 m; cuadro 2). El aumento en la capacidad bioquímica y fotoquímica en el gradiente de
elevación, se tradujo en que la mayor asimilación de CO2 bajo condiciones de luz y CO2 a saturación
(Amax) se registró a los 510 m de elevación, con 33.89±1.3 μmol CO2 m-2 s-1 (cuadro 2), mientras que en
las elevaciones más bajas Amax registrando valores menores 30.99 μmol CO2 m-2 s-1 a los 30 m de
elevación y 26.48 μmol CO2 m-2 s-1 a los 270 m de elevación (cuadro 2). Adicionalmente, se encontró
una relación linear positiva entre Vc,max, Jmax, Amax, y el contenido de N foliar en base a masa por área de
hoja (Figura 3).
Cuadro 2. Características fotosintéticas de las poblaciones de N. pumilio en el gradiente de elevación a
los 30, 270 y 510 m. gm, Vc,max y Jmax fueron calculados según dos metodologías a PPFD de 1000 µmol
m-2 s-1, 20°C y 400 µmol CO2 m-2 s-1; modelo fotosintético Farqhuar et al 1980 y cálculo de Cc de Harley
et al. 1992, y el método iterativo de ajuste de curvas por mínimos cuadrados de Sharkey et al. 2007. Los
valores son medias ± error estándar de 8 a 12 réplicas por población medidas en diferentes individuos.
Letras indican diferencias significativas a través del test de LSD (p < 0.05).
Elevación (m) 30 270 510 AN (μmol CO2 m-2 s-1) 14.37 ± 0.86a 11.82 ± 0.6b 13.52 ± 0.74ab Amax (μmol CO2 m-2 s-1) 30.99 ± 1.8ab 26.48 ± 1.5b 33.89 ± 1.3a Rd (μmol CO2 m-2 s-1) 0.78 ± 0.11b 1.36 ± 0.18a 1.38 ± 0.10a gs (mol CO2 m-2 s-1) 0.08 ± 0.01a 0.08 ± 0.01a 0.08 ± 0.01a gm Farq.-Har. (mol CO2 m-2 s-11) 0.24 ± 0.01a 0.12 ± 0.01b 0.11 ± 0.01b Vc,max Farq.-Har.(μmol CO2 m-2 s-1) 67.56 ± 7.74b 69.19 ± 4.91ab 91.73 ± 6.38a Jmax Farq.-Har. (μmol e m-2 s-1) 151.57 ± 10.29ab 138.57 ± 8.12b 182.35 ± 8.05a gm Sharkey (mol CO2 m-2 s-1) 0.42 ± 0.08b 0.62 ± 0.07 ab 0.74 ± 0.08a Vc,max Sharkey (μmol CO2 m-2 s-1) 65.04 ±5.14ab 56.35 ± 4.55b 76.61 ± 2.97a Jmax Sharkey (μmol e m-2 s-1) 129.67 ± 5.49ab 123.54 ± 7.27b 150.12 ± 5.20a Jflu ó ETR(μmol e m-2 s-1) 123.61 ± 25.65ab 101.62± 19.45b 140.51 ± 24.68a Pr (μmol CO2 m-2 s-1) 5.86 ± 0.57b 4.69 ± 0.33b 7.52 ± 0.62a
15
La tasa de respiración en oscuridad (Rd) aumentó con la elevación, registrando el menor valor a los
30 m de 0.78 μmol CO2 m-2 s-1, y luego aumentando en un 74.4% y 76.9% hacia los 270 y 510 m,
respectivamente (cuadro 2). La fotorespiración (Pr) también mostró una tendencia al aumento con la
elevación, siendo de 5.86 μmol CO2 m-2 s-1 a los 30 m de elevación, sin variar hacia 270 m de elevación,
y aumentando significativamente en un 33.5% en los 510 m de elevación, respecto a los 30 m (cuadro
2).
4.4 Limitaciones fotosintéticas
Se realizó un análisis cuantitativo de limitaciones fotosintéticas identificando la contribución de los
componentes difusivos y bioquímicos, tomando como referencia el sitio que registró la mayor tasa de
asimilación de CO2 a 1000 µmol m-2 s-1, 20°C y 400 µmol CO2 m-2 s-1. La cual, en éste caso correspondió
a la población de los 30 m de elevación. Se encontró que las limitaciones difusivas (DL) direccionan y
protagonizan el total de las limitaciones fotosintéticas impuestas a la asimilación en las poblaciones de
elevación de N. pumilio. Las limitaciones impuestas por conductancia estomática resultaron mayores a
los 270 m con un 43%, disminuyendo a 37% a los 510 m (cuadro 3). Por otro lado, las limitaciones
impuestas por la conductancia del mesófilo aumentan en el gradiente de elevación entre 57 y 64 % a los
270 y 510 m, respectivamente. No existen limitaciones bioquímicas a lo largo del gradiente de elevación.
