Effect of the substrate and the mycorrhiza application on the physiological functioning of ornamental species subjected to water and saline stress

Abstract

Esta investigación aborda el efecto de diferentes estrategias de riego tanto en cuanto a las dosis de agua aplicadas, como en el origen y la calidad de las mismas en el cultivo de especies ornamentales con distintos fines medioambientales. Los ensayos realizados evalúan la respuesta y comportamiento de una serie de especies, a un estrés hídrico severo y al riego de aguas no convencionales. Asimismo, también evalúan la posibilidad de utilizar sustratos alternativos a los comúnmente empleados que sean respetuosos con el medioambiente y con propiedades físico-químicas tolerables para las especies de cultivo. Se estudia como la composición del sustrato afecta el desarrollo del estrés hídrico y la posterior recuperación al inducir cambios fisiológicos en las plantas. A ello se le suma la aplicación de hongos formadores de micorrizas (hongo arbuscular Glomus iranicum var. tenuihypharum y hongo ectomicorrícico Pisolithus tinctorius), que pueden mejorar la eficiencia en el uso del agua y los nutrientes, mitigando los efectos negativos que las condiciones de estrés hídrico e iones tóxicos ocasionan en las plantas. Este trabajo está conformado por dos capítulos, en el primero se avanza en el conocimiento sobre el aporte micorrízico en plantas de Cistus albidus que crece con diferentes tipos de sustrato y sometidas a estrés hídrico, y en el segundo se aborda las estrategias de idoneidad para el uso de recursos hídricos salinos para el riego en diferentes especies. Todos estos estudios están orientados a optimizar la eficiencia en el uso del agua de especies mediterráneas con fines ornamentales, obteniendo plantas de calidad y favoreciendo su adaptación a condiciones medioambientales desfavorables. En el primer capítulo los ensayos se llevaron a cabo en una cámara de crecimiento con dos tipos de sustratos: un sustrato comercial y un sustrato compost. Un grupo de plantas se cultivaron en condiciones de buen riego y otro en condiciones de estrés hídrico, posteriormente, se restableció el agua en todas las plantas (período de recuperación). En condiciones de estrés abiótico, la gestión del riego nos lleva a utilizar herramientas biológicas como la aplicación de micorrizas, lo cual puede mejorar la eficiencia en la absorción del agua y los nutrientes por lo que se quiso evaluar si los hongos Glomus iranicum var. tenuihypharum y Pisolithus tinctorius, podrían proporcionar beneficios cuando las plantas se encuentran en condiciones de estrés hídrico. En el segundo capítulo se identificó cuál de dos especies con diferente tolerancia a la salinidad, Salvia officinalis L. y Asteriscus maritimus L., era más apta para riego con aguas salobres, procedentes de aguas residuales tratadas, así como el efecto de la micorriza arbuscular Glomus iranicum en este tipo de agua. Además, se quiso evaluar la capacidad de recuperación de los parámetros fisiológicos de las plantas que habían sido regadas con aguas residuales tratadas, tras un período de riego con aguas de buena calidad. Además de este ensayo, que se realizó en cámara de crecimiento, se llevó a cabo un experimento en un invernadero con las especies halófitas Crithmum 2 maritimum y Atriplex halimus, plantadas en suelo. Estas se regaron con dos tipos de agua diferentes: aguas residuales regeneradas (RWW) y salmuera originada por ósmosis inversa (ROB), ya que estas especies son capaces de hacer frente a un exceso de NaCl en sus tejidos, aunque no está claro si pueden tolerar otros componentes o impurezas asociados con el uso de aguas no convencionales. De este modo en el primer capítulo se vio que las plantas de C. albidus que crecen en sustrato de compost tienen un buen equilibrio nutricional, aunque, cuando se exponen al estrés hídrico, sufren más que las plantas que crecen en sustrato comercial debido a la presencia de elementos pesados. El desarrollo del estrés hídrico fue más lento en las plantas que crecieron en sustrato de compost y la restauración del riego representó un nuevo estrés para ellas, especialmente aquellas que crecen en sustrato comercial. El estrés hídrico estimuló positivamente los niveles de ABA y SA, mejorando fuertemente la tolerancia a la sequía. Cistus albidus puede formar tanto ectomicorrizas como hongos micorrízicos arbusculares en condiciones de cámara de crecimiento controladas y en macetas con diferentes sustratos, aliviando los efectos nocivos de la sequía, ya que se reducen los niveles de escopoletina, y minimizando la acumulación de iones Na y aumentando los niveles de K y P en las hojas. En el segundo capítulo se vio como Asteriscus maritimus y Salvia officinalis son susceptibles a la micorrización con Glomus iranicum, que mejora los parámetros fotoquímicos en ambas especies cuando se riegan con agua regenerada. La mayor tolerancia a la salinidad de Asteriscus maritimus al riego con aguas residuales regeneradas se debe a que retiene iones tóxicos en las raíces, dificultando su absorción y limitando su acumulación en la parte aérea. En Asteriscus maritimus y Salvia officinalis, el retorno al riego con agua dulce induce la recuperación del intercambio de gases, el estado hídrico y la capacidad de las plantas para reparar el daño de la membrana. Las plantas de Atriplex halimus irrigadas con ROB mantuvieron el crecimiento a través del ajuste osmótico y la regulación de la actividad estomática mientras que en Crithmum maritimum, no influyó en las relaciones hídricas ni en la actividad fotosintética. Por tanto, el riego con RWW y ROB puede considerarse una buena alternativa al uso de agua de riego convencional con fines de revegetación ya que los efectos de la salinidad no influyeron visiblemente en el desarrollo de Atriplex halimus o Crithmum maritimum.

