American Journal of Botany 100(12): 2328–2338. 2013.
Phosphorus (P) is an essential nutrient for plant life and, along with nitrogen (N), one of the most limiting nutrients in wild plant communities ( Richardson et al., 2004 ; Vitousek et al., 2010 ). Cluster roots (also called proteoid roots) are a major root adaptation to poor soil nutrition that is characteristic in the Proteaceae, a family predominantly distributed in the southern hemisphere ( Purnell, 1960 ; Skene, 1998 ). Several studies have shown the importance of cluster roots for P-acquisition in Pro-teaceae species of South Africa and Australia, where the family is represented by more than 900 species in 30 genera ( Lamont, 1982 ). In those species, low soil P availability and/or low leaf P content stimulate the formation and growth of cluster roots,
which in turn increase P-acquisition through the exudation of organic acids (e.g., malate, citrate) and phosphatases that mobi-lize unavailable forms of P in the soil ( Lamont, 1972 , 1982 ; Lamont et al., 1984 ; Watt and Evans, 1999 ; Lambers et al., 2006 ). Fewer studies have also examined the infl uence of N in the substrate (external N), fi nding that cluster roots are formed in response to low N concentrations instead of P availability, and that they likely participate in N-acquisition ( Lamont, 1972 ; Schmidt et al., 2003 ; Paungfoo-Lonhienne et al., 2009 ). In southern South America (Chile and Argentina) there are only six Proteaceae species ( Embothrium coccineum J.R. Forst. & G. Forst., Gevuina avellana (Molina) Gaertn., Orites myrtoidea (Poepp. & Endl.) Benth. & Hook. f. ex Sleumer, Lomatia den-tata (Ruiz & Pav.) R.Br., L. ferruginea (Cav.) R.Br., and L. hirsuta Diels ex J.F.Macbr. ) and the role of cluster roots in these species is unclear, i.e., the few published studies have brought equivocal evidence for what ultimately drives cluster-root formation ( Zúñiga-Feest et al., 2010 ; Donoso-Ñanculao et al., 2011 ). For example, under controlled-environment condi-tions, seedlings of E . coccineum did not differ in the number of cluster roots when they were watered with solutions having dif-ferent P levels, while seedlings watered with distilled water had higher cluster-root mass than seedlings watered with a Hoagland solution without P ( Zúñiga-Feest et al., 2010 ). This fi nding sug-gests the existence of a factor other than P (e.g., N) infl uencing cluster-root growth. Working with the same species but under natural conditions, Donoso-Ñanculao et al. (2011) found that the cluster-root number was similar between two soils of different
1 Manuscript received 2 May 2013; revision accepted 27 August 2013. The authors thank Prof. H. Lambers and Dr. I. Till–Bottraud for helpful
comments on an early version of the manuscript, and to M. Delgado (Universidad de la Frontera) for information on seed mass, seed phosphorus concentration, and for providing a photograph of cluster roots. The authors are also grateful to F. Croxatto for providing access to Exploradores site, and to CONAF (Corporación Nacional Forestal) for providing access to Reserva Nacional Coyhaique and Reserva Nacional Cerro Castillo. B. Viñegla, J. C. Linares, J. Winkler, and P. Bravo kindly helped during fi eld sampling. FP thanks V. Ochoa for assistance with leaf Pi analyses. This study was supported by grant DID S–2010–66. The Instituto de Ecologia y Biodiversidad (IEB) helped to fi nance soil analyses.
SOIL NITROGEN, AND NOT PHOSPHORUS, PROMOTES CLUSTER-ROOT FORMATION IN A SOUTH AMERICAN
PROTEACEAE, EMBOTHRIUM COCCINEUM 1
FRIDA I. PIPER 2,5 , GABRIELA BAEZA 3 , ALEJANDRA ZÚÑIGA-FEEST 4 , AND ALEX FAJARDO 2
2 Centro de Investigación en Ecosistemas de la Patagonia (CIEP) Conicyt–Regional R10C1003, Universidad Austral de Chile, Camino Baguales s/n, Coyhaique, Chile; 3 Departamento de Botánica, Universidad de Concepción, Concepción, Chile; and
4 Laboratorio de Fisiología Vegetal, Instituto de Ciencias Ambientales y Evolutivas, Facultad de Ciencias, Universidad Austral de Chile, Campus Isla Teja, Valdivia, Chile
• Premise of the study: Cluster roots are a characteristic root adaptation of Proteaceae species. In South African and Australian species, cluster roots promote phosphorus (P) acquisition from poor soils. In a South American Proteaceae species, where cluster roots have been scarcely studied and their function is unknown, we tested whether cluster-root formation is stimulated by low soil nutrition, in particular low P-availability.