Cuadro 3. Cuantificación de las limitaciones fotosintéticas de las poblaciones de N. pumilio en el
gradiente de elevación a los 30, 270 y 510 m. En la población control, se muestran los parámetros
fotosintéticos difusivos (gs y gm; mol CO2 m-2s-1) y no difusivos (Vc,max; μmol CO2 m-2s-1) y la asimilación
neta (AN; μmol CO2 m-2s-1). Las limitaciones relativas (%) impuestas por él estoma (SL), el mesófilo
(MCL), las limitaciones bioquímicas (BL), así como las limitaciones difusivas (DL) y no estomáticas
(NSL).
Población control gs gm Vc,max AN
30 m 0.08 (±0.01) 0.24 (±0.01) 67.56 (±7.7) 14.47 (±0.7)
Limitaciones relativas SL MCL BL NSL (MCL+BL) DL (SL+MCL)
270 m 41.46 58.54 0 58.54 100
510 m 35.01 64.99 0 64.99 100
16
Figura 3. Relación entre contenido de Nitrógeno foliar en base masa por área y capacidad fotosintética
a 30 m (círculo relleno), 270 m (círculo vacío) y 510 m (triángulo relleno) de elevación. Los datos
corresponden a 3 réplicas por elevación. Amax presentó r2 = 0.63; Vc,max presentó r2 = 0.79; y Jmax presentó
r2 = 0.7.
17
Figura 4. Respuesta de la tasa de fotosíntesis neta (AN) a la concentración de CO2 en la cavidad sub-
estomática (Ci) y en el cloroplasto (Cc) en las poblaciones de N. pumilio en el gradiente de elevación a
los 30, 270 y 510 m. Los valores medias con error estándar, calculado a partir de 7 a 11 réplicas de
árboles adultos bien iluminados. Las líneas corresponden al ajuste del modelo de Farquhar de las curvas
de respuesta; puntos separados corresponde a los 30 m, línea continua a los 270 m y guiones separados
a los 510 m de elevación.
18
5 DISCUSIÓN
En la última década de investigación en ecofisiología de la fotosíntesis, la conductancia del mesófilo al
CO2 (gm) ha sido objeto de múltiples estudios tendientes a dilucidar sus mecanismos de control y su
naturaleza (Flexas et al 2008, Flexas et al 2012). Interesantemente, el presente estudio identificó a la gm
como el principal limitante que restringe la fotosíntesis en el límite arbóreo, probablemente por la
exposición de las hojas a temperaturas por debajo de los 5°C. Más aún, en los bosques sub-antárticos de
N. pumilio, gm es el regulador principal que condiciona la disponibilidad de CO2 en el cloroplasto para
su carboxilación. Lo anterior, se debe a la insensibilidad en la regulación estomática y no limitación a lo
largo del gradiente de elevación, probablemente determinada por la alta y constante HR a que estos
bosques están expuestos durante todo el año. Por otro lado el aumento en la capacidad fotosintética, así
como en la actividad enzimática, contribuye positivamente a la ganancia de carbono en los sitios de los
extremos del gradiente de elevación, entre el nivel del mar y el límite arbóreo. Lo anterior, se identifica
como ajustes homeostáticos o compensatorios en la maquinaria fotosintética que inducen a mantener una
tasa de asimilación de CO2 similar en el gradiente de elevación.
5.1 Disminución del metabolismo difusivo en el gradiente de elevación
Körner et al (2004) propone un umbral térmico global para el límite arbóreo en zonas boreales y sub-
árticas (51-61°N) de entre 6 a 7°C para el periodo de crecimiento. Al promediar las temperaturas entre
noviembre y marzo de los datos obtenidos en el límite arbóreo (510 m) del Cerro Róbalo (55°S, en Anexo
3, datos en gris se consideran periodo de crecimiento), se obtiene un promedio de 4.64 °C,
significativamente por debajo del umbral térmico obtenido en similar latitud para el hemisferio norte por
Körner et al 2004. En este contexto, el estudio evidencio gradiente de disminución de la temperatura del
aire, desde el nivel del mar hacia el límite arbóreo en el Cerro Róbalo en la Isla Navarino, alcanzando un
promedio anual por debajo de los 5°C a los 510 m de elevación (cuadro 1). La relación lineal entre los
valores promedios de temperatura del aire para el mes de marzo de 2014 y gm, promedio por elevación,
arrojó una correlación de r2 = 0.4, explicando en forma parcial los cambios en los valores de gm (Figura
5.A). En adición, al evaluar la relación lineal entre los valores promedios del déficit de presión de vapor
de marzo 2014 y gm, se obtiene una correlación negativa (r2 = -0.66) que describe la disminución de gm
con el aumento en el DPV (Figura 5.B). Considerando que desde los 270 m de elevación el ambiente
resultó ser más desecante, la población de N. pumilio a los 270 m de elevación registró mayores
limitaciones impuestas por gm (cuadro 2, cuadro 3. B). En resumen, la combinación de bajas temperaturas
y el aumento en el DPV con la elevación, se relacionan con que el bosque a los 270 m de elevación
19
presente valores más restringidos de asimilación de CO2 (AN) y de capacidad máxima de asimilación de
CO2 (Amax) (cuadro 2).
Figura 5. Relación entre gm y temperatura del aire promedio en las poblaciones de N. pumilio a lo largo
del gradiente de elevación (gráfico A; r2 = 0.389) y el promedio de déficit de presión de vapor (gráfico
B; r2 = -0.662), ambos promedios para marzo de 2014. Los valores de gm para las poblaciones de N.
pumilio son; círculo relleno a los 30 m, círculo vacío a los 270 m y triángulo relleno a los 510 m.
5.2 Aumento en la capacidad fotosintética en el gradiente de elevación
El aumento con la elevación de la capacidad de carboxilación de la enzima Rubisco (Vc,max), la tasa
máxima de transporte de electrones (Jmax), tasa de transporte de electrones (ETR) y capacidad máxima
de asimilación (Amax) indican un aumento en la capacidad fotosintética en la población de N. pumilio a
los 510 m de elevación. Este incremento en los procesos bioquímicos de la fotosíntesis, parecieran estar
relacionados con el aumento en el contenido de N foliar (g m-2), el cual aumentó un 10% en los 270 m y
un 35% en los 510 m de elevación, con respecto al sitio de menor elevación (Anexo 5). El aumento
altitudinal del N foliar en base a masa ha sido documentado en varios estudios (Cordel et al 1999,
Hikosaka et al 2002, Shi et al 2006). El aumento en la capacidad fotosintética a los 510 m de elevación
es direccionada por el aumento en el contenido de N en las hojas, teniendo directa relación con la
capacidad fotosintética, ya que las proteínas del ciclo de Calvin-Benzon (RuBP carboxilasa y otras
enzimas) y aquellas en el tilacoide (complejos de proteínas antena y centro de reacción del PSII)
20
representan la mayoría del N en las hojas (Evans 1989). De esta manera, se desprenden relaciones lineares
entre los principales determinantes de la capacidad fotosintética y el contenido de nitrógeno, con
coeficientes de correlación (r2) positivos de 0.63; 0.79 y 0.75 para Amax, Vc,max y Jmax (Figura 3). En
concordancia, Shi et al (2006) reportaron un aumento en la conductividad del mesófilo y capacidad
fotosintética de Buddleja davidii en un gradiente de elevación entre los 1300 y 3400 m. Sin embargo, la
capacidad fotosintética de N. pumilio en el gradiente de elevación de este estudio es derivado por cambios
en la morfología (disminución del peso y área de hoja al aumentar en elevación) y el aumento en el
contenido de N en base a masa por área de hoja (Cuadro 2, Figura 3). Así, el aumento en la capacidad de
carboxilación, se corresponde con el aumento en masa por área foliar (Anexo 4); donde el área promedio
de hoja disminuyo 60% y el peso promedio de hoja disminuyó 30% entre elevaciones bajas y altas (datos
no mostrados).
