RESPUESTAS ECOFISIOLÓGICAS DE
ANGIOSPERMAS MARINAS MEDITERRÁNEAS ( POSIDONIA OCEANICA Y CYMODOCEA
NODOSA) FRENTE A CONDICIONES DE ESTRÉS HIPERSALINO.
ECOPHYSIOLOGICAL RESPONSES OF
MEDITERRANEAN SEAGRASSES (POSIDONIA OCEANICA AND CYMODOCEA NODOSA)
UNDER HYPERSALINE STRESS CONDITIONS
José Miguel Sandoval
José Miguel Sandoval Gil
Tesis Doctoral
RESPUESTAS ECOFISIOLÓGICAS DE
ANGIOSPERMAS MARINAS MEDITERRÁNEAS
(POSIDONIA OCEANICA Y CYMODOCEA NODOSA)
FRENTE A CONDICIONES DE ESTRÉS HIPERSALINO
ECOPHYSIOLOGICAL RESPONSES OF MEDITERRANEAN SEAGRASSES
(POSIDONIA OCEANICA AND CYMODOCEA NODOSA)
UNDER HYPERSALINE STRESS CONDITIONS
DIRECCIÓN
Juan Manuel Ruiz Fernández
Grupo de Ecología de Angiospermas Marinas. Instituto Español de Oceanografía, Centro Oceanográfico de Murcia
CO-DIRECCIÓN
Lázaro Marín-Guirao
Grupo de Ecología de Angiospermas Marinas. Instituto Español de Oceanografía, Centro Oceanográfico de Murcia
RESPUESTAS ECOFISIOLÓGICAS DE ANGIOSPERMAS MARINAS MEDITERRÁNEAS ( POSIDONIA OCEANICA Y CYMODOCEA NODOSA) FRENTE A CONDICIONES DE ESTRÉS HIPERSALINO
ECOPHYSIOLOGICAL RESPONSES OF THE MEDITERRANEAN SEAGRASSES (POSIDONIA OCEANICA AND CYMODOCEA NODOSA) UNDER HYPERSALINE STRESS CONDITIONS
José Miguel Sandoval Gil
Tesis Doctoral -PhD Thesis
Instituto Español de Oceanografía Centro Oceanográfico de Murcia
Grupo de Ecología de Angiospermas Marinas Seagrass Ecology Group
Universidad de Alicante
A las mayores, tita y abuela
A la pequeña, Adriana
Cuando uno tiene tanto que agradecer a tantos, no debería resultar sorprendente que, a pesar de todo el esfuerzo y el trabajo que han supuesto el desarrollo y finalización de esta tesis, una de las cosas más difícles de afrontar sea la redacción de los agradecimientos.
En primer lugar, debo confesar que nunca podré compensar a mi familia todo lo que han hecho por mí todos estos años. Una vez más, son ellos los que han supuesto ese empuje incon- dicional necesario cuando los vientos no siempre soplan a tu favor o con la fuerza necesaria.
Quiero dar las gracias a mis padres y a mi hermana por respetar, apoyar y admirar lo que hago, a mi abuela y a mi “tita”, sencillamente por todo lo que son y suponen para mí, y por supuesto a mi pequeña y primera sobrina Adriana, que me ha brindado ese primer año inolvidable, ale- gre y fresco. Gracias de nuevo, “papá” y “mamá” por haberme inculcado los valores que me permiten ser lo que soy ahora, con mis múltiples defectos y mis pocas virtudes. Y gracias a tí María, que has estado a mi lado todos estos años, a todas horas, siempre, sincera y cariñosa.
Como suele ocurrir con las cosas que terminan siendo importantes en la vida de uno, cabe resaltar que mi incursión en la biología marina, y sobre todo, la realización de esta te- sis, nunca fueron del todo premeditadas. No fue premeditado mi primer trabajo relacio- nado con el mundo marino en el laboratorio de acuariología de la Universidad de Mur- cia, no fueron planeadas mis primeras prácticas en el Instituto Español de Oceanografía, del mismo modo que no fue prevista mi participación en el proyecto OSMOGRASS. Pero el caso es que todo ocurrió así, de manera sencilla, felizmente. De este modo, ha sido du- rante mis años de trabajo en el IEO, dentro del Grupo de Ecología de Angiospermas Ma- rinas (GEAM), donde he tenido la gran fortuna de compartir mi vida con grandes gran- des personas, no sólo excepcionales en el ámbito laboral, sino inigualables en lo personal.
Creo que lo que pueda escribir aquí de poco servirá para hacer entender la grati- tud que siento hacia Juan Manuel Ruiz. A Juanma, y después de siete años desde que nos conocimos, tengo que agradecer, de forma especial, la confianza que siempre ha mos- trado hacia mí. No sólo ha ejercido de dedicado y riguroso director de la presente Te- sis Doctoral, sino de gran maestro y verdadero amigo, con el que espero seguir compar-
tiendo momentos y proyectos algún día, quién sabe, en el futuro. Me gustaría pensar que he correspondido su confianza, al menos en parte, con mi trabajo, respeto y admiración.
Muchas gracias Lázaro, amigo y hermano, por todo lo que me has dado y enseña- do. Contadas son las personas que han supuesto tanto para mí, y ya sabes que en el futu- ro, tal vez en la distancia, siempre podrás contar con alguien que te admira infinitamente.
Muchas gracias Rocío, por estar siempre presente en cada cambio importan- te; tú estuviste ahí cuando comencé con la Red de Posidonia oceanica, y estuviste tam- bién al otro lado de la línea telefónica al comienzo del proyecto. Tras una amistad cur- tida con los años, sólo puedo tener palabras hacia tí de halago y gratitud sinceros.
Muchas gracias Jaime, gran persona y mejor doctorando, por permitir nuestra gran amistad, por aquellos días de congreso tunecino, y por las incontables horas compartidas de despacho, enmarcadas en un contexto de música instrumental minimalista, sutilmente apreciada por pocos.
Muchas gracias Arantxa, porque aunque no hemos tenido demasiado tiempo en co- nocernos, siempre te has mostrado como la mejor de las amigas y compañeras de trabajo.
Muchas gracias también a tí, Aurora, que durante tu estancia en el grupo, ofreciste una gran ayuda tanto en trabajos de campo como de laboratorio.
Infinitas gracias las que merece Jose Luis, por haberme dado la oportunidad de continuar mi trabajo en estos últimos años, y por tantas ayudas y consejos prestados en el desarrollo del mismo.
Ha sido también gracias a tí, que he podido desarrollar mi estancia en la Universidade do Algarve (CCMAR), donde he conocido a personas excepcionales dentro del grupo de investigación ALGAE (Rui, João, Isabel, Monya, Mafalda, Laura, Irene, Bruno, Ana, Silvia, Begoña, Gianmi).
“Muito muito obrigado miudos e miudas, verdadeiramente foi impressionante compartilhar vivên- cias e horas de laboratório convosco; sento-me muito agradecido e eternamente em dívida com to- dos. Nunca nunca esquecerei meu pequeno trabalho no grupo, e sempre levarei comigo às pessoas que conheci ali. Bom, e nunca se sabe, ¡talvez nossos caminhos voltem a se encontrar num dia!.”
Si hay algo que pretendo reflejar con este apartado de agradecimientos, es que la reali- zación de esta Tesis no hubiera sido posible sin vosotros. Hemos recorrido los mismos sen- deros juntos desde el principio, y ahora, cuando parece que nuestros caminos comienzan a distanciarse, es cuando más afortunado y orgulloso me siento de haber podido compartir todo esto con vosotros, todos estos años. Enhorabuena a todos por este trabajo, sólo vuestro.
Cuando llegados a este punto vuelves tu mirada hacia atrás, y observas y recapaci- tas sobre los años de estechas vivencias compartidas con personas tan especiales, sencilla- mente comprendes que uno mismo no es nadie sin las personas importantes que lo rodean, y que son precisamente las relaciones de amistad, hermandad y confianza, las que orien- tan tu destino, éxitos y fracasos. Los trabajos pueden ser desarrollados, escritos y publica- dos con la misma rapidez con que pueden caer en el olvido, pero son las relaciones que has cultivado en el transcurso de los mismos las que prevalecen y te acompañan para siempre.
Por último, también quisiera agradecer a todos aquellos que no confían o compren- den demasiado el camino que muchos como yo emprendimos hace algunos años, el ha- ber impulsado aún más si cabe, mis deseos de continuar por él, para lo bueno y lo malo.