• Methods : Small and large seedlings (< 6- and > 6-months old, respectively) of Embothrium coccineum and soil were collected across four different sites in Patagonia (Chile). We determined cluster-root number and relative mass, and leaf Pi concentration per mass (Pi mass ) and per area (Pi area ) for each seedling, and tested relationships with Olsen–P (OP), sorbed–P (sP) and total nitrogen (N) using generalized linear mixed-effects models and model selection to assess the relative strength of soil and plant drivers.
• Key results: Best-fi t models showed a negative logarithmic relationship between cluster-root number and soil nitrogen (N), and between cluster-root relative mass and both leaf Pi area and soil N, and a positive logarithmic relationship between cluster-root number and leaf Pi area . Cluster-root relative mass was higher in small than in large seedlings.
• Conclusions: Contrary to that found in South African and Australian Proteaceae, cluster roots of E. coccineum do not appear to be driven by soil P, but rather by soil N and leaf Pi area . We suggest that cluster roots are a constitutive and functional trait that allows plants to prevail in poor N soils.
Número de raíces proteoideas 10.50 (1.29)ab 12.36 (3.21)ab 14.50 (2.29)a 4.56 (1.02)b 4.39**
Raíces proteoideas: Biomasa total de las raíces 18.35 (3.18)a 9.08 (2.32)ab 13.93 (2.05)a 3.89 (1.20)b 6.52***
Raíces proteoideas: Biomasa total de la planta 6.79 (1.32)a 4.35 (1.46)ab 6.10 (1.07)a 1.21 (0.33)b 4.76**
Nota: C/N representa la proporción entre carbono-nitrógeno. Temperatura media se refiere al promedio anual. i: Aniya et al. (2011); ii: registros del 25
de Noviembre de 2010 al 4 de Octubre de 2012 (F. Piper, datos no publicados), iii: Dirección General de Aguas (Servicio Meteorológico Nacional); iv:
Luebert and Pliscoff (2006).
Muestreo. El muestreo fue llevado a cabo entre mediados de Enero y mediados de Marzo (verano tardío en el
hemisferio sur), entre 2010 y 2013. 14 a 25 parcelas de 1m2 fueron asignadas al azar junto con 4 transectos de
100 m en sentido Este-Oeste en cada sitio. Los transectos se hicieron bajo condiciones lumínicas
completamente abiertas, excepto en Exploradores, donde la apertura del dosel fue de un 50%. En cada
parcela, todas las plántulas encontradas fueron excavadas cuidadosamente con palas, produciendo mínimo
daño en las raíces, luego transferidas a bolsas plásticas, y selladas para evitar deshidratación. Las plántulas
fueron transportadas durante el mismo día al laboratorio. Tanto plántulas, pequeñas y grandes fueron
colectadas. Definimos plántulas pequeñas como aquellas plántulas que germinaron durante la primavera
inmediatamente anterior al muestreo, por ejemplo < a 6 meses de edad. Las plántulas mas grandes fueron
todas plántulas > a 6 meses de edad y < a 40 cm de altura. Distinguimos entre plántulas pequeñas y grandes
observando la presencia de cicatrices formadas cuando los brotes se desarrollan (las cicatrices son muy
evidentes en E. coccineum) y también por la presencia de tallos leñosos. Un total de 47, 54, 38, y 14 plántulas
pequeñas, y 32, 11, 23, y 16 plántulas grandes fueron muestreadas en Exploradores, Tranquilo, Cerro Castillo
y Coyhaique, respectivamente. Adicionalmente, de cada parcela colectamos 2 kg de suelo de los primeros 20
cm para análisis químico, para esto, removimos vegetación, grava, y hojarasca de la superficie de la tierra y
luego colectamos el suelo con palas y transferimos las muestras a bolsas de plástico que fueron
inmediatamente selladas y mantenidas en condiciones frescas (sombra, < 15ºC de temperatura del aire) por
cerca de 2 hrs hasta que fueron puestas en el refrigerador (3ºC).