Al igual que la capacidad fotosintética, la tasa de fotorespiración (Pr) aumentó con la elevación
(cuadro 2), implicando una disminución altitudinal en la eficiencia de fijación de CO2, producto del
aumento altitudinal en la tasa de oxigenación de la enzima RuBP. Lo anterior se evidencia por el aumento
en el valor de electrones con destino a procesos oxigenación (ETRo) de 47 a 60 µmol e m-2 s-1 entre los
30 y 510 m (Anexo 6). También, la disminución altitudinal en Cc (Anexo 2) puede explicar parte del
aumento en la tasa de oxigenación de la RuBP, disminuyendo la disponibilidad del sustrato carboxilativo,
aun cuando el estroma se encuentre bajo una situación de mejora en la velocidad de carboxilación de la
enzima Rubisco.
5.3 Limitaciones fotosintéticas
En el estudio de limitaciones fotosintéticas en plantaciones de roble europeo y fresno bajo condiciones
de ausencia de sequía, sequía moderada y sequía severa (Grassi & Magnani, 2006), los autores utilizaron
valores de referencia (sin limitaciones fotosintéticas) de AN, gs, gm, Amax y Vc,max, los cuales se presentaron
al principio de la etapa de crecimiento, y siempre tendieron a la disminución consecuente avanzaba la
estación y el tratamiento de sequía. Similarmente, Flexas et al (2013) atribuyó limitaciones fotosintéticas
en especies de helechos en comparación a características fotosintéticas de la especie Nicotiana tabacum,
con forma de crecimiento y características foliares similares, aunque mejor desempeño fotosintético. En
este estudio, para la determinación cuantitativa de limitaciones fotosintéticas, se tomó como referencia
los valores de la población de N. pumilio ubicada a los 30 m de elevación, por presentar el valor más alto
de AN. Sin embargo, no todos los parámetros fotosintéticos tendieron a la disminución por efecto de la
elevación (menor Vc,max a los 30 m y tendió al aumento con la elevación, por ejemplo). En resumen se
21
desprende que Vc,max contribuye de manera positiva a la asimilación fotosintética con el gradiente de
elevación; 3 y 36% a los 270 y 510 m (cuadro 1. B. Columna “BL”). Por otro lado, la mayor limitación
a la fotosíntesis la presento la conductancia del mesófilo (cuadro 1. B. Columna “MCL”). Las
limitaciones no estomáticas tendieron a la disminución con la elevación; 55 y 30% a los 270 y 510 m
respectivamente, debido a la compensación metabolica inducida por el incremento en los procesos
bioquímicos, resultando en la mantención de tasa de asimilación de CO2 entre distintas elevaciones.
5.4 Bosque sub-antártico y futuro
En base a registros de temperatura del siglo XX, se ha documentado una tendencia al aumento en la
temperatura promedio anual en el sur de la Patagonia (51-55°S) entre 1960 y 1992, siendo de 2.3°C 100
años-1 para Río Gallegos (~51°S), 2.1°C 100 años-1 para Punta Arenas (~53°S) y 1.5°C 100 años-1 para
Ushuaia (~54°S) (Rosenblüth et al. 1997). Por lo anterior, el bosque sub-antártico de la zona en estudio
estará sometido a nuevas presiones ambientales, como el aumento en la temperatura del aire, lo que a
nivel de hoja, tendería al aumento en la conductancia del mesófilo, mejorando la disponibilidad de CO2
para la carboxilación de la enzima Rubisco. Piper et al (2013), tras una simulación de calentamiento
global utilizando “open-top chambers”, concluyó que la sobrevivencia y crecimiento de plántulas de N.
pumilio se verá afectada positivamente por un futuro aumento en la temperatura, ya que la tasa de
crecimiento relativo aumenta con la temperatura, pero se indicó una dependencia del riego constante para
la mantención de tasa de crecimiento. Así mismo es que el crecimiento radial anual de N. pumilio y N.
betuloides en el límite arbóreo, ha reaccionado al aumento en la temperatura ambiental registrada en el
sur de la Patagonia de manera contraria; N. pumilio tendiendo al aumento (Aravena et al. 2002), mientras
que N. betuloides a la disminución (Llancabure 2011). Además, Aravena et al (2002) y Lara et al (2005)
documentan un comportamiento similar en las cronologías de ancho de anillos en los bosques de altura
del sur de la Patagonia (Punta Arenas, Tierra del Fuego, Isla Navarino) respondiendo de similarmente el
crecimiento radial interanual.