ÍNDICE
1
INTRODUCCIÓN GENERAL27
RESPONSES OF THE MEDITERRANEAN SEAGRASS POSIDONIA OCEANICA TO IN SITU SIMULATED SALINITY INCREASE CHAPTER 157
PHOTOSYNTHESIS, GROWTH AND SURVIVAL OF THE MEDITERRANEAN SEAGRASS POSIDONIA OCEANICA IN RESPONSE TO SIMULATED SALINITY INCREASES IN A LABORATORY MESOCOSM SYSTEM CHAPTER 285
THE EFFECT OF SALINITY INCREASE ON THE PHOTOSYNTHESIS, GROWTH AND SURVIVAL OF THE MEDITERRANEAN SEAGRASS CYMODOCEA NODOSA CHAPTER 3115
TOLERANCE OF MEDITERRANEAN SEAGRASSES (POSIDONIA OCEANICA AND CYMODOCEA NODOSA) TO HYPERSALINE STRESS: WATER RELATIONS AND OSMOLYTE CONCENTRATIONS CHAPTER 4139
ANALYSIS OF THE ECOPHYSIOLOGICAL PLASTICITY OF PLANTS FROM SHALLOW AND DEEP MEADOWS OF THE MEDITERRANEAN SEAGRASSES (POSIDONIA OCEANICA AND CYMODOCEA NODOSA) IN RESPONSE TO EXPERIMENTAL SIMULATION OF CHRONIC HYPERSALINE STRESS CHAPTER 5177
DISCUSIÓN GENERAL201
CONCLUSIONES207
BIBLIOGRAFÍAANEXOS
1
EVOLUCIÓN ESTACIONAL DE DESCRIPTORES FISIOLÓGICOS YVEGETATIVOS EN PRADERAS DE REFERENCIA DE POSIDONIA OCEANICA Y CYMODOCEA NODOSA
INTRODUCCIÓN
1GENERAL
3 LA SALINIDAD COMO FACTOR CLAVE EN LA EVOLUCIÓN Y ECOLOGÍA DE ANGIOSPERMAS MARINAS
4 ALTERACIONES ANTROPOGÉNICAS DEL RÉGIMEN DE SALINIDAD EN PRADERAS MARINAS
7 LA HIPERSALINIDAD COMO CONDICIÓN DE ESTRÉS 9 EFECTOS ECO-FISIOLÓGICOS DEL INCREMENTO DE
SALINIDAD EN ANGIOSPERMAS MARINAS 17 TOLERANCIA DE ANGIOSPERMAS MARINAS
MEDITERRÁNEAS (POSIDONIA OCEANICA Y CYMODOCEA NODOSA)
AL INCREMENTO DE LA SALINIDAD
22 OBJETIVOS Y ESTRUCTURA DE LA TESIS
1. LA SALINIDAD COMO FACTOR CLAVE EN LA EVOLUCIÓN Y ECOLOGÍA DE ANGIOSPERMAS MARINAS
Las angiospermas marinas (Subclase Alismastidae) son plantas clonales, posiblemente descendientes de hidró- fitos acuáticos y plantas de ambientes costeros (Larkum y den Hartog 1989), que han colonizado con éxito los fon- dos marinos infralitorales de costas tropicales y templadas de todo el mundo formando extensas praderas mari- nas (Green y Short 2003). Estas praderas representan uno de los hábitats marinos de mayor relevancia ecológica, ya que su elevada producción primaria y la persistencia de su estructura, les confieren una serie de funciones y servicios considerados clave para al ecosistema marino costero, su funcionamiento y configuración actual. Como ejemplos de ello, podrían resaltarse el mantenimiento de la biodiversidad y las pesquerías locales, las redes tróficas propias y de ecosistemas adyacentes, la protección de la costa frente la erosión, el almacenamiento de carbono y nutrientes (ciclos biogeoquímicos), la sedimentación de partículas, y el mantenimiento de la transparencia y cali- dad del agua, sin olvidar funciones de otro tipo relacionadas con sus propios valores estéticos y culturales. Algu- nos estudios han estimado que además del valor ecológico, estas funciones/servicios pueden revertir en impactos socio-económicos considerables para la propia población humana (p.e. Constanza et al. 1997; Orth et al. 2006).
Las angiospermas marinas representan un grupo ecológico de plantas que han evolucionado y se han adaptado para completar sus ciclos de vida completamente sumergidas en ambientes marinos y estuáricos (Hemminga y Duarte 2000; Kuo y den Hartog 2000; den Hartog y Kuo 2006). Desde el punto de vista taxonómico, es un grupo polifilético constituido por unas 60 especies, en el que las diferentes trayectorias evolutivas convergen en una serie de adapta- ciones particulares relacionadas con el nicho ecológico que ocupan (Spalding et al. 2003). De entre las propiedades postuladas por Arber (1920) indispensables para el conjunto de plantas marinas existentes, sólo aquellas relacionadas con la “adaptabilidad a la vida en un medio salino” diferencian realmente a las angiospermas marinas de los grupos de plantas acuáticas. Las especies de angiospermas consideradas estrictamente marinas son todas las pertenecientes a las familias Zosteraceae, Cymodoceae y Posidoniaceae y a tres géneros de la familia Hydrocaritaceae (los otros 14 géneros de esta familia son propios de aguas dulces). No obstante, el grupo de las denominadas eurisalinas (Familias Ruppiaceae, Zannichelliaceae y Potamogetonaceae) no ocurren en ambientes marinos, pero comparten los criterios de Arber y han desarrollado una notable tolerancia a la salinidad (Kuo y den Hartog 2000, den Hartog y Kuo 2006).
3 LA SALINIDAD COMO FACTOR CLAVE EN LA EVOLUCIÓN Y ECOLOGÍA DE ANGIOSPERMAS MARINAS
4 ALTERACIONES ANTROPOGÉNICAS DEL RÉGIMEN DE SALINIDAD EN PRADERAS MARINAS
7 LA HIPERSALINIDAD COMO CONDICIÓN DE ESTRÉS 9 EFECTOS ECO-FISIOLÓGICOS DEL INCREMENTO DE
SALINIDAD EN ANGIOSPERMAS MARINAS 17 TOLERANCIA DE ANGIOSPERMAS MARINAS
MEDITERRÁNEAS (POSIDONIA OCEANICA Y CYMODOCEA NODOSA)
AL INCREMENTO DE LA SALINIDAD
22 OBJETIVOS Y ESTRUCTURA DE LA TESIS
Así pues, las angiospermas marinas presentan ciertas propiedades generales compartidas con otros grupos de plantas acuáticas; entre ellas, la polinización hidrófila o el desarrollo de un sistema de anclaje, les permitirán completar sus ciclos biológicos en condiciones de inmersión. Sin embargo, las angiospermas marinas también pueden exhibir ciertas características únicas, sólo compartidas con especies de macrófitos adaptados a ambientes marinos, y que serán responsables de la mayor o menor tolerancia a las altas concentraciones salinas de este medio, y sus varia- ciones espaciales (entre diferentes ambientes costeros) y temporales. En efecto, ciertas propiedades identificadas a nivel fisiológico (p.e. potenciales hídricos muy negativos), ultraestructural (p.e. adelgazamiento de la cutícula y libre intercambio de agua y ciertos solutos) y morfológico (p.e. protección de meristemos por escamas peciolares), parecen estar relacionadas con adaptaciones de las distintas especies de angiospermas marinas a desarrollarse en am- bientes salinos (Jagels 1983; Tyerman 1989; Jagels y Barnabas 1989; Iyer y Barnabas 1993; Kuo y den Hartog 2006).
Las diferentes especies de angiospermas marinas ocupan una amplia gama de ambientes costeros, caracterizados por muy diferentes regímenes de salinidad: desde aguas abiertas de salinidad estable, a lagunas costeras hipersalinas y estuarios con salinidad muy inestable. Esto sugiere, por un lado, la existencia de diferentes capacidades adaptativas y aclimatativas entre especies y, por otra parte, que la salinidad, además de otros factores clave que también varían entre estos ambientes (p.e. luz, nutrientes), debe haber ejercido una presión selectiva determinante para explicar las variaciones inter- e intra- específicas de dichas capacidades. Sin embargo, y a pesar del presumible papel central de la salinidad en la ecología y evolución de las angiospermas marinas, el nivel de conocimiento básico sobre las adaptacio- nes mencionadas y de los diferentes mecanismos de ajuste a los cambios de la salinidad del medio, es en la actualidad bastante escaso en relación a otros aspectos de la biología de las mismas (Larkum et al. 2006b; Ruiz et al 2009a).
2. ALTERACIONES ANTROPOGÉNICAS DEL RÉGIMEN DE SALINIDAD EN PRADERAS MARINAS
Las praderas de angiospermas marinas son particularmente vulnerables a las perturbaciones de las condi- ciones ambientales causadas por la actividad humana, principales responsables de una aceleración de la tasa de pérdida de la superficie y funcionalidad de este hábitat en las últimas décadas (Ralph et al. 2006; Boudouresque et al. 2009). La destrucción directa de las praderas marinas debido a la construcción de infraestructuras coste- ras (puertos, playas artificiales, etc.), al desarrollo de determinadas prácticas pesqueras (pesca de arrastre, maris- queo, etc.), así como por los efectos directos e indirectos del deterioro de la calidad de las aguas costeras por contaminación (metales pesados, hidrocarburos, pesticidas, etc.) y aportes de nutrientes (eutrofización), son las
principales causas habitualmente consideradas para explicar las pérdidas de este tipo de hábitat (Pergent-Mar- tini y Pasqualini 2000; Ruiz et al. 2001; Ruiz y Romero 2003; González-Correa et al. 2005; González-Correa et al. 2008). En este sentido, gran parte de la investigación en este campo ha sido enfocada a estudiar la ca- pacidad de aclimatación y tolerancia de las angiospermas marinas a efectos estresantes como los de la eutrofi- zación, la hiper-sedimentación o la reducción de la luz, mientras que menor atención se ha prestado a otros ti- pos de perturbaciones antrópicas menos frecuentes o más recientes, como los directamente relacionados con el cambio climático (calentamiento, acidificación, etc.), la introducción de especies invasoras o los cambios en la salinidad del hábitat (Short y Neckles 1999; Williams 2007; Bernardeau-Esteller et al. 2011; Ruiz et al 2011).
Como se ha explicado, las angiospermas marinas están particularmente adaptadas a un medio salino, y la composición y distribución de las diferentes especies pueden presentarse muy condicionadas por las variacio- nes espaciales y temporales de este factor entre los diferentes ambientes costeros (McMillan y Moseley 1967;
Zieman 1974; Walker y McComb 1990; Vermaat et al. 2000). Sin embargo, las alteraciones de la salinidad cau- sadas por la actividad humana pueden superar la capacidad de respuesta de las angiospermas marinas a las va- riaciones naturales de este factor, y de este modo, pueden suponer una amenaza potencial para la conservación de las mismas (McIvor et al. 1994; Ruiz 2005; Sánchez-Lizaso et al. 2008). En este sentido se han documenta- do alteraciones del régimen de salinidad de ambientes someros marinos, a consecuencia de modificaciones ar- tificiales del régimen hidrológico local o de planes de regulación hídrica a nivel de cuenca, y que han sido rela- cionadas con el deterioro del estado y distribución de las praderas marinas durante las últimas décadas. Los casos documentados al sur de Florida (Fourqurean et al. 2003), en la laguna hipersalina del Mar Menor (Murcia, Te- rrados y Ros 1991) y en el Mar de Wadden (costas holandesas, van Katwijk et al. 1999), son algunos ejemplos.
En la actualidad, una de las causas más frecuentes de incremento de la salinidad sobre las praderas de angios- permas marinas (y otros tipos de comunidades bentónicas) son los vertidos hipersalinos resultantes de la desalación de agua de mar (Morton et al. 1996; Castriota et al. 2001; del-Pilar-Ruso et al. 2007, 2008, 2009; Riera et al. 2011, 2012). El desarrollo reciente de la industria de la desalación, está siendo especialmente notable en regiones semi- áridas del planeta, de clima tipo mediterráneo, como el sureste de España o el suroeste de Australia (Lattemann y Höpner 2008; Palomar y Losada 2010). Precisamente en estas zonas de aguas templadas, la praderas marinas son el hábitat infralitoral dominante y, por tanto, es donde se han identificado mayores conflictos medioambientales potenciales con los vertidos de las plantas desalinizadoras. Este tipo de conflictos también han sido identificados en otras zonas costeras azotadas por déficits hídricos, y caracterizadas por una industria desalinizadora establecida desde
hace ya varias décadas, como es el caso de las Islas Canarias, cuyas aguas subtropicales infralitorales se encuentran también dominadas por extensas praderas marinas (Pérez-Talavera y Quesada-Ruiz 2001; Portillo et al. 2012a, b).
El procedimiento de desalación más ampliamente extendido es el de “ósmosis inversa”, caracterizado por una efi- ciencia del orden del 45%; esto significa que además de la obtención de agua destinada al uso por la población huma- na, se produce un residuo hipersalino o salmuera que puede alcanzar salinidades comprendidas entre 40-60 ups (i.e.
unidades prácticas de salinidad) que es vertido de nuevo al medio marino. Estas aguas hipersalinas (o de rechazo) de elevada densidad, pueden avanzar como estrechas capas de agua (o plumas) que apenas se mezclan con el agua circundante y que por tanto, son capaces de recorrer extensas distancias y afectar amplias superficies de fondo marino siguiendo las líneas de máxima pendiente, dependiendo del sistema de vertido y difusión (Fernández-Torquemada et al. 2005a; Antequera y Jáuregui 2001; Ruiz-Mateo 2007; Lattemann y Höpner 2008; Portillo et al. 2012 a, b). Las comunidades bentónicas presentes en esta zona de influencia no se encuentran adaptadas a tolerar estas salinida- des y/o cambios bruscos y repentinos de la salinidad, y experimentan alteraciones significativas de su composición, abundancia y distribución (Chesher 1975; Castriota et al. 2001; Fernández-Torquemada et al. 2005a; Portillo et al.
2012b). Pero además de la salinidad, otros factores asociados a este tipo de vertidos y que pueden potencialmente afectar el desarrollo y supervivencia de los organismos bentónicos son el pH, la temperatura, la composición iónica o la presencia de productos químicos que se añaden al proceso de desalación con diferentes propósitos (desinfec- tantes, desincrustantes, etc) (Morton et al. 1996). El alcance final de sus efectos en los hábitat bentónicos puede ser muy variable dependiendo de las características del vertido (volumen, salinidad, composición química, sistema de dilución y difusión, etc), del medio receptor (corrientes, salinidad, profundidad, clima, etc.) y de las comunidades bio- lógicas afectadas (tipos, crecimiento, plasticidad, límites de tolerancia, etc.) (Ruiz 2005; Sánchez-Lizaso et al. 2008).
La preocupación suscitada por las consecuencias ecológicas del impacto de los vertidos de salmuera en hábitats vulnerables y ecológicamente relevantes como las praderas marinas, ha motivado un creciente esfuerzo por deter- minar los límites de tolerancia del crecimiento y supervivencia de las angiospermas marinas frente al incremento de la salinidad. De este modo, estudios que relacionen estos aspectos han sido demandados a la comunidad científica por parte de la administración pública responsable de la gestión y conservación de los ecosistemas marinos coste- ros y la explotación de sus recursos, con el fin de basar la gestión y control medioambiental de estos vertidos en criterios científicos objetivos. Sin embargo, desde el punto de vista científico, si bien ya se comienza a tener cierta información fiable y coherente la sensibilidad de algunas especies, apenas se dispone del conocimiento básico sobre
3. LA HIPERSALINIDAD COMO CONDICIÓN DE ESTRÉS
Antes de avanzar en aspectos más específicos de esta tesis, parece necesario y conveniente aclarar qué se en- tiende por estrés, y en qué situaciones las alteraciones de salinidad del medio pueden ser tratadas como factores capaces de causar estrés. El concepto de estrés se encuentra bien definido y desarrollado en plantas terrestres, ya que la capacidad de ciertas plantas cultivadas de resistir o tolerar condiciones de estrés hídrico o salino tiene impor- tantes consecuencias socio-económicas en todo el planeta (Kahn y Weber 2006). En la Fig. 1 se muestra un modelo conceptual del síndrome de estrés en plantas terrestres, en el que se indican las diferentes fases que lo componen a medida que el factor de estrés persiste, y que será empleado a continuación como marco teórico de referencia.
Figura 1. Modelo secuencial que comprende las distintas fases de respuesta generales de las plantas frente a la aparición de una determinada condición de estrés.
Una vez aparece el estrés y tras reducirse el estado fisiológico óptimo, se activan mecanismos de aclimatación en la planta que le permiten alcanzar un nuevo estado fisiológico de resistencia. Si la condición de estrés persiste o aumenta su severidad, los recursos de la planta pueden llegar a un estado de agotamiento tal, que puede resultar en efectos deletéreos a nivel de vitalidad. (Modificado de: Lichtenthaler 1996, Tadeo y Gómez-Cadenas 2008)
Las características fisiológicas y tolerancias particulares de cada especie, confieren a las plantas la capacidad de aclimatarse y adaptarse al régimen de condiciones ambientales característico del hábitat que ocupan, y man- tener así un estado fisiológico óptimo en el que el crecimiento y el resto de funciones biológicas son adecuados.