This research addresses the effect of different irrigation strategies both in terms of the amount of water applied, as well as its origin and quality in the ornamental species cultivation for different environmental purposes. The experiments evaluate the response and behavior of a series of species, to severe water stress and to the irrigation with unconventional waters. Likewise, they also evaluate the possibility of using alternative substrates that are respectful with the environment and with tolerable physicochemical properties for the crop species. It is studied how the composition of the substrate affects the water stress development and subsequent recovery by inducing physiological changes in plants. In addition, mycorrhizal fungi application is added (arbuscular fungus Glomus iranicum var. tenuihypharum and ectomycorrhizal fungus Pisolithus tinctorius), which can improve the efficiency in the use of water and nutrients, mitigating the negative effects that water stress and toxic ions conditions cause in plants. This work consists in two chapters, the first one advances in the mycorrhizal contribution knowledge in Cistus albidus plants that grows in different substrates and under water stress, and the second addresses the suitability strategies for the use of saline water resources for irrigation in different species. All these studies are aimed to optimizing the water use efficiency of Mediterranean species for ornamental purposes, obtaining quality plants and benefit their adaptation to unfavorable environmental conditions. In the first chapter the experiments were carried out in a growth chamber with two types of substrates: a commercial and a compost substrate. A group of plants were grown under well-irrigated conditions and other under water stress conditions, subsequently, water was restored in all the plants (recovery period). Under abiotic stress conditions, irrigation management leads us to use biological tools such as the mycorrhizae application, which can improve the absorption of water and nutrients efficiency, which is why it wanted to evaluate whether the Glomus iranicum var. tenuihypharum and Pisolithus tinctorius fungi, could provide benefits when plants are under water stress conditions. In the second chapter, it was identified which of two species with different tolerance to salinity, Salvia officinalis L. and Asteriscus maritimus L., was more suitable for irrigation with brackish water, from reclaimed wastewater, as well as the effect of arbuscular mycorrhiza Glomus iranicum in this type of water. In addition, we wanted to evaluate the recovery capacity of the physiological parameters of the plants that had been irrigated with reclaimed wastewater, after a period with good quality water irrigation. In addition to this experiment, which was carried out in a growth chamber, another was carried out in a greenhouse with the halophyte species Crithmum maritimum and Atriplex halimus, planted in the soil. These were irrigated with two different types of water: regenerated wastewater (RWW) and reverse osmosis brine (ROB), since these species are able to cope an excess of NaCl in their tissues, although it is not clear if they can tolerate other components or impurities associated with the use of unconventional waters. Thus, in the first chapter it was seen that Cistus plants growing in compost substrate have a good nutritional balance, although, when exposed to water stress, they suffer more than plants grown in commercial substrate due to the presence of heavy elements. The development of water stress was slower in cistus plants growing in compost substrate and the restoration of irrigation represented a new stress, especially those growing in commercial substrate. Water stress positively stimulated ABA and SA levels, strongly enhancing drought tolerance. Cistus albidus can form both ectomycorrhizae and arbuscular mycorrhizal fungus under controlled growth chamber conditions and in pots with different substrates, alleviating the harmful drought effects, since scopoletin levels are reduced, and minimizing the Na ions accumulation and increasing K and P levels in the leaves. In the second chapter it was seen how Asteriscus maritimus and Salvia officinalis are susceptible to mycorrhization with Glomus iranicum, which improves the photochemical parameters in both species when they are irrigated with saline reclaimed water. The higher salinity tolerance of Asteriscus maritimus is due to it retaining toxic ions in roots, hindering their absorption and limiting their accumulation in the aerial part. In Asteriscus maritimus and Salvia officinalis, the return to fresh water irrigation induces the recovery of gas exchange, water status and the ability of plants to repair membrane damage. Atriplex halimus plants irrigated with reverse osmosis brine (ROB) maintained growth through osmotic adjustment and the regulation of stomatal activity. In Crithmum maritimum, ROB irrigation did not influence the water relations or the photosynthetic activity. Therefore irrigation with RWW and ROB can be regarded as a good alternative to using conventional irrigation water for revegetation purposes. The effects of salinity did not visibly influence the development of Atriplex halimus or Crithmum maritimum.