Isótopos de carbono en plantas - udec.clrriquelm/01_Carbono_CursoIsotopes2017.pdf · en plantas...
59
Is Is ó ó topos topos de de carbono carbono en en plantas plantas Juan Pedro Ferrio Dpto. Botánica, Universidad de Concepción
Transcript of Isótopos de carbono en plantas - udec.clrriquelm/01_Carbono_CursoIsotopes2017.pdf · en plantas...
IsIsóótopostopos de de carbonocarbono en en plantasplantasJuan Pedro Ferrio
Dpto. Botánica, Universidad de Concepción
IsIsóótopos de carbono en plantastopos de carbono en plantas
Conceptos
generales•
Fuentes de variación: CO2
atmosférico, discriminación
isotópica, respuesta
ambiental
•
Vías
fotosintéticas: C3, C4, CAM
Aplicaciones•
Isótopos
de carbono
como
medida
de
eficiencia
hídrica•
Fraccionamiento
post-fotosintético
•
Experimentos
de marcaje
Conceptos generalesConceptos generales
Isótopos:
formas
de un mismo elemento
químico
que
difieren
en el
número
de neutrones•Inestables
(radioactivos) se desintegran
espontáneamente
en el tiempo
→14C
•Estables
(no radioactivos) no decaen
en una
escala
de tiempo
geológica
Conceptos generalesConceptos generales
Fraccionamiento:
todos
los
procesos químicos
y físicos
alteran
las
proporciones
entre
isótopos
Enriquecimiento
vs. empobrecimiento: Incremento
o disminución
de la proporción
del isótopo
menos
abundante
(pesado)
Principales isPrincipales isóótopos estables en la biosferatopos estables en la biosfera
Par de isótopos13C/12C 15N/14N 18O/16O 2H(D)/1H
Estándar PDBb N2
aire SMOWc SMOWc
Notación 13C (‰) 15N
(‰) 18O
(‰) 2H / D
(‰)Abundancia
(%)a 1,1 0,37 0,20 0,015
a
Abundancia
del isótopo
pesado
respecto
al total del elementob
PDB, Pee-Dee Belemnite (calcárea)c
SMOW, Standard Mean Ocean Water
Mateo et al., 2004
IRMS
Materia Orgánica
Encapsulado y combustión (EA)
Homogeneizado / Extracción compuestos
MMéétodos de antodos de anáálisis (lisis (1313C)C)
Hidrólisis ácidaCarbonatos(hueso, dientes)
Carbonatos
Muestreo CO2
Inyección
Laser
(IRIS)
MMéétodos de antodos de anáálisis: IRMSlisis: IRMS
USGS 2001
MMéétodos de antodos de anáálisis: espectroscoplisis: espectroscopíía a laserlaser
http://www.picarro.com/
Isótopos
de carbono13C (‰)
Mateo et al., 2004
Isótopos
de carbono13C (‰)
Mateo et al., 2004
•
13C (‰) en plantas
es
menor
que
en CO2→Discriminación
isotópica
(13C)
Isótopos
de carbono13C (‰)
Mateo et al., 2004
•
13C (‰) en plantas
es
menor
que
en CO2→Discriminación
isotópica
(13C)
•
Discriminación
variable→via fotosintética
(C3,C4,CAM) y fisiología
Cambios
en CO2
atmosférico
•
Dos isótopos
estables
de carbono:•
Carbono
12 (99%)
•
Carbono
13 (1%)
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica de carbono (Cpica de carbono (C33
))
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica de carbono (Cpica de carbono (C33
))
13C es más
pesado y menos
reactivo:
-
difunde
más despacio
a través
de
los
estomas→fracc. físico
-
RuBisCo fija preferentemente
12C
en la fotosíntesis→fracc. químico
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica de carbono (C3)pica de carbono (C3)
a= 4.4‰ Fracc. Físico (ESTOMA)
b= 27‰ Fracc. Químico (RUBISCO)
Condon
et al. (1990)
Trigo
Correlación entre EUAi
y 13C en genotipos de trigo
EUAi
C3
C4
(14-28 ‰)
(2-9 ‰)
Farquhar
et al., 1989
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica de carbono (Cpica de carbono (C33
))
pi
/pa
: ratio entre CO2
internoy atmosférico
Refleja relación A/gs
=EUAi
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica y estado hpica y estado híídrico (Cdrico (C33
))
Sin estrés:•CO2
intercelular (ci
) no limitado•RuBisCO
“prefiere
12CO2
”
•→Mayor
13C
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica y estado hpica y estado híídrico (Cdrico (C33
))
Sin estrés:•CO2
intercelular (ci
) no limitado•RuBisCO
“prefiere
12CO2
”
Estrés hídrico:•CO2
intercelular (ci
) limitado por cierre estomático•RuBisCO
“no tiene
dónde elegir”
•→Mayor
13C
•→Menor
13C
Filella
& Peñuelas 2003
δ13C de plantas
C3
y estado
hídrico
Primavera (húmeda) valores más negativos (menos eficiencia)
Variación entre especies según grado de regulación estomática
δ13C de plantas
C3
y estado
hídrico
Essay4_3_TallTreesTaiz
& Zeiger
2010
http://5e.plantphys.net/
Transporte de agua: límites al crecimiento en alturaEn grandes árboles, las hojas de la parte alta
sufren más estrés hídrico: se refleja en 13C
Stewart et al. (1995)
δ13C de plantas
C3
y precipitación
Precipitation (mm)200 400 600 800 1000 1200
Woo
d
13C
(‰)
15
16
17
18
19
QuercusPinus
Water inputs (mm)0 50 100 150 200 250
Gra
in
13C
(‰)
12
14
16
18
20
WheatBarley
Trigo y cebada
Pino y encina
Ferrio
et al. 2005; 2006
Figure 1 Proposed models for factors that influence δ13C of C3 plants.