Análisis de Biomasa. Las plántulas fueron refrigeradas una noche y luego procesadas en el laboratorio
(Centro de Investigación en Ecosistemas de la Patagonia, Coyhaique, Chile). Para las plántulas pequeñas, el
crecimiento fue evaluado como la altura de la plántula y su biomasa al momento de la cosecha. Para las
plántulas grandes calculamos un índice de crecimiento relativo en altura (ICRh) para el crecimiento de la
temporada, el cual está definido como:
ICRh = ln (alturat) – ln (alturat-1)
Donde la altura corresponde a la altura total de las plántulas grandes al momento de la cosecha y alturat-1 es la
altura de la plántula el año anterior. Las plántulas fueron separadas en tallos, hojas, y raíces, estas últimas
separadas en raíces proteoideas y las que no lo son. Para la determinación del área foliar se separaron todas las
hojas de cada plántula, se dispusieron sobre una hoja de papel blanco junto con la referencia de un cuadrado
de tamaño conocido (4 cm2), y se cubrieron con un vidrio transparente para luego ser fotografiadas con una
cámara digital Sony DSC-S750 (Corporación Sony, Tokio, Japón). Las imágenes fueron luego procesadas
para el cálculo de área foliar total proyectada usando el software de procesamiento de imagen SIGMAPROC
6
5.0 (Systat Software, Richmond, California, USA). Las raíces fueron lavadas con cuidado, enjuagadas y el
número total de raíces proteoideas fue registrado para cada plántula. Las raíces proteoideas se reconocen
fácilmente en E. coccineum apareciendo como raíces finas, cortas y laterales, estrechamente espaciadas a lo
largo de los ejes principales de la raíz (Zúñiga-Feest et al. 2010) (Fig. 1). Para cuantificar las raíces
proteoideas, solo la porción del eje principal de la raíz que forma las raíces proteoideas fue considerada. Todas
las raíces proteoideas fueron contadas, independiente de su estado de desarrollo, ya que estábamos interesados
en el número total de raíces proteoideas. Los tejidos de las plántulas fueron secados a 70ºC hasta lograr un
peso constante. La masa seca de cada tejido fue registrada. La masa relativa de las raíces proteoideas fue
calculada como la proporción (en porcentaje) del total de la masa de la raíz seca y también como el total de la
masa seca de la planta completa.
Análisis Químico. Las muestras de suelo fueron mantenidas a 3ºC hasta ser enviadas para análisis químico de
contenido de materia orgánica, N total, pH, Olsen-P (como un sustituto de P disponible) y la proporción C/N
(Laboratorio de suelos, Universidad de Concepción, Chillán, Chile). Olsen-P (g Kg-1
) representa una medida
de disponibilidad de P del suelo. Olsen-P es un método ampliamente usado para cuantificar apropiadamente el
P disponible en los suelos con un PH que va de neutro a básico, aunque en suelos volcánicos ácidos muestra
una buena correlación con otros métodos (ej. Bray-P) (Araos 1969, 1971; Rojas 1976). Adicionalmente
cuantificamos el P-absorbido (%), el cual se piensa que estimula la formación y crecimiento de raíces
proteoideas en suelos volcánicos (Lambers et al. 2012). El análisis de P-absorbido estuvo basado en la
cuantificación de la fracción de P que no puede ser extraída con el extractante Olsen (0.5 M NaHCO3 pH 8.5)
después de la adición de 100 mg P kg-1
(Vistoso et al. 2009). Tanto Olsen-P como P-absorbido no estuvieron
necesariamente correlacionados, bajo Olsen-P fue encontrado a diferentes valores de P-absorbido (por
ejemplo Exploradores vs. Cerro Castillo, Tabla 1). N total fue analizado por el método de nesslerización
directa semi micro-Kjeldahl (Middleton 1960) y el contenido de materia orgánica fue estimado por el método
de rápida oxidación de dicromato (Walkley & Black 1934).
Figura 1. Raíces proteoideas en Embothrium coccineum (Proteaceae). (A) Plántula pequeña (5 meses de edad) recolectada en la
Reserva Nacional Cerro Castillo, Chile, con sus raíces proteoideas visibles rodeadas el suelo. (B) Una raíz proteoidea joven; observar
que son raíces proteoideas simples (por ejemplo estructuras que se asemejan a un cepillo cilíndrico). Fotografías: (A) Frida Piper, (B)
por Mabel Delgado.
7
La concentración de fosfato inorgánico (Pi) foliar fue determinada para todas las plántulas recolectadas,
combinando todas las hojas de cada plántula. El material fue homogeneizado (20 mg) en 1 ml 2% de ácido
acético, permitiéndose la reacción por 30 min, antes de centrifugar a 6000rpm (Dyer & Letourneau 1999). Las
concentraciones de P foliar fueron determinadas siguiendo el procedimiento de Murphy y Riley (1962), que,
brevemente, consiste en la formación de un complejo de antimonio-fosfomolibdato y su subsecuente
reducción a azul de fosfomolibdeno, un complejo color púrpura-azulado. La absorbancia de este complejo a
880 nm fue leída en espectrofotómetro y convertida a concentración de fosfato usando una curva de
calibración de bifosfato de potasio. Las concentraciones de fosfato son expresadas en unidad de masa foliar
seca (Pimass foliar) y de área foliar (Piárea foliar).