En este estado, las plantas pueden responder con ajustes eficaces y reversibles de sus flujos metabólicos, a cam- bios cotidianos del ambiente, y repetidos a diferentes escalas espaciales y temporales. Así por ejemplo, las an- giospermas marinas pueden experimentar diariamente fluctuaciones más o menos extremas de factores como la luz (p.e. debido a ciclos diarios, a reflejos instantáneos de las olas o “sunflecks”, al paso de una nube o al en- turbiamiento repentino de la columna de agua; Pearcy 2007), la temperatura (p.e. por el ascenso de aguas frías profundas) y la salinidad (p.e. fluctuaciones debidas a la pluviosidad o a la existencia de ramblas cercanas, etc).
Sin embargo, hay situaciones de cambio ambiental que por su grado (intensidad, frecuencia) o su naturaleza (bióticos-abióticos, natural-antrópico) conllevan una alteración del medio más allá de los rangos de fluctuación na- tural. Este tipo de alteraciones pueden ser consideradas como causantes de estrés, ya que requieren de mayores respuestas de aclimatación (denominadas de tensión), y pueden derivar en efectos deletéreos a distintos niveles me- tabólicos, y provocar así la desviación de los niveles óptimos fisiológicos de la planta. En angiospermas marinas, estas situaciones potencialmente estresantes pueden darse de forma natural, por ejemplo, en los límites de distribución geográfica y vertical (profundidad), o por la influencia de eventos climáticos u oceanográficos extremos y poco fre- cuentes. No obstante, las perturbaciones antrópicas del medio marino representan en la actualidad una de las fuentes más importantes de perturbación y estrés, responsables del deterioro y regresión de estos hábitats (Ralph et al. 2006).
Siguiendo el modelo conceptual general ilustrado en la Fig. 1, los casos de incrementos más o menos persis- tentes de la salinidad más allá de sus límites naturales de variación, pueden suponer una situación de estrés que a su vez, inducirá la activación de distintos tipos de respuestas de aclimatación en la planta. En una fase inicial o
“fase de alarma” tras la exposición a la condición estresante, las plantas reaccionan ralentizando sus funciones me- tabólicas más básicas, reduciendo incluso su vitalidad. Durante esta fase también pueden activarse mecanismos de aclimatación y/o acomodación fisiológica a las nuevas condiciones osmóticas del medio que, en función de las capacidades inherentes a cada especie, ecotipo o genotipo, permiten a la planta alcanzar un nuevo óptimo fi- siológico (o de máxima resistencia), y que da nombre y caracteriza la denominada “fase de resistencia” al estrés.
Pero si el estrés se mantiene en el tiempo, y/o se incrementa la intensidad del mismo, los recursos metabólicos y la vitalidad de la planta pueden verse considerablemente reducidos. Esta fase de estrés severo, conocida como de
“fase de agotamiento o extenuación”, puede derivar en un aumento de los procesos de senescencia y muerte celu- lar, si el factor estresante persiste; si, por el contrario, el estrés desaparece en esta fase, la recuperación al estado original es poco probable, aunque la planta puede alcanzar un nuevo estado fisiológico o “fase de regeneración”.
Los estudios que componen la presente Tesis Doctoral, se centran en las respuestas del síndrome de estrés desarrolladas por especies de angiospermas marinas mediterráneas bajo la acción persistente (crónica) de estrés hipersalino, en sus fases de alarma, resistencia o incluso de agotamiento, según las capacidades aclimatativas pro- pias de las especies objeto de estudio (Posidonia oceanica y Cymodocea nodosa). No obstante, cabe destacar aquí que la naturaleza clonal de las angiospermas marinas puede complicar o confundir las fases definidas en este mo- delo general; por ejemplo, la translocación de recursos entre haces (ramets) o tejidos de un mismo clon (Marbá et al. 2002; Romero et al. 2006) podría resultar en la aparición simultánea de mecanismos de aclimatación, esta- dos de resistencia y estados de extenuación (senescencia o muerte) entre los distintos individuos interconecta- dos por la misma estructura clonal. Precisamente, esta posibilidad de integrar la respuesta al estrés a nivel clonal se ha sugerido como el mecanismo principal de aclimatación a gradientes ambientales (p.e. reducción de la luz con la profundidad), y explica la escasa plasticidad fisiológica a nivel de haces individuales observada en algunos casos (Olesen et al. 2002; Collier et al 2008). El estudio de la fase de regeneración y por tanto, de la capacidad de recuperación tras la desaparición del factor estresante, se sitúa fuera de los objetivos que plantea esta Tesis.
4. EFECTOS ECOFISIOLÓGICOS DEL INCREMENTO DE SALINIDAD EN ANGIOSPERMAS MARINAS
Tanto el estrés hídrico de plantas terrestres, como el debido a la hipersalinidad en macrófitos bentónicos marinos (macroalgas y angiospermas marinas), deben sus más importantes efectos negativos a dos tipos de factores: el factor osmótico y el factor iónico (Kramer y Boyer 1995; Bisson y Kirst 1995; Tyerman 1989). En macrófitos marinos, el factor osmótico se relaciona con la dificultad del mantenimiento de un balance hídrico positivo desde el medio hacia los teji- dos. El factor iónico, por su parte, hace referencia a la toxicidad iónica que el incremento de sales puede causar a distin- tos niveles metabólicos (Kirst 1989). Ambos factores, componentes principales de una condición de estrés hipersalino, pueden inducir una serie de alteraciones a diferentes niveles fisiológicos y compartimentos metabólicos, cuya expresión se mostrará estrechamente relacionada con las tolerancias y capacidades propias de cada especie (Touchette 2007).
Sin embargo, en comparación con los notables avances alcanzados en plantas terrestres sobre campos relacionados (estrés hídrico y salino; Parida y Das 2005; Farooq et al. 2009), el conocimiento actual de las respuestas fisiológicas de
macrófitos marinos al estrés hipersalino es relativamente escaso y limitado a cierto de especies y grupos taxonómicos.
En concreto, el conocimiento relativo a las angiospermas marinas es aún más reducido (Touchette 2007), y los resul- tados obtenidos hasta nuestros días se resumen en la Tabla 1 y en los apartados que se desarrollan a continuación.
Tabla 1. Resumen de los efectos fisiológicos del incremento de salinidad (bajo condiciones experimentales o debidas a rangos naturales de salinidad) observados en distintas especies de angiosper- mas marinas.
En la columna correspondiente a los niveles/rangos salinos, se incluyen entre paréntesis los niveles empleados como salinidad control, o los correspondientes a las condiciones naturales de las especies, de acuerdo con la infor- mación provista en cada estudio.
Dichos datos no se muestran en el caso de aquellos estudios que no los facilitan, o que simplemente
4.1. ALTERACIÓN DE LAS RELACIONES HÍDRICAS
Las angiospermas marinas son plantas sumergidas cuyos procesos fisiológicos se hayan íntimamente rela- cionados con el medio salino circundante. Esto implica que, ante cambios de la salinidad del medio, las respues- tas de las relaciones hídricas constituirán la base de las estrategias ecofisiológicas y metabólicas que las plantas podrán adoptar para resistir condiciones de estrés hipersalino. Por tanto, el conocimiento de las relaciones hí- dricas de estas plantas y sus relaciones con los cambios de salinidad es fundamental. No obstante, las relaciones hídricas per se y la forma en que son alteradas por los cambios externos en salinidad, figuran entre los aspectos menos estudiados en estas plantas (Tyerman et al. 1984; Tyerman 1989; Murphy et al. 2003; Koch et al. 2007b).
En general, las macroalgas (Kirst 1989) y las angiospermas marinas (Tyerman 1989) se encuentran os- móticamente adaptadas (osmoadaptadas, sensu Kirst 1989) al régimen salino que ocupan, a través del man- tenimiento de potenciales hídricos (Ψw) y osmóticos (Ψπ) foliares más negativos que los valores del me- dio (Tyerman 1989; Kirst 1989). Esta diferencia supone un balance hídrico positivo a favor de los tejidos y, en consecuencia, el mantenimiento de valores óptimos de turgescencia (presión de turgor, Ψp), condición a su vez imprescindible para el metabolismo, crecimiento y conformación estructural de las células vegetales (Zim- mermann 1978; Kramer y Boyer 1995). Al aumentar la salinidad, el potencial hídrico del medio puede disminuir hasta valores más próximos, o incluso más negativos, que el de los tejidos. Este nuevo escenario osmótico re- sulta en la disminución o interrupción del balance hídrico, lo que puede ocasionar distintas alteraciones a nivel metabólico y la activación de ciertas estrategias fisiológicas tendentes a restablecer el balance original. A con- tinuación se explican con más detalle dichas estrategias, y se representan esquemáticamente en la Fig. 2.
4.1.1. ESTRATEGIAS DE EVITACIÓN DE DESHIDRATACIÓN
Bajo ciertas condiciones del medio (p.e. salinidad, sequía) capaces de ocasionar la ruptura del balance hídri- co entre éste y los tejidos, las plantas pueden alcanzar grados de deshidratación severos. En este estado, un gru- po selecto de plantas denominadas poiquilohídricas (p.e. líquenes, musgos, helechos, plantas de zonas desérticas, etc) pueden desarrollar estrategias de «tolerancia a la deshidratación», manteniendo sus capacidades metabólicas intactas (en ocasiones en estado de letargo) hasta la aparición de situaciones más favorables (Oliver et al. 2000;
Sánchez-Díaz y Aguirreolea 2000). Sin embargo, la mayoría de las plantas terrestres, acuáticas y marinas son
homeohídricas, lo que implica que deben activar ciertos mecanismos con el fin de evitar la pérdida del agua ce- lular. Dichos mecanismos, estudiados en el contexto de estrategias de evitación de la deshidratación (sensu Vers- lues et al. 2006), se basan en la reducción del Ψw de los tejidos para permitir el restablecimiento del balance hídrico inicial previo a la aparición del estrés. A lo largo de la escasa bibliografía disponible, no se han encontra- do evidencias de las activación de estrategias de tolerancia a la desecación en angiospermas marinas, y aunque su funcionamiento no deba ser descartado en especies adaptadas a cambios bruscos del régimen hídrico o sali- no (p.e. especies intermareales), nos centraremos aquí en los mecanismos de evitación de deshidratación (Fig.
2), ya puestos de manifiesto para algunas especies de angiospermas marinas sujetas a incrementos de salinidad.
Figura 2. Esquema representativo de las distintas etapas y diferentes estrategias aclimatación conocidas como de “evitación de deshidratación” (i.e. osmorregulación, procesos de endurecimiento de pared celular) que las angiospermas marinas podrían desarrollar frente a condiciones de incremento de salinidad. Los paneles de la izquierda representan la sucesión de dichos procesos a nivel celular en tejido foliar (Ψext=potencial hídrico del medio;
Ψw= Potencial hídrico foliar;
Ψπ= Potencial osmótico;
Ψp= Potencial de turgor;
∆V= variación de volumen celular).
Adicionalmente se aporta en los paneles de la derecha, un hipotético ejemplo del desarrollo de ambas estrategias en respuesta a un hipotético incremento de salinidad de 37 a 43 ups (i.e. unidades prácticas de salinidad), con valores numéricos de los distintos potenciales expresados en unida- des de presión (i.e. Megaspascales, MPa).
Los principales mecanismos relacionados con estrategias de evitación son dos: a) los relacionados con proce- sos de osmorregulación y ajuste osmótico, y b) los relacionados con las características de la pared celular (Fig. 2).
Los procesos de osmorregulación o ajuste osmótico (Kramer y Boyer 1995) se basan en la disminución del Ψw a través de una reducción de Ψπ, que ocurre como consecuencia directa del aumento de la concentración de solu- tos intracelulares. Por otra parte, y de acuerdo con lo descrito en plantas terrestres y algas marinas (Khan y We- ber 2006; Bisson y Kirst 1995; Kramer y Boyer 1995; Verslues et al. 2006), una estrategia alternativa de reducción de Ψw consiste en la reducción de Ψp, relacionada ésta con procesos de reajustes volumétricos entre citoplasma, membrana y pared celular. En este sentido, y de forma general, en células de paredes celulares elásticas (i.e. con elevada capacidad de ajuste a distintos volúmenes celulares), la magnitud en la pérdida del turgor celular viene de- terminada por la pérdida de agua intracelular o simplástica. Sin embargo, plantas que presentan paredes celulares relativamente inelásticas, o que muestran la capacidad de alterar el grado de endurecimiento de las mismas (p.e.
a través de reorganización o engrosamiento de fibras de celulosa; Verslues et al. 2006), pueden presentar seve- ras reducciones del turgor celular (y así de Ψw) con insignificantes pérdidas hídricas; en estas situaciones, Ψπ se mantiene constante por la ausencia de efectos de deshidratación y acumulación pasiva de solutos. En angiospermas marinas sólo se han descrito mecanismos de tipo osmorregulatorio en respuesta a incrementos de la salinidad del medio, aunque existe alguna evidencia puntual (i.e. a través de mediciones del módulo de elasticidad de las pare- des celulares, ε) de que ambos tipos de estrategias pueden operar en estas plantas marinas, dependiendo de las estrategias ecológicas de cada especie y su capacidad de adaptarse a distintos regímenes salinos (Tyerman 1982).
4.1.2. ACUMULACIÓN DE OSMOLITOS
En el proceso de osmorregulación, la concentración de solutos osmóticamante activos (también deno- minados osmolitos) en los principales compartimentos intracelulares (citoplasma y vacuola), vendrá deter- minada por la naturaleza de los solutos (inorgánicos/orgánicos) y otros factores como el tiempo de expo- sición al estrés o el estado fisiológico y nutricional de la planta (Hsiao 1973; Wyn Jones y Gorham 1983).
En general, tras un incremento de salinidad, tiene lugar la acumulación inmediata de sales e iones (Na+ y Cl- en su mayoría) en el citoplasma, en su mayoría por transporte a favor de gradiente desde el medio externo. Dicho proceso se presenta como la respuesta osmorreguladora más rápida (minutos-horas), que tiene lugar con el fin de restituir el balance hídrico celular (Hasegawa et al. 2000). Si las condiciones de hipersalinidad persisten o aumentan, la acumu-
lación de estos osmolitos inorgánicos puede continuar hasta el punto en que sus concentraciones pueden resultar tóxicas para el metabolismo celular; de hecho, altas concentraciones iónicas pueden interferir con la actividad de diversas enzimas citoplasmáticas, alterar potenciales de membrana (tanto celular como de organelas) o incluso, da- ñar la estructura de diferentes complejos proteínicos como los de cadenas de transporte electrónico de cloroplastos y mitocondrias (Flowers et al. 1977; Hasegawa et al. 2000; Zhu 2003; Munns 2002). De este modo y para evitar su acumulación excesiva, dichos osmolitos inorgánicos pueden ser excluídos de nuevo al medio externo, transportados a otros tejidos, o compartimentalizados en ciertos orgánulos especializados (i.e. vacuola) (Niu et al. 1995; Zhu 2003), al mismo tiempo que son reemplazados en el citoplasma por solutos orgánicos también osmóticamente activos. La acumulación de estos solutos se ha sugerido como un proceso más lento, que tiene lugar en fases más tardías de la respuesta de osmorregulación (i.e. días-semanas), lo que hace de estos compuestos excelentes indicadores de procesos de ajuste osmótico bajo exposiciones prolongadas o crónicas a condiciones de incremento de salinidad.
La importancia de dichos solutos no radica únicamente en la función osmótica que suponen, sino también en el papel de osmoprotección que desempeñan en procesos de ajuste osmótico (e.g. estabilización de membranas y complejos enzimáticos), así como por su reducida toxicidad metabólica a elevadas concentraciones, cualidad ésta última por la cual reciben el nombre de solutos compatibles (Munns 2002). El aumento de concentración solutos orgánicos en tejidos foliares (sobre todo carbohidratos no estructurales y aminoácidos libres-prolina en especial) ha sido demostrado en algunas especies de angiospermas marinas (Stewart y Lee 1974; Brock 1981; Pulich 1986; Tyer- man 1989; Murphy et al. 2003; Adams y Bates 1994a; Koch et al. 2007b); sin embargo, sólo a partir de los trabajos realizados por Tyerman y colaboradores en la década de los 80 (Tyerman et al. 1984;Tyerman 1989), se ha obtenido evidencia directa de la acumulación de iones respecto a tratamientos experimentales de incremento de salinidad.
4.2. ALTERACIONES A NIVEL DE FOTOSÍNTESIS Y PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS
La fotosíntesis es un proceso fisiológico clave para el crecimiento y productividad de las plantas, por lo que las reducciones de las tasas fotosintéticas debidas a una condición estresante pueden ser consideradas como uno de los efectos más importantes a nivel metabólico (Kramer y Boyer 1995; Huchzermeyer y Koyro 2005). Bajo con- diciones de estrés hipersalino, se ha observado una reducción de la actividad fotosintética de plantas terrestres y macrófitos marinos (Kirst 1989; Huchzermeyer y Koyro 2005), como consecuencia de numerosos factores: i) re- ducción del Ψw y sus consecuencias fisiológicas (e.g. gasto energético, acumulación de solutos a concentracio- nes tóxicas), ii) alteraciones a nivel de ultraestructura, número y disposición de cloroplastos, iii) modificaciones del
aparato fotosintético a nivel de tilacoides , iv) inhibición de reacciones del metabolismo del carbono mediadas por enzimas y v) reducciones en la concentración de pigmentos fotosintéticos (clorofila a, clorofila b y carotenoides).
En angiospermas marinas, los estudios disponibles aportan evidencias de alteración sobre cualquiera de es- tos niveles en respuesta al estrés hipersalino. Sin embargo, este conocimiento es bastante escaso y se resume en:
reducciones de las tasas fotosintéticas máximas (Ogata y Matsui 1964; Biebl y McRoy 1971; Drew 1978a; Kerr y Strother 1985; Koch y Dawes 1991; Berns 2003; Fernández-Torquemada et al. 2005b; Koch et al. 2007b; Shafer et al. 2011), disminuciones o incrementos en la eficiencia fotosintética (Koch y Dawes 1991; Berns 2003; Fernán- dez-Torquemada et al. 2005b; Kahn y Durako 2006), reducciones a nivel de eficiencia fotoquímica del fotosis- tema II (Fv/Fm, ΦPSII; Ralph 1998, 1999; Kamermans et al. 1999; Koch et al. 2007b; Pagés et al. 2010), dismi- nuciones en la concentración de pigmentos fotosintéticos (McMillan Moseley 1967; Ralph 1998, 1999; Koch y Dawes 1991; Trevathan et al. 2011), e inhibición de la actividad de enzimas carboxilativas (RuBisCo y PEPcar- boxilasa, Beer et al. 1980a). No obstante, cabe destacar que todas estas evidencias disponibles, si bien aportan un conjunto de síntomas de alteración de la estructura y funcionamiento de la maquinaria fotosintética, no per- miten profundizar sobre los mecanismos implicados, los niveles a los que actúa el estrés y las relaciones entre ellos, posiblemente a consecuencia del escaso conocimiento básico de la fotosíntesis en angiospermas marinas.
4.3. MODIFICACIONES EN LAS TASAS RESPIRATORIAS
Otro efecto importante del estrés salino es el derivado de la respuesta de la respiración mitocon- drial, y en qué medida las alteraciones de la misma afectan a las tasas fotosintéticas (i.e. netas) y de pro- ductividad de la planta. Las tasas respiratorias de los tejidos fotosintéticos son generalmente un orden de magnitud inferiores respecto a las tasas fotosintéticas, pero su alteración puede resultar en consecuen- cias funcionales importantes, debido a los desajustes del balance de carbono, resultantes en una reduc- ción de los recursos disponibles para el crecimiento y supervivencia de la planta (Atkin y Macherel 2009).
En angiospermas marinas, la respiración no muestra un patrón de respuesta consistente ante el estrés hi- persalino. Así, se ha observado que la respiración puede aumentar, disminuir o permanecer inalterada (o incluso presentar un patrón bimodal), tanto entre especies diferentes como dentro de la misma especie, bajo distintas condiciones experimentales y rangos de salinidad (Ogata y Takada 1968; Biebl y McRoy 1971;
Drew 1978a; Fernández-Torquemada et al. 2005b; Kahn y Durako 2006). Esta ausencia de una respuesta
general es consistente con lo descrito en plantas terrestres, y se atribuye a diversos factores como i) po- sibles cambios en la actividad máxima de determinadas enzimas implicadas en distintos procesos respira- torios (e.g. glucolisis, ciclo TCA, cadena de transporte electrónico mitocondrial), ii) cambios en la con- centración de sustrato respiratorio (e.g. debido a la reducción de tasas fotosintéticas, y así, en la síntesis de fotosintatos) e iii) incrementos en la demanda energética metabólica (p.e. para abastecer procesos de osmorregulación, homeostasis iónica, etc) (Kramer y Boyer 1995; Munns 2002; Atkin y Macherel 2009).
5. TOLERANCIA DE ANGIOSPERMAS MARINAS MEDITERRÁNEAS
(POSIDONIA OCEANICA Y CYMODOCEA NODOSA) AL INCREMENTO DE LA SALINIDAD
De las 5 especies que habitan en el Mediterráneo, P. oceanica y C. nodosa son las más abundantes (Ruiz et al. 2009a); las praderas que forman representan uno de los hábitat infralitorales más extensos en- tre 0 y 40 metros de profundidad y, al mismo tiempo, más vulnerables a los vertidos hipersalinos de la indus- tria desaladora (Ruiz 2005; Boudouresque et al. 2009). Precisamente, el desarrollo de la desalinización de agua de mar en la costa mediterránea española ha impulsado el conocimiento básico de la tolerancia de es- tas especies al incremento de la salinidad, proceso que representa el antecedente principal en que se en- marca esta tesis y a partir del cual surge la necesidad de avanzar en los objetivos y temas aquí planteados.
5.1. ASPECTOS GENERALES DE LA BIOLOGÍA Y ECOLOGÍA DE P. OCEANICA Y C. NODOSA
Posidonia oceanica L. (Delile) es una especie endémica presente en toda la cuenca mediterránea y cuyo límite se sitúa en el sector más oriental (Líbano, Israel y Siria) (Gobert et al. 2006). De entre las especies mediterráneas, ésta es la de mayor porte, y forma praderas monoespecíficas más o menos continuas con densidades poblacionales muy elevadas (hasta > 1000 haces/m2 en poblaciones someras), que pueden dar lugar a doseles con índices de área foliar comparables a los medidos en bosques terrestres (IAF = 13 m2 m-2; Romero 1986; Balestri et al. 2003). El crecimiento de sus rizomas basales (verticales y horizontales) es de los más lentos observados en angiospermas marinas, y sus P. oceanica y C. nodosa (Fig. 3) presentan características biológicas y estrategias ecológicas muy diferentes, algunas de las cuales es necesario tener en cuenta para interpretar sus respectivas tolerancias tanto al estrés hiper- salino, como a cualquier tipo de perturbación ambiental.
poblaciones muestran una baja diversidad genética, propiedades que pueden limitar la capacidad de respuesta de esta especie a las perturbaciones externas (Procaccini y Mazzella 1998; Procaccini y Piazzi 2001; Gobert et al. 2006).
Estas propiedades tienen que ver también con el carácter persistente de su biomasa, no solo a lo largo de su ciclo de producción anual, sino también a largo plazo. Las praderas de esta especie representan la etapa clímax de la sucesión ecológica de ambientes infralitorales mediterráneos (Borg et al. 2005; Gobert et al. 2006), y es considerada como una especie estenobionte, cuyos requerimientos ecológicos son más estrictos que los de otras especies de distribución más amplia; en este sentido, P. oceanica ocupa únicamente ambientes infralitorales de zonas costeras abiertas en los que la salinidad es muy estable, las fluctuaciones de la temperatura son moderadas, las aguas son predominantemen- te oligotróficas, sin influencia de aportes terrígenos importantes, de hidrodinamismo moderado-bajo y pendientes suaves de plataforma (Boudouresque et al. 2009). No obstante, la presencia de praderas asentadas y estables de P.
oceanica ha sido documentada puntualmente en ambientes diferentes y más confinados, en los que la temperatura y la salinidad pueden alcanzar valores mucho más extremos (Pergent y Zaouali 1992; Tomasello et al. 2009).
Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson es una especie de origen tropical, cuya distribución se haya actualmente restringida al Mediterráneo y Atlántico nororiental desde las costas del sur de Portugal, hasta las de Senegal, inclu- yendo las Islas Canarias y Madeira (Green y Short 2003). A diferencia de P. oceanica, esta especie puede formar praderas tanto monoespecíficas como mixtas (con Zostera noltii), generalmente sobre fondos arenosos o fangosos.
En este caso, y también contrariamente a P. oceanica, se trata de una especie con atributos típicos de especies pio- neras, de menor porte vegetativo, tasas de crecimiento mucho más elevadas y mayor diversidad genética (Procaccini y Mazzella 1996; Cancemi et al. 2002), todas consideradas como características importantes en la capacidad de desarrollar rápidas respuestas frente a los efectos de una posible perturbación (Olesen et al. 2002). De este modo, C. nodosa es considerada como una especie eurobionte, con elevada plasticidad para aclimatarse y crecer en un amplio espectro de condiciones ambientales (p.e. salinidad) (Drew 1978b), como zonas costeras abiertas (Enríquez et al. 2004), zonas estuáricas (Pérez y Romero 1994) e incluso, lagunas costeras hipersalinas (Terrados y Ros 1991).
Figura 3. Praderas someras de angiospermas marinas mediterráneas:
Posidonia oceanica y Cymodocea nodosa.