Con respecto a la elevación del límite arbóreo de N. pumilio, la evidencia en este estudio nos permite
suponer un aumento en la elevación del límite arbóreo de estos bosques en un escenario de aumento de
la temperatura ambiental, en las zonas que no experimentarán una disminución significativa en las
precipitaciones. Aravena et al (2002) documenta la relación de la precipitación con el crecimiento de N.
pumilio en los sitio más secos del sur de la Patagonia, destacando que en estas zonas puede existir una
restricción en el posicionamiento del límite arbóreo a menores elevaciones producto de sequía.
22
Finalmente, los resultados de este estudio indican la relevancia de conducir estudios adicionales que
consideren la variabilidad interespecífica a la disponibilidad hídrica y térmica en gradientes de elevación.
23
REFERENCIAS
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A
Anexos
Anexo 1. Abreviación de conceptos utilizados en este estudio.
LMA: Masa por área de hoja (por siglas en inglés; leaf mass area); AN: Asimilación neta; gs:
conductancia estomática; gm: conductancia del mesófilo; Ca: concentración atmosférica de CO2; Ci:
concentración intercelular de CO2, Cc: concentración de CO2 en el clorplasto; PPFD: densidad del flujo
de fotones fotosintéticos; Amax: Asimilación fotosintética bajo saturación lumínica y saturación de CO2;
Vcmax: Velocidad máxima de carboxilación de la enzima RuBisCO; Jmax: tasa máxima de transporte de
electrones; ETR: tasa de transporte de electrones; Rn: tasa de respiración mitocondrial; Rd: tasa de
respiración en oscuridad; Pr: tasa de fotorrespiración; SL: limitaciones impuestas por la conductancia
del estoma; MCL: limitaciones impuestas por conductancia del mesófilo; BL: Limitaciones por procesos
bioquímicos; DL: limitaciones difusivas; NSL: limitaciones no estomáticas; TL: Total de las limitaciones;
T: temperatura ambiental; HR: humedad relativa; DPV: déficit de presión de vapor
Anexo 2. Variación en la concentración de CO2 en el espacio intercelular (Ci; gráfico A) y concentración
de CO2 en el cloroplasto (Cc; gráfico B) en el gradiente de elevación del Cerro Róbalo. Las barras son
valores promedios de 8 a 12 repeticiones, las líneas de error indican error estándar y las letras indican
diferencia estadística significativa (p < 0.05).
B
Anexo 3. Cuadro de promedios brutos mensuales de Temperatura y Humedad Relativa (Tmean y
RHmean), con desviación estándar mensuales (Tdesv y RHdesv), error estándar mensual (Terror y
RHerror), valores mínimos mensuales (Tmin y RHmin) y promedio de medias mensuales para el periodo
de medición instrumental desde marzo 2014 a marzo 2015, para los peldaños del gradiente de elevación
del Cerro Róbalo a los 30, 270 y 510 m s.n.m.
2014 2015
m s.
n.m
.
Mar
zo
Abr
il
May
o
Juni
o
Julio
Ago
sto
Sept
iem
bre
Oct
ubre
Nov
iem
bre
Dic
iem
bre
Ener
o
Febr
ero
Mar
zo promedio
medias mensuales
30
Tmean 5.7 5.4 3.4 1.5 1.6 2.3 3.3 5.4 6.5 7.8 9.1 8.6 8.8 5.3
Tdesv 3.1 2.6 2.6 2.3 2.4 2.4 2.5 3.8 2.9 3.1 3.1 3.2 2.9 3.9
Terror 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.0
Tmin 0.1 -1.3 -2.2 -3.7 -5.0 -2.1 -1.6 -2.0 -0.4 1.3 1.3 0.9 1.7 -1.0