Inferencia y análisis estadístico. Aunque varios factores influyen en la formación y crecimiento de las raíces
proteoideas en E. coccineum, basados en estudios anteriores y en nuestra propia observación identificamos 4
factores dominantes que son biológicamente significativos, por ejemplo, P del suelo (en la forma de Olsen-P y
P-absorbido), N del suelo, Pi foliar, y edad de la plántula. Como necesitamos predicciones bien precisas para
maximizar la inferencia en este estudio observacional (McIntire & Fajardo 2009), presentamos una lista de
hipótesis biológicas a priori y expectativas de los factores ya mencionados que influencian el número de
raíces proteoideas por plántula (RP), raíces proteoideas: relación entre biomasa de raíces proteoideas y
biomasa total de la planta (RP/R), y raíces proteoideas: relación total de la biomasa vegetal por plántula.
(RP/P) (Tabla 2). Las cuatro hipótesis principales son: (1) Bajo Olsen-P en el suelo y alto P-absorbido
aumentan la formación y crecimiento de las raíces proteoideas (las raíces proteoideas son una repuesta
funcional directa a la disponibilidad de P en el suelo; (2) bajo Pi foliar, expresado en masa foliar seca y de
área foliar, puede aumentar o disminuir RP, RP/R, y RP/P, como puede ser un estímulo de causa/efecto para la
formación y crecimiento de las raíces proteoideas mediante mecanismos de regulación hacia arriba y hacia
abajo (Shane et al. 2003); (3) RP/R y RP/P son mayores en plántulas pequeñas que en plántulas grandes dado
que las primeras son más propensas a morir debido a escasez de nutrientes en el suelo, mientras RP es más
alto en plántulas grandes ya que es una función directa del tamaño de la plántula, y (4) Bajo N en el suelo
aumenta RP, RP/R, y RP/P (las raíces proteoideas son una respuesta funcional directa de la planta a la baja
disponibilidad de N en el suelo). Como estas hipótesis pueden no actuar asiladas, las combinamos en hipótesis
más especificas que mezclan dos ó todos los factores bajo escrutinio, ej. Bajo P en el suelo y edad de la
plántula pero no bajo N en el suelo pueden ser los factores que influencien la formación de raíces proteoideas
(Tabla 2). En la traducción de las hipótesis biológicas a modelos estadísticos también probamos la posibilidad
de tener relaciones lineales y logarítmicas (existencia de una meseta) entre el número de raíces proteoideas (y
proporción de biomasa) y los factores hipotetizados que afectan su formación. Para probar estas hipótesis
consideramos la parcela como nuestra unidad de muestreo, por lo tanto se promediaron los valores de atributo
de las plántulas y luego las contrastamos con el dato del suelo en cada parcela.
Cuando analizamos el número de raíces proteoideas por plántula (RP) (hipótesis 1,3 y 4), usamos regresión de
modelos lineales generalizados mixtos (GLMM) con una distribución Poisson y una función de enlace log.
Consideramos Olsen-P del suelo, P-absorbido del suelo, N del suelo, Pi foliar, y edad de la plántula como
efectos fijos, con sitio y parcelas anidadas dentro del sitio como efectos al azar. Para RP/P y RP/R, usamos de
manera similar GLMM pero con una distribución binomial y un enlace de función logit ya que ellas
representan proporciones. Ajustamos GLMMs usando lme4 (Bates & Maechler 2009) en una versión R 2.15.3
(R Development Core Team, 2009). Por lo tanto, ajustamos un conjunto de modelos en R, de los cuales el
modelo más complejo y sintético (Tabla 2) tuvo la forma de:
Modelo completo, log(RP) = OP + sP + N + ƒP + A + sk + αp,
8
Donde log(RP) es el enlace log usado para número de raíces encontradas en una plántula, OP y N son Olsen-P
del suelo y concentración de N en el suelo, respectivamente, las que se espera disminuya RP ƒP representa la
concentración de Pi foliar, para la cual no tenemos expectativas claras (ver arriba); sP es P-absorbido del suelo
que se espera cause un incremento en RP; A es un factor categórico representando la ontogenia de la plántula
(plántulas pequeñas vs. grandes), donde esperamos que RP será menor en plántulas pequeñas en comparación
a las grandes; sk y αp son efectos aleatorios a controlar para el sitio (k=4 sitios) y diferencias en parcelas
(realizadas dentro de los sitios, p), respectivamente. Para RP/R y RP/P los modelos fueron similares, excepto
que se predice que A tiene el efecto opuesto (un mayor valor de RP/R y RP/P en plántulas pequeñas que en las
grandes). Finalmente el ajuste de los modelos fue comparado y evaluado usando una aproximación de
información-teórica para la selección de modelos basada en el Criterio de información de Akaike`s corregidas
para una muestra de tamaño pequeño (AICc); el modelo con el menor AICc fue considerado el modelo mejor
ajustado (más robusto) (Burnham & Anderson 2002; Murtaugh 2009). Ya que comúnmente existe
incertidumbre en la selección del modelos (por ejemplo, más de un modelo es considerado equivalente),
también calculamos diferencias entre modelos individuales y el mejor modelo fue AICc (ΔAICc), pesos de
Akaike (wi) y la desviación explicada para cada modelo (R2).