Kohn
(2016)
Geochem. Persp. Let. 2, 35-43
| doi: 10.7185/geochemlet.1604 ©
2016 European Association of Geochemistry
KohnCarbon isotope discrimination in C3 land plants is
independent of natural variations in pCO2
δ13C de plantas
C3
y precipitación
VVíía fotosinta fotosintéética (Ctica (C33
, C, C4, 4, CAM)CAM)
Rubisco
PEPC PEPC
CO2
CO2
CO2
VVíía fotosinta fotosintéética (Ctica (C33
, C, C4, 4, CAM)CAM)
Sternberg
et al. 1984
C3
templado
y húmedo, δ
13C = -25 –
-23 ‰ C4
cálido
y seco, δ
13C = -15 –
-12 ‰ CAM cálido
y muy
seco, δ
13C = -25 –
-12 ‰
C3 C4
CAM
C3 C4Source: D.G. Williams
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica de carbono (Cpica de carbono (C33
vs. Cvs. C44
))
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica de carbono (Cpica de carbono (C44
))
Farquhar
et al., 1989
En C4
CO2
fijado inicialmente por PEPC→Poca
discriminación
→Poca
variación
ambiental
y genética
(independiente
de estomas)
C3
C4
(14-28 ‰)
(2-9 ‰) (fuga CO2 )
Rendimiento (sorgo) Tolerancia a sequía (maíz)
Monneveux
et al. 2007
Hubick
et al. 1990
VariaciVariacióón genn genéética en discriminacitica en discriminacióón (Cn (C44
))
a
i
a
i
a
ia
ccaba
ccb
ccca )(
4.4estomas
27rubisco
DiscriminaciDiscriminacióón en Cn en C33
a
i
ccabba )( 34
4.4estomas
2.0PEP carboxilasa
Variación
en la discriminación
en plantas
C4
depende
de las
pérdidas
de CO2
por
las
células
vaina
vascular (
DiscriminaciDiscriminacióón en Cn en C44
a
i
ccaba )( 4
4.4estomas
2.0PEP carboxilasa
DiscriminaciDiscriminacióón en CAMn en CAM
VVíía fotosinta fotosintééticatica
Farquhar et al. 1989
Relación
entre
13C y eficiencia en el uso
del agua
•
El flujo
de agua
transpirada
comparte
la misma
vía
que la difusión
de CO2
, aunque
en sentido
opuesto
•
Variaciones
en conductancia
estomática
y/o capacidad fotosintética
afectan
la eficiencia
en el uso
del agua
de la
planta
ea)(eiCi/Ca)Ca(11/1,6A/E
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica y pica y EUAEUAii
(C(C33
))
Relación
entre
13C y eficiencia
en el uso
del aguaDiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica y pica y EUAEUAii
(C(C33
))
Condon
et al. (1990)
Trigo
EU
A (A
/E)
Condon et al 2004
EUAi
(A/gs)
Trigo
Trigo
Dos escenarios posibles: forma de aumentar A/gs
ESCENARIO 1 Baja
gs
(ahorro
de agua) → asociación
negativa
entre
EUA y crecimiento
vs.