RHmean 89.1 93.4 92.0 95.6 90.9 92.2 89.6 79.5 76.2 81.1 77.0 81.2 79.2 81.3
RHdesv 11.0 7.0 9.4 7.4 9.2 7.9 9.7 14.5 14.3 13.7 13.7 13.5 15.5 13.6
RHerror 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.6 0.1
RHmin 46.4 67.2 57.4 61.6 50.8 62.8 57.3 36.8 36.6 38.7 38.7 40.0 34.8 48.4
270
Tmean 4.9 5.6 3.9 2.0 1.7 2.5 2.9 5.2 5.7 7.0 8.4 7.7 8.5 5.0
Tdesv 3.6 3.3 2.9 2.8 3.1 3.0 3.0 4.5 3.5 3.8 3.8 3.8 3.4 4.2
Terror 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.0
Tmin -0.8 -1.3 -1.9 -3.5 -4.9 -2.8 -3.1 -3.6 -0.9 0.1 0.1 0.1 0.1 -1.7
RHmean 86.8 86.1 80.0 85.6 81.6 82.3 83.0 72.0 73.8 79.9 76.0 80.4 74.8 80.2
RHdesv 11.5 10.5 11.5 11.4 12.3 12.7 12.2 16.7 14.8 14.4 14.4 15.1 15.9 14.5
RHerror 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.6 0.6 0.5 0.5 0.6 0.6 0.1
RHmin 41.8 48.7 46.5 42.5 31.4 24.4 46.0 28.1 32.6 35.1 35.1 33.6 30.1 36.6
510
Tmean 2.8 4.0 1.9 -0.1 -0.3 0.5 0.7 3.2 3.7 5.0 6.3 5.4 6.5 3.0
Tdesv 3.6 3.7 2.7 2.4 3.1 2.6 2.9 4.4 3.4 3.9 3.9 3.7 3.6 4.2
Terror 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.0
Tmin -3.0 -3.8 -3.7 -5.3 -7.0 -5.2 -5.1 -5.8 -2.7 -1.9 -1.9 -0.2 -2.0 -3.7
RHmean 87.5 84.2 81.8 87.0 82.6 83.5 85.8 71.6 73.6 80.5 77.6 83.3 77.4 81.3
RHdesv 9.9 12.1 10.9 9.2 11.9 12.7 11.0 16.5 14.5 13.9 13.9 13.0 14.3 13.8
RHerror 0.4 0.4 0.4 0.3 0.4 0.5 0.4 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5 0.6 0.1
RHmin 46.6 43.2 45.6 55.8 33.4 27.3 42.0 27.5 31.7 37.4 37.4 37.9 33.9 38.4
C
Anexo 4. Variación altitudinal de masa por área foliar (A), contenido de N en base a porcentaje (B) y
contenido de N en base a masa por área foliar (C) en el gradiente de elevación del Cerro Róbalo. Valores
son medias de 8 a 12 réplicas para masa por área foliar y 3 réplicas para ambas expresiones de contenido
de N. Se indica el error estandar en barras verticales y letras indican diferencias estadísticas significativas
con p < 0.05.
D
Anexo 5. Tabla diferencia (Δ) relativa porcentual de variables climáticas (T; temperatura, HR;
humedad relativa, DPV; déficit de presión de vapor) entre los 30 y 270 m de elevación (30-270), y
entre los 30 y 510 m de elevación (30-510).
Anexo 6. Gráfico de tasa de transporte de electrones según su destino a carboxilación (ETRc) u
oxigenación (ETRo) en el gradiente de elevación, indicando el índice de especificidad de la enzima
Rubisco. Los valores son medias de 8 a 12 réplicas por elevación, en respuesta a PPDF de 1000 µmol
m-2 s-1, 20°C y 400 µmol CO2 m-2 s-1
ΔT 30-270 ΔT 30-510 ΔRH 30-270 ΔRH 30-510 ΔDPV 30-270 ΔDPV 30-510 Marzo 2014 -10.42 -46.50 -2.68 -0.79 18.47 16.37 Abril 2014 5.76 -20.67 -8.76 -11.24 98.69 137.69 Mayo 2014 19.05 -39.11 -14.19 -11.65 148.42 142.22 Junio 2014 37.75 -88.65 -11.62 -9.04 201.43 184.26 Julio 2014 18.89 -97.76 -11.38 -10.20 112.31 117.51
Agosto 2014 15.93 -59.60 -11.88 -9.59 99.40 98.27 Sept 2014 -5.89 -63.37 -7.67 -4.08 50.20 40.34 Oct. 2014 1.75 -29.93 -10.49 -10.87 29.55 41.31 Nov. 2014 -6.40 -33.11 -3.03 -2.55 7.80 14.93 Dic. 2014 -4.51 -27.74 -1.68 0.27 5.14 6.10
Enero 2015 -2.63 -23.78 -0.57 3.08 -0.18 -1.84 Febrero 2015 -6.40 -31.48 -1.00 4.82 3.33 -7.91 Marzo 2015 -1.73 -20.10 -5.68 -1.97 16.94 13.07
4.70 -44.75 -6.97 -4.91 60.88 61.72