Para probar si las raíces proteoideas compensan por una disminución potencial en Pi foliar debido a baja
disponibilidad de P en el suelo (hipótesis 2), ajustamos un modelo de regresión lineal de efecto mixto (LMM)
donde evaluamos la relación entre la concentración de Pi foliar y Olsen-P del suelo, y si esta relación es
mediada por la edad de la plántula. Asumimos que una baja relación entre la concentración de Pi foliar y
Olsen-P del suelo (por ejemplo un desacoplamiento del Pi foliar de las condiciones de P en el suelo), puede
ser mediado por las raíces proteoideas. Por el contrario, si la relación es positiva, por ejemplo mientras más
bajo es Olsen-P, más baja es la concentración de Pi foliar, el acople de P foliar y P en el suelo sugerirían que
las raíces proteoideas tienen poco que ver con el estatus nutricional de la planta. En este caso, Olsen-P y la
edad de la plántula fueron los factores fijos y el sitio y las parcelas dentro de los sitios fueron considerados
factores aleatorios. Evaluamos p-valores para los factores principales y los efectos de interacción (función
ANOVA en objeto lme en R). Finalmente, el crecimiento relativo en altura fue comparado entre plántulas
pequeñas y grandes usando LMM, con el sitio y las parcelas (dentro del sitio) como factores al azar;
igualmente, las propiedades químicas del suelo y tamaño de la plántula también fueron comparadas entre los
sitios usando LMM, con los sitios como factor fijo y las parcelas como factor al azar.
TABLA 2. Descripción de los modelos a priori acerca de los efectos del P en el suelo (Olsen-P, OP y P-absorbido, sP), N total en el
suelo (N), concentración foliar Piárea (fP), y ontogenia de las plántulas (A, pequeña o grande) sobre el número de raíces proteoideas
(RP) de plántulas de Embothrium coccineum (Proteaceae) en varios sitios de la Patagonia. Usamos la misma lista de modelos para las
raíces proteoideas: relación entre biomasa de raíces proteoideas y biomasa total de la planta (RP/R), y raíces proteoideas: relación total
de la biomasa vegetal por plántula. (RP/P) como variables respuesta.
Hipótesis biológicas Modelos
~1 1, al azar
P en el suelo
OP 2, a menor OP aumenta CR (relación lineal)
log (OP) 3, a menor OP aumenta CR (relación logarítmica)
sP 4, a mayor sP aumenta CR (relación lineal)
log (sP) 5, a mayor sP aumenta CR (relación logarítmica)
N en el suelo
N 6, a menor N aumenta CR (relación lineal)
log (N) 7, a menor N aumenta CR (relación logarítmica)
P & N del suelo
OP + sP + N 8, CR disminuye linealmente con OP del suelo y N, y aumenta linealmente con sP
log (OP + sP + N) 9, CR disminuye logarítmicamente con OP, y aumenta logarítmicamente con sP
P foliar
ƒP 10, CR disminuye o aumenta linealmente con P foliar
9
log (ƒP) 11, CR disminuye o aumenta logarítmicamente con P foliar
P foliar y del suelo
log (OP + sP + ƒP) 12, CR disminuye logarítmicamente con OP, aumenta logarítmicamente con sP, y disminuye o aumenta
logarítmicamente con P foliar. log (N + ƒP) 13, CR disminuye logarítmicamente con N del suelo y disminuye o aumenta logarítmicamente con P foliar
log (OP + sP + N +
ƒP)
14, CR disminuye logarítmicamente con OP y N del suelo, aumenta logarítmicamente con sP, y disminuye o
aumenta logarítmicamente con P foliar. Ontogenia
A 15, CR es más alto en plántulas grandes que en pequeñas.
suelo & ontogenia
log (OP + sP) + A 16, CR disminuye logarítmicamente con OP y aumenta logarítmicamente con sP y linealmente con la edad
de la plántula. log (N) + A 17, CR disminuye logarítmicamente con N del suelo y aumenta linealmente con la edad de la plántula
log (OP +sP + N) + A 18, CR disminuye logarítmicamente con OP y N del suelo, y aumenta logarítmicamente con sP y linealmente
con la edad de la plántula. P foliar & ontogenia
log (ƒP) + A 19, CR aumenta linealmente con la edad de la plántula, y disminuye o aumenta logarítmicamente con P foliar
suelo & P foliar &
ontogenia
log (OP + sP) + log
(ƒP) + A
20, CR disminuye logarítmicamente con OP, aumenta logarítmicamente con sP y linealmente con la edad de
la plántula, y disminuye o aumenta con P foliar. log (N) + log (fP) + A 21, CR disminuye logarítmicamente con N del suelo, aumenta linealmente con la edad de la plántula, y
disminuye o aumenta logarítmicamente con P foliar log (OP + sP + N) +
log (ƒP) + A
22, CR disminuye logarítmicamente con OP y N del suelo, aumenta linealmente con la edad de la plántula y
logarítmicamente con sP, y disminuye o aumenta logarítmicamente con P foliar.