ESCENARIO 2 Alta
A (fijación
eficiente
de C)
→ asociación
positiva
entre EUA y crecimiento
VariaciVariacióón genn genéética en tica en EUAEUAii
(A/gs
)
•
Se basa
en el modelo
de Passioura
para
condiciones
de cultivo
en las
que
el agua
es
el principal factor limitante:
RendimientoRendimiento = = AguaAgua utilizadautilizada x EUA x x EUA x IndiceIndice de de cosechacosecha
Condon et al., 1990
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica y productividad (Cpica y productividad (C33
))
Ambiente desfavorableEscenario 1
Ambiente favorableEscenario 2
Factores
que
condicionan
la asociación
‘inesperada’ de naturaleza
positiva
entre
13C y rendimiento:
1) En muchos
cultivos
(p.ej. Cereales), la variación
genotípica
en EUA se debe
fundamentalmente
a variaciones
en conductancia
estomática
3) Mayores
tasas
de crecimiento, debidas
a mayores
conductancias estomáticas, no siempre
se reflejan
en un gasto
más
rápido
del agua
almacenada
4) Una
mayor
suele
asociarse
a mayores
índices
de cosecha
debido a la relación
negativa
de
con la fenología
del cultivo
2) Menores
conductancias
estomáticas
se asocian
a menores
tasas
de crecimiento
y menor
gasto
de agua, especialmente
en ausencia
de
estrés
hídrico
destacable UsoUso ''conservadorconservador' del ' del aguaagua
UsoUso ''prolijoprolijo' del ' del aguaagua
IndiceIndice de de cosechacosecha
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica y productividad (Cpica y productividad (C33
))
Selección
para
baja
(alta
EUA) en trigo en ambientes
semiáridos
Ventaja
en rendimiento
de líneas
de trigo seleccionadas
para
baja
(alta
EUA) en relación
con
líneas
seleccionadas
para
elevada
Rebetzke
et al., 2002
DiscriminaciDiscriminacióón isotn isotóópica y productividad (Cpica y productividad (C33
))
Diferente
exposición
al estrés
hídrico
actúacomo
fuerza
de selección
Ejemplo: variaciEjemplo: variacióón genn genéética en tica en áárbolesrbolesPino carrasco (Pinus halepensis Mill.)
25 poblacionesÁrboles
de 6 años
x 2 plantaciones(Arganda, Altura)
25 poblacionesÁrboles
de 6 años
x 2 plantaciones(Arganda, Altura)
Voltas et al. 2008 Trees
Ejemplo: variaciEjemplo: variacióón genn genéética en tica en áárbolesrboles
1
2
2
3
3
4
4
4
5
5
5
6
6
6
7
7
8
8
9
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3
37
38
39
40
41
42 Alta Catalu
Cat. litoralCat. interior
Bardenas
Ibérico Arag.
Monegros-Ebro
Alcarria
La Mancha
Maestrazgo
Levante int.Lit. levantino
Sudeste
Bética sept.
Bética mer.
Cazorla
Sur
Paisaje
genotípico
(EUAi
, %)
Latitud
Longitud
↑↑EUA
EUA ii~ 15%
~ 15%
Associación
con el clima en origen
Estacionalidad precipitación
(aridez
estival)
13 C (E
UA)
AlcantudAlcotx
Alcudia
Alhama
Atalix
Benamaurel
Benicassim
Bicorp
Cabanellas
Colmenar
Frigiliana
G. MarziniG. Monte Pucci
KassandraMonovar
Santiago Espada
Ses Salines
Tibi
TivissaTuejar
Villajoyosa
Zuera
- +
-
+
r= 0.51; p<0.01
Ejemplo: variaciEjemplo: variacióón genn genéética en tica en áárbolesrboles
Mésico Xérico
EUA - ++
Altura planta ++ -
Ejemplo: variaciEjemplo: variacióón genn genéética en tica en áárbolesrboles
ESCENARIO 1:Ahorro de agua = mayor EUA, menor crecimiento
Relación positiva entre
13C
y crecimiento
Pero…
tendencia global positiva
Fardusi
et al 2016
ESCENARIO 2:
Fotosíntesis más eficiente (elevada A)
Alta EUAi
(A/gs
)
Alto crecimiento
La asociación positiva aumenta del bioma Mediterráneo al Subtropical, Templado y Boreal
LIMITACIÓN AGUA LIMITACIÓN ENERGÍA
Tendencia global 13C
y crecimientoPero…
tendencia global positiva
Fuentes de variaciFuentes de variacióón de n de d13Cd13C
•
Composición
isotópica
del aire
(CO2
)•
Vía
fotosintética: C3
vs
C4
En C3
:•
Cambios
en tasa
fotosintética
(A)
•
Insolación•
Concentración
de CO2
atmosférico
(ca ) →ci•
Limitación
nutricional
→RuBisCO
20-40% N
•
Respiración
→estrés
térmico
•
Cambios
en conductancia
estomática
(gs )•
Disponibilidad
hídrica
→agua
en suelo, salinidad,
congelación, enfermedades