5.2. LA DESALINIZACIÓN DE AGUA DE MAR EN LA COSTA MEDITERRÁNEA ESPAÑOLA
La desalinización de agua de mar es uno de los principales recursos empleados para el abastecimiento hídrico de regiones costeras áridas de todo el mundo. En la cuenca mediterránea, la industria de la desalinización ha experimen- tado un notable crecimiento en las últimas décadas, y supone actualmente el 17% de la capacidad desaladora mundial (Lattemann y Höpner 2008). Dicho crecimiento se ha mostrado especialmente significativo en España, la cual ocupa posiciones a la cabeza de entre los países europeos que presentan una mayor instalación y actividad de plantas desalini- zadoras, debido principalmente, a la irregularidad de precipitaciones y a ciertos impedimentos que restringen la explo- tación de aguas subterráneas (p.e. contaminación agrícola, intrusiones de aguas marinas; Palomar y Losada 2010). En este país la desalinización de agua de mar supone el 7% de la capacidad mundial (Medina San Juan 2001; Lattemann y Höpner 2008). Los vertidos hipersalinos o salmueras resultantes de esta actividad industrial son vertidos al mar a través de emisarios más o menos alejados de la línea de costa, en zonas en las que las praderas marinas de P. oceanica y C. nodosa son particularmente abundantes (Fernández-Torquemada y Sánchez-Lizaso 2005. 2006; Ruiz 2005; Gacia et al. 2007).
5.3. ESTADO ACTUAL DE CONOCIMIENTO
Los primeros estudios realizados para determinar los límites de tolerancia al incremento salinidad de las principales angiospermas marinas mediterráneas (Posidonia oceanica, Cymodocea nodosa y Zostera noltii), pusieron en evidencia la sensibilidad diferencial de estas especies frente al estrés hipersalino, además de demostrar que tales diferencias eran consistentes con sus diferentes estrategias ecológicas. En una primera aproximación basada en experimentos de labo- ratorio de corta duración (10-15 días), se observó una reducción del crecimiento y la supervivencia de haces de P. oce- anica a partir de 39-40 ups (100% de mortalidad a 50 ups), mientras que tales efectos sólo fueron aparentes en haces de C. nodosa a partir de 41 ups (100% mortalidad a >56 ups) (Fernández-Torquemada y Sánchez-Lizaso 2005, 2011).
En una segunda aproximación, Gacia et al. (2007) estudiaron el efecto a largo plazo de un vertido de salmuera en una pradera natural de P. oceanica; los resultados de estos autores apoyaron los límites de tolerancia propuestos en el primer estudio, aunque no de forma inequívoca debido a posibles interacciones con otros factores ambientales alterados por el vertido, como los nutrientes. Más tarde se realizó una tercera aproximación experimental, basada en la simulación in situ de un incremento de la salinidad sobre una pradera de P. oceanica inalterada; sus resultados forman parte de la presente tesis doctoral (capítulo 1) y, junto con los estudios anteriores, permitió establecer los criterios científicos para el control del impacto de los vertidos de salmuera en este hábitat de las costas españolas (Sánchez-Lizaso et al. 2008).
Aunque el estudio de los rangos de tolerancia de C. nodosa y Z. noltii ha recibido menos atención que en el caso de P. oceanica, algunos trabajos publicados han permitido establecer dichos límites para algunas poblaciones de estas especies en el sureste peninsular (Pagés et al. 2010; Fernández-Torquemada y Sanchez-Lizaso 2011). Sin embargo, en estas especies más plásticas, la sensibilidad al incremento puede estar condicionada no sólo por la variabilidad geográfica, sino también por divergencias ecotípicas relacionadas con procesos adaptativos a los di- ferentes ambientes que ocupan, como se ha demostrado entre poblaciones de una misma especie adaptadas a re- gímenes diferentes de salinidad (Koch y Dawes 1991; Ye y Zhao 2003). Esta misma variación en la capacidad de tolerar incrementos de la salinidad, ha sido también demostrada recientemente entre poblaciones mediterráneas de C. nodosa, originarias de una laguna hipersalina (44 ups; Mar Menor, Región de Murcia) y de zonas costeras abiertas cercanas con menor salinidad (37 ups; Fernández-Torquemada y Sánchez-Lizaso 2011). De la misma for- ma, la tolerancia a condiciones de hipersalinidad de poblaciones mediterráneas de esta especie podría diferir de la de poblaciones del Atlántico donde el régimen salino es muy diferente al de las aguas mediterráneas; sin embargo no se dispone de estudios en esta línea en praderas de C. nodosa atlánticas peninsulares y de las Islas Canarias.
Otros factores que pueden condicionar la tolerancia de las especies a la salinidad y que tampoco han sido muy es- tudiados en este contexto, son la estacionalidad (tanto del ciclo productivo como de las condiciones ambientales) y la sinergia con otros factores que pueden verse alterados por los vertidos hipersalinos (Fernández-Torquemada y Sánchez-Lizaso 2011). Adicionalmente, se han descrito diferencias ecotípicas y/o genotípicas entre praderas pro- fundas y someras de P. oceanica y C. nodosa (Drew 1978b; Procaccini et al. 2001; Olesen et al. 2002; Miglaccio et al. 2005) que podrían resultar también en importantes variaciones en su capacidad de tolerar el estrés hipersalino.
Respecto al conocimiento básico existente sobre las propiedades particulares de la fisiología, ultraestructura y morfología, que explican la diferentes capacidades de las angiospermas marinas mediterráneas para tolerar el in- cremento de la salinidad, éste (sin contar las contribuciones de esta tesis) representa una proporción muy peque- ña del disponible para el conjunto de angiospermas marinas, expuesto en la Tabla 1 y comentado en el aparta- do 4 de este capítulo. En este sentido, sólo dos estudios aportan cierta evidencia del efecto del estrés hipersalino en la fotosíntesis (y respiración) de C. nodosa (Drew 1978a; Pagés et al. 2010). Por su parte, Gacia et al. (2007) observaron alteraciones en el contenido de carbohidratos no estructurales en rizomas de P. oceanica, la señal iso- tópica del carbono (δ13C) y la concentración de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en sus tejidos, en relación a la influencia de un vertido de salmuera. Por tanto, la comprensión de los mecanismos que acotan los rangos de to- lerancia al estrés hipersalino de las angiospermas marinas mediterráneas a los diferentes niveles de organización
del ecosistema (molecular, fisiológico, morfológico, poblacional, etc), representa hoy día una importante laguna de conocimiento hacia la que se han dirigido los objetivos de esta tesis doctoral, y que se detallan a continuación.
6. OBJETIVOS Y ESTRUCTURA DE LA TESIS
La presente Tesis Doctoral ha sido desarrollada a partir de los resultados obtenidos en el mar- co de los proyectos OSMOGRASS I (Ref. 02YSGTB/2007/1.3), financiado por el Ministerio de Me- dio Ambiente y Medio Rural y Marino, correspondiente al Programa Nacional de Ciencias y Tecnolo- gías Medioambientales, y OSMOGRASS II (CTM2009-08413MAR), financiado por el Programa de Investigación Fundamental no Aplicada del Plan Nacional de I+D+i del Ministerio de Economía y Competitividad.
El objetivo general del proyecto fue profundizar en el conocimiento básico las respuestas ecofisiológicas y vege- tativas que determinan la capacidad de las angiospermas marinas mediterráneas (Posidonia oceanica y Cymodocea nodosa) al estrés hipersalino. Se espera además, que este conocimiento contribuya a entender el alcance del im- pacto de los vertidos hipersalinos (salmueras) de las plantas desalinizadoras en estos valiosos hábitat bentónicos y, en consecuencia, al establecimiento de criterios científicos y objetivos de control y seguimiento de dicho impacto.
El desarrollo y consecución de dichos objetivos se planteó mediante dos aproximaciones experimentales:
i) simulación in situ del incremento de la salinidad en una pradera natural de P. oceanica (Capítulo 1), ii) simulación experimental de la exposición de P. oceanica y C. nodosa a un incremento crónico de la salinidad, de- sarrollada en un sistema de condiciones controladas de laboratorio a escala de mesocosmos (Capítulos 2, 3, 4 y 5).
A continuación se exponen los objetivos específicos de la tesis, y que han dado lugar a los 5 capítulos en que está estructurada:
ESTUDIO DE LAS RESPUESTAS DE LA ANGIOSPERMA MARINA MEDITERRÁNEA POSIDONIA OCEANICA A INCREMENTOS DE SALINIDAD SIMULADOS IN SITU (CAPÍTULO 1)
Como se ha explicado en el apartado 5.3, este trabajo fue realizado en el contexto de los estudios pioneros que permitieron establecer los límites de tolerancia de las especies mediterráneas al incremento de la salinidad. En este caso, se planteó una aproximación experimental complementaria, que corroborara los límites establecidos en los estudios anteriores, y basada en: 1) la manipulación in situ de la salinidad, ii) análisis de las respuestas de las plantas en su ambiente natural y iii) exposiciones al estrés hipersalino a escalas temporales intermedias (meses) que per- mitieran observar la máxima expresión de dichas respuestas (incluyendo una posible recuperación). Para ello, se empleó agua de mar con dos intensidades diferentes de incremento salino (+1 y +2.5 ups del valor medio ambiente, 37.6 ups), y preparadas a partir de la salmuera producida por una planta desaladora piloto. Las diferentes solucio- nes hipersalinas fueron conducidas a una pradera de P. oceanica a través de un sistema de tuberías submarinas, para su distribución en una serie parcelas experimentales (3 m2), cuyo perímetro se delimitó por unas paredes de poliéster ancladas la fondo marino, y que mantenían la solución experimental simulando el efecto de estratificación de la capa hipersalina en la parte media-basal de la pradera. A lo largo del periodo experimental, se midieron una serie de descriptores morfométricos, fisiológicos y poblacionales en plantas control y afectadas por los vertidos, con el fin de determinar los efectos de la salmuera en función de los diferentes grados de estrés aplicados, y sus implicaciones para la determinación del umbral de tolerancia de P. oceanica a las condiciones de hipersalinidad.
ESTUDIO DE LOS EFECTOS DEL INCREMENTO DE SALINIDAD EN LA FOTOSÍNTESIS, CRECIMIENTO Y SUPERVIVENCIA DE P. OCEANICA (CAPÍTULO 2)
A tenor de la experiencia acumulada durante el transcurso del estudio previo desarrollado en praderas naturales, se descartó la opción de continuar la línea de investigación con experimentos in situ, altamente costosos en términos de logística, tiempo y economía. Pero además, la necesidad de avanzar en aspectos ecofisiológicos de las respuestas al estrés hipersalino, obligaba a adoptar aproximaciones experimentales en las que aquellos factores diferentes del que se pretende manipular (salinidad), estuvieran más controlados que en el medio natural. En efecto, la experimentación in situ planteaba dos problemas principales: i) la dificultad de mantener estables los niveles de los tratamientos experimentales (debido, por ejemplo, a la acción del oleaje y temporales), y ii) la imposibilidad de aislar el efecto del tratamiento de la influencia de otros factores
ambientales, cuya variación pudiera enmascarar o confundir las respuestas únicamente debidas a la salinidad.
La opción alternativa considerada más adecuada fue la realización de experimentos de laboratorio bajo con- diciones controladas, lo que a su vez, planteaba nuevos problemas, ya que i) el mantenimiento de las especies de angiospermas marinas como P. oceanica, se ha mostrado particularmente problemático en condiciones de laboratorio, ii) se haría necesario mantener las plantas durante periodos lo suficientemente prolongados (al menos 1 o 2 meses) que permitan la expresión de las respuestas aclimatativas y, por último, iii) se reque- riría desarrollar un sistema a escala de mesocosmos, que permitiera un control riguroso de las condiciones ambientales óptimas de las plantas. Así, el sistema de mesocosmos fue diseñado y desarrollado para tal fin en colaboración con Emilio Cortés Melendreras, Director del Acuario Marino Municipal de la Universidad y Ayuntamiento de Murcia, e instalado en los laboratorios del Centro Oceanográfico de Murcia del Instituto Español de Oceanografía, emplazamiento donde se han llevado a cabo todos los trabajos presentados en esta tesis. Los resultados del capítulo 2, junto con los presentados en los capítulos 3 y 4, corresponden al primer experimento realizado en este sistema de mesocosmos experimental, desarrollado durante el periodo estacio- nal de otoño-inverno de 2008. Los detalles técnicos del sistema de mesocosmos se explican en el Anexo 2.
Concretamente en el capítulo 2, se analizan las respuestas fisiológicas y vegetativas de plantas de P. oceanica expuestas durante 47 días a distintos niveles de incrementos de salinidad: 37 (control), 39, 41 y 43 ups. Dichos resultados describen los efectos de los tratamientos hipersalinos en descriptores obtenidos a partir de curvas de Fotosíntesis-Irradiancia, balance de carbono, técnicas de fluorescencia (PAM), análisis de pigmentos fotosintéti- cos y de propiedades ópticas foliares (absorbancia de luz PAR por tejido foliar). Además de dichos descriptores fisiológicos, se analizaron las variaciones de descriptores del tamaño, crecimiento y supervivencia de los haces. Los resultados de este capítulo corroboran los límites de tolerancia de P. oceanica a nivel fisiológico, y aportan evidencias relevantes sobre los mecanismos que explican la elevada sensibilidad de esta especie al incremento de la salinidad.
ESTUDIO DE LOS EFECTOS DEL INCREMENTO DE SALINIDAD EN FOTOSÍNTESIS, CRECIMIENTO Y SUPERVIVENCIA DE C. NODOSA (CAPÍTULO 3)
Como en el caso del capítulo 2, este capítulo pretende caracterizar las repuestas fisiológicas y vege- tativas de C. nodosa frente a diferentes grados de incremento de la salinidad simulados en el mesocos- mos experimental, y en particular las respuestas relacionadas con la fotosíntesis, la composición de pig-
mentos y ciertas propiedades ópticas de las hojas. Para este experimento se emplearon plantas de praderas mediterráneas de ambientes costeros abiertos, es decir, adaptadas a las mismas condiciones que las plantas de P. oceanica empleadas en el cap. 2 (salinidad media estable de aprox. 37 ups). El diseño experimental fue el mis- mo que el empleado para P. oceanica en el capítulo 2, con lo cual se pretende discutir la presumible mayor to- lerancia fisiológica de C. nodosa, a través del análisis comparativo de los resultados de ambos experimentos.
ESTUDIO DE LOS EFECTOS DEL INCREMENTO DE SALINIDAD EN LAS RELACIONES HÍDRICAS DE P. OCEANICA Y C. NODOSA (CAPÍTULO 4)
En este capítulo se estudian las relaciones hídricas foliares de P. oceanica y C. nodosa y los efectos del incremento de salinidad en las mismas, aspecto clave para entender el comportimiento fisiológico de estas plantas marinas, nunca antes examinado para especies mediterráneas. Los descriptores que reflejan el comportamiento de las relaciones hídricas son el potencial hídrico (Ψw), potencial osmótico (Ψπ), y la presión de turgor (Ψp), y fueron obtenidos me- diante técnicas psicrométricas. Se analizó además, el papel de la concentración de algunos solutos orgánicos (i.e. car- bohidratos no estructurales y aminoácidos libres) en los procesos de ajuste osmótico en respuesta al estrés hipersalino.
ANÁLISIS DE LA IMPORTANCIA DE LA VARIACIÓN INTER- E INTRA-ESPECÍFICA EN LA DETERMINACIÓN DE LAS TOLERANCIAS FISIOLÓGICAS DE P. OCEANICA Y C. NODOSA FRENTE AL INCREMENTO DE SALINIDAD (CAPÍTULO 5)
Este capítulo corresponde a un experimento de mesocosmos realizado con ambas especies durante el período es- tacional de primavera-verano de 2009. En este caso, plantas de P. oceanica y C. nodosa fueron expuestas a dos trata- mientos salinos (i.e. 37-control; 43 ups-hipersalino) durante un período experimental de 62 días. El objetivo principal que se persiguió con este estudio fue el de evaluar la existencia de variación intra-específica en la plasticidad fisioló- gica de ambas especies, y en sus capacidades de tolerar el incremento de la salinidad. Así, para cada especie y condi- ción salina, se emplearon simultáneamente plantas de praderas situadas en los extremos del gradiente batimétrico de distribución de ambas especies en la zona y, por tanto, adaptadas a condiciones ambientales muy diferentes (someras versus profundas). En este experimento se analizaron las respuestas de las plantas a múltiples niveles (fotosíntesis, re- laciones hídricas, osmolitos orgánicos, etc), se cuantificó el grado de plasticidad de dichas respuestas a nivel de cada variable, ecotipo y especie, y se discuten sus consecuencias a nivel del crecimiento y supervivencia del organismo.
La parte final de la presente Tesis Doctoral corresponde una sección de Discusión General, donde se aporta una visión global e integrada de las respuestas ecofisiológicas de P. oceanica y C. nodosa al estrés hi- persalino descritas en esta tesis frente a incrementos de salinidad, sus relaciones con mecanismos de toleran- cia, variación intra- e inter-específica, y su eficacia para el mantenimiento de la adecuación biológica a nivel de organismo. Finalmente se presentan las principales Conclusiones de los diferentes estudios realizados, y se ad- juntan dos anexos: Anexo 1, donde se presentan los datos de los descriptores empleados en los experimen- tos, pero obtenidos en plantas de las praderas naturales originarias de ambas especies, y que se han empleado con el propósito de comparar el estado de las plantas en condiciones naturales y de laboratorio; y el Anexo 2, donde se presenta una descripción técnica detallada del sistema de mesocosmos, su diseño y funcionamiento.
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29 ABSTRACT
29 INTRODUCTION
32 MATERIAL AND METHODS
38 RESULTS
50 DISCUSSION
Juan Manuel Ruiz Fernández, Lázaro Marín-Guirao and José Miguel Sandoval Gil. 2009
Responses of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica to in situ simulated salinity increase Botanica Marina 52: 459-470