RESULTADOS
Los sitios efectivamente difirieron en propiedades químicas del suelo, por lo tanto representaron un gradiente
de fertilidad natural (Tabla 1). Una variación significativa alta fue encontrada en concentración de Olsen-P, la
cual fue 10 veces mayor en Tranquilo que en Exploradores y Cerro Castillo, mostrando valores intermedios en
Coyhaique (Tabla 1). La concentración de P-absorbido fue en general muy alta en todos los sitios (≥ 25%),
aunque en Cerro Castillo y Coyhaique fue 2 veces más alta que en Exploradores y Tranquilo. Similar a Olsen-
P, el contenido de materia orgánica, N total, y proporción C/N fueron mayores en Tranquilo y muy bajas en
Cerro Castillo y Exploradores. Sin embargo, Cerro Castillo tuvo más bajo contenido de materia orgánica y
proporción C/N que Exploradores, mientras Tranquilo y Coyhaique tuvieron valores similares de N total
(Tabla 1). Todos los sitios mostraron valores relativamente bajos de pH, con Tranquilo exhibiendo el menor.
Mientras la biomasa de las plántulas fue mayor en Tranquilo y Coyhaique tanto para las pequeñas como
grandes, respectivamente (Tabla 1), fue menor en Cerro Castillo para las plántulas pequeñas y grandes (Tabla
1). La menor altura de plántulas fue encontrada en Cerro Castillo. Finalmente, plántulas de Exploradores y
Cerro Castillo mostraron el mayor número de raíces proteoideas y masa relativa (Tabla 1). Todos los modelos
estadísticos propuestos fueron significativamente diferentes de un modelo único al azar (modelo 1), lo que
significa que los procesos estocásticos no son las principales determinantes del número y masa de las raíces
proteoideas en E. coccineum. Encontramos que los modelos mostraron un mejor ajuste con Piárea foliar que
con Pimass foliar, por lo tanto continuamos trabajando con el primero. Conforme al menor AICc y ΔAICc (≤ 2),
encontramos apoyo para el modelo 21 como el que mejor predice RP (Tabla 3). El Modelo 21, que describe la
variabilidad en los datos bastante bien (R2=0.91), es esencialmente la combinación del modelo 13 (N, ƒP) y
15 (A), y no contiene ningún componente de P en el suelo. En mayor detalle indica que el número de raíces
proteoideas disminuye significativamente y logarítmicamente con la concentración de N en el suelo, aumenta
logarítmicamente con ƒP, y es significativamente menor (b=0.574, Tabla 4) para plántulas pequeñas (media
6.6) que para las grandes (media 10.71) (Figs. 2, 3). Para RP/R, encontramos un fuerte apoyo para el modelo
22, el cual corresponde al modelo completo que contiene todos los componentes, con una alta desviación
explicada (R2=0.81, Tabla 3). En este caso, N del suelo y P foliar (ƒP) mostraron una relación logarítmica
negativa significativa con RP/R. También se encontró que RP/R disminuyó significativamente con A (b=-
0.289, Tabla 4), siendo mayor para plántulas pequeñas que para las grandes (Fig. 3). Aunque OP y sP son
componentes esenciales del modelo y RP/R disminuye logarítmicamente con OP y aumenta logarítmicamente
con sP (hipótesis 1), estas relaciones no fueron significativas (p-valor > 0.05). Finalmente, cuando se
ajustaron los modelos para RP/P, encontramos apoyo en el modelo 14 y el modelo 22 (ΔAICc ≤1),
10
básicamente, el modelo 14 difiere del modelo 22 en que no incluye el componente de edad de la plántula (A),
cuando se incorporó A no se mejoró mucho la robustez del modelo (Tabla 2). El modelo describe
adecuadamente la variación en los datos (R2=0.47, Tabla 3). De nuevo, N y fP se correlacionaron
significativamente con RP/P de manera negativa y logarítmica (Tabla 4), mientras que ni OP ó sP
influenciaron significativamente RP/P. En general, las plántulas pequeñas crecieron significativamente más
rápido que las plántulas grandes (1.18 vs. 0.64 cm.cm-1
, para plántulas pequeñas y grandes, respectivamente;
F-valor=76.5; p-valor<0.001)
En general, encontramos una relación positiva y significativa entre Pimass foliar y Olsen-P en el suelo (F =
5.57; P = 0.021). Las plántulas pequeñas tuvieron en promedio, mayor Pimass foliar que las grandes (F = 4.11;
P = 0.044). El término de interacción entre Olsen-P y la edad de la plántula fue también significativo (F =
7.70; P = 0.006). Por lo tanto hicimos el análisis para cada edad de plántula por separado y encontramos que
la relación entre Pimass foliar y Olsen-P en el suelo fue significativa sólo en plántulas grandes (Fig. 4). En
cambio, el Piárea foliar no estuvo relacionado con Olsen-P (F = 0.84; P = 0.24). Tampoco hubo interacción
significativa entre Olsen-P y la edad de la plántula en Piáera foliar (F = 0.46; P = 0.53).