y plagas•
Demanda
hídrica
→déficit
de presión
de vapor
•
Concentración
de CO2
atmosférico
(ca )
Discriminación
de 13CResistencia
interna
al paso
de CO2
Lo que
“ve”
RuBisCO
es
la concentración
de CO2
en el cloroplasto
(Cc
),Ci
-Cc
no es
constante
(cambios
en conductancia
del mesófilo)
Fijación
de CO2
por
PEPC puede
ocurrir
en plantas
C3 (p.ej. Corteza)
Fraccionamiento
post-fotosintético
de 13CFraccionamiento
debido
a efectos
isotópicos
de equilibrio
y
cinéticos
en reacciones
bioquímicasFraccionamiento
durante
la respiración
Esto
causa
diferencias
isotópicas
entre
distintos
tipos
de metabolitos
La historia se complica…
Conductancia del mesófilo: un largo camino del CO2
hacia el sitio de carboxilación
Flexas
et al., 2008; 2014 Everg
reen gim
nosperm
s
Everg
reen an
giosperm
s
Semi-d
eciduous a
ngiosperm
s
Deciduous a
ngiosperm
s
Herbac
eous a
nnualsPere
nnial herb
sCAM plan
ts
g m (m
ol m
-2 s
-1 b
ar-1
)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Discriminación
de 13CResistencia
interna
al paso
de CO2
Lo que
“ve”
RuBisCO
es
la concentración
de CO2
en el cloroplasto
(Cc
),Ci
-Cc
no es
constante
(cambios
en conductancia
del mesófilo)
Fijación
de CO2
por
PEPC puede
ocurrir
en plantas
C3 (p.ej. Corteza)
Fraccionamiento
post-fotosintético
de 13CFraccionamiento
debido
a efectos
isotópicos
de equilibrio
y
cinéticos
en reacciones
bioquímicasFraccionamiento
durante
la respiración
Esto
causa
diferencias
isotópicas
entre
distintos
tipos
de metabolitos
La historia se complica…
Heterotrophic tissuesare enriched in 13C
Badeck
et al 2005
belo
wgr
ound
-ab
oveg
roun
d
root
s -
leav
es C
3
woo
dy s
tem
s-le
aves
Bowling et al. 2007
Fraccionamiento post-fotosintético en 13C
Rossmann
et al. 1991
Distribución
intramolecular 13C
Fraccionamiento post-fotosintético en 13C
Distribución
intramolecular 13C
Rossmann
et al. 1991
Fraccionamiento post-fotosintético en 13C
Fraccionamiento
por
fragmentación
Lípidos Proteínas
Sacarosa
Almidón
Distribución
intramolecular 13C
Rossmann
et al. 1991
Fraccionamiento post-fotosintético en 13C
Fraccionamiento
por
fragmentación
Lípidos Proteínas
CO2 resp.
Sacarosa
Almidón
Brandes
et al 2006
Fraccionamiento post-fotosintético en 13C
Tiempo
Asimilados
Azúcares hoja
Floema
Tejidos sumidero (madera, granos)
Esca
la d
e in
tegr
ació
n
Hoja
Planta
Ecosistema
Paisaje Regional
EspacioIntegraciIntegracióón espacial y temporaln espacial y temporal
Intercambio de C y HIntercambio de C y H22
O se refleja en la atmO se refleja en la atmóósferasfera
Yakir
& Sternberg
2000
ComposiciComposicióón isotn isotóópica del COpica del CO22
respiradorespirado
Ehleringer
et al. 2000
La respiración del suelo refleja el origen de la
materia orgánica respirada
Project INTERREG IIIA (3c.10)
Pine forest
Intercambio de C y HIntercambio de C y H22
O se refleja en la atmO se refleja en la atmóósferasfera
Kodama
et al. 2008
La señal se suaviza entre compartimentos
La respiración muestra un ciclo diario propio
Hoja
FloemaRama/tronco
Respiracióntronco
Respiración suelo/ecosistema
Project INTERREG IIIA (3c.10) Wheat
field
Maize
field
Balance hídrico y de carbono en ecosistemas y sistemas agrícolas
Intercambio de C y HIntercambio de C y H22
O se refleja en la atmO se refleja en la atmóósferasfera
Kodama
et al. 2010
Marcaje y transporte CMarcaje y transporte C
Sequía en el hayaNo sólo
asimilación
se reduce, también
transporte
de C
De las
hojas
al floema, raices
y flora microbiana
del sueloRuehr
et al. 2010
Marcaje con 13CRefleja el destinode los asimilados
ControlSequía
Ideas finalesIdeas finales
Análisis: medidas
en forma de gasMuestras
sólidas
y líquidas
→ CO2
(combustión
EA, ataque
ácido)
Integración a nivel temporal y espacial de distintos procesos físicos, químicos y biológicos
Material de estudio:
cada fracción orgánica (azúcares, almidón, madera) o inorgánica (CO2
) representa una escala temporal distinta
¡Ojo! procesos que alteran la señal isotópica