TABLA 3. Los 3 modelos que mejor se ajustaron para predecir el número de raíces proteoideas por plántula (RP), raíces proteoideas:
relación entre biomasa de raíces proteoideas y biomasa total de la planta (RP/R), y raíces proteoideas: relación total de la biomasa
vegetal por plántula. (RP/P) de Embothrium coccineum en varios sitios de la Patagonia, Chile.
modelo Parámeteros AICc ΔAICc wi R2
RP 21 N, fP, A 671.57 0 1 0.91
22 OP, sP, N, fP, A 676.79 5.21 0.07 0.07
20 OP, sP, fP, A 679.48 7.89 0.02 0.02
RP/R 22 OP, sP, N, fP, A 1342.39 0 1 0.81
20 OP, sP, fP, A 1345.28 2.89 0.24 0.19
21 N, fP, A 1353.19 10.79 0.01 0.01
RP/P 14 OP,sP, N, fP 601.68 0 1 0.47
22 OP, sP, N, fP, A 602.19 0.52 0.77 0.36
12 OP, sP, fP 604.89 3.21 0.20 0.09 Notas: AICc = Criterio de información de Akaike corregido para un muestreo de tamaño pequeño; ΔAICc = AICc diferencias entre modelos individuales
y el mejor modelo; wi = Peso de Akaike; R2 = desviación explicada.
DISCUSIÓN
Las raíces proteoideas y la disponibilidad de P en el suelo. La formación de raíces proteoideas en plántulas
de E. coccineum no se relacionó con la disponibilidad de P en el suelo en los distintos sitios estudiados en la
Patagonia, Chile. Esta aseveración está basada en dos hechos: primero, el modelo que mejor se ajustó para dar
cuenta del número de raíces proteoideas por plántula no incluyó Olsen-P o P-absorbido como variables
explicativas, pero si incluyó N total del suelo, concentración de Pi foliar y edad de la plántula (Tabla 3); y
segundo, aunque los modelos explicaron la asignación de biomasa a raíces proteoideas (RP/R, RP/P),
mejoraron su poder de predicción cuando consideraron Olsen-P y P-absorbido, estas variables no tuvieron
efectos significativos en la proporción de masa de raíces proteoideas (Tablas 3, 4). En general, estos hallazgos
fueron bastante inesperados, sabiendo que la baja disponibilidad de P en el suelo es un importante inductor de
la formación y crecimiento de las raíces proteoideas en especies proteáceas de otras regiones, por ejemplo
Australia y Sudáfrica (Lamont 1972; Lamont et al. 1984; Shane et al. 2003). Aunque nuestros hallazgos están
de acuerdo con estudios previos en E. coccineum que no encontraron relación entre el número de raíces
proteoideas y disponibilidad de P en el sustrato (Zúñiga-Feest et al. 2010; Donoso-Ñanculao et al. 2011) el
nuestro es mas general ya que consideramos un rango más amplio de disponibilidad de P y cuantificamos el
número total de raíces proteoideas en plántulas que germinaron y emergieron en el lugar. Para plántulas
11
germinadas recientemente, el crecimiento es altamente dependiente del P en el suelo debido a la necesidad de
una rápida división celular y expansión durante la transición heterotrófica-autotrófica, junto con un bajo
volumen exploratorio de raíz (Reich & Schoettle 1988; Thomson et al. 1992). Esta necesidad sería importante
en especies con semilla de tamaño medio como E. coccineum (Grubb et al. 2013), donde se puede esperar que
la provisión de nutrientes por almacenamiento de la semilla dure algunos días (Swanborough & Westoby
1996). Al incluir el crecimiento temprano de la plántula, por lo tanto, probablemente incluimos la etapa
ontogénica donde la formación de raíces proteoideas sería la mayor. Adicionalmente, nuestro estudio
consideró un amplio rango de disponibilidad de P en el suelo (10 veces en Olsen-P a través de los sitios, Tabla
1), similar al rango de la distribución de la especie (Souto et al. 2009), reflejando la máxima variación
intraespecífica en el número y masa de raíces proteoideas bajo condiciones naturales. Por lo tanto, sugerimos
que la disponibilidad de P en el suelo no influencia la formación o crecimiento de las raíces proteoideas en E.
coccineum.
La concentración de N total en el suelo fue el único factor del suelo responsable del número de raíces
proteoideas y su masa relativa. En particular, las plántulas de E. coccineum tendieron a tener más raíces
proteoideas e invertir más biomasa en éstas (relativa a la masa de las raíces y a la de toda la plántula) cuando
la concentración de N en el suelo disminuyó (Tabla 4, Fig. 2). En general, estos resultados son consistentes
con el rol hipotético de las raíces proteoideas como una adaptación a sobrevivir bajo condiciones
extremadamente pobres de suelo (Neumann & Martinoia 2002). El incremento de la formación de raíces
proteoideas en respuesta a la baja disponibilidad de N en el suelo ha sido observado en especies del género
Hakea (Proteaceae) (Lamont 1972), donde las raíces proteoideas podrían estar facilitando la movilización y
adquisición de N de fuentes orgánicas mediante la exudación de enzimas proteolíticas (Schmidt et al. 2003;
Paungfoo-Lonhienne et al. 2008; Paungfoo-Lonhienne et al. 2009)
TABLA 4. Parámetros de pendiente estimados (1 SE) para los modelos más ajustados prediciendo el número de raíces proteoideas por
plántula (RP), raíces proteoideas: relación entre biomasa de raíces proteoideas y biomasa total de la planta (RP/R), y raíces
proteoideas: relación total de la biomasa vegetal por plántula. (RP/P) de Embothrium coccineum en varios sitios de la Patagonia, Chile.
*, **, ***, indican diferencias significativas en P < 0.05, P < 0.01, P < 0.001, respectivamente.
RP RP/R RP/P
parámetros model 21 model 22 model 14 model 22
OP –0.127 (0.223) –0.200 (0.182) –0.194 (0.173)
sP –0.111 (0.132) –0.079 (0.110) –0.077 (0.106)
N –0.451 (0.103)*** –0.594 (0.238)* –0.518 (0.201)** –0.528 (0.192)**
A 0.574 (0.063)*** –0.289 (0.054)*** –0.106 (0.081)
Nuestro estudio es el primero mostrando que el N es un importante factor externo controlando la formación y
crecimiento de raíces proteoideas en una especie de Proteácea Sudamericana. El efecto de N parece ser fuerte
y consistente a lo largo de los sitios, independiente de la variación en el clima u otra propiedad química del
suelo. Por ejemplo, la precipitación y el P-absorbido difirieron dos y cuatro veces, respectivamente, entre
Exploradores y Cerro Castillo (Tabla 1), sin embargo ambos sitios tuvieron baja concentración de N en el
suelo y por lo tanto la predicción del número de raíces proteoideas fue más alta (Tabla 1) para ambos sitios. Es
desconocido si las raíces proteoideas de E. coccineum u otras especies proteáceas de Sudamérica incrementan
la adquisición de N, como ha sido observado en especies Australianas, aunque estudios previos aparentan ser
consistentes con esta idea. Por ejemplo, la distribución estudiada de E coccineum 37° a 55° S a la largo de
sitios de distinta fertilidad, se encontró que los suelos tienen <0.15% de N total en 7 de cada 26 poblaciones
(Souto et al. 2009), sugiriendo que la ocurrencia de esta especie en suelos con baja concentración de N es
bastante común. Interesantemente, un estudio de campo con muchas especies encontró que la pérdida anual
12
estimada de N en la hojarasca de E. coccineum fue mucho más alta que cualquiera de las otras 10 especies
arbóreas examinadas (Lusk & Contreras 1999). Del mismo modo, Lomatia hirsuta, otra especie proteácea de
Sudamérica ocupa suelos con las menores concentraciones de N total cuando se compara con otras especies
arbóreas de la región y aun así, produce hojarasca rica en N foliar (Diehl et al. 2003; Satti et al. 2003). Sin
embargo, reconocemos que E. coccineum se distribuye igual de bien en sitios que tienen una mayor
concentración de N que aquellos encontrados en nuestros sitios (Souto et al. 2009; Zúñiga-Feest et al. 2010).
Por lo tanto, la capacidad predictiva de nuestros resultados puede estar restringida a suelos en general pobres
de N.
Figura 2. Número de raíces proteoideas predichas en plántulas pequeñas de Embothrium coccineum basado en la variación de
concentración de N total en el suelo y Piárea foliar. Las predicciones fueron hechas usando un modelo de regresión logarítmica (modelo
21, Tabla 4). Es mostrado sólo el modelo para plántula pequeña.
La relación logarítmica negativa entre número (y masa) de raíces proteoideas y el N en el suelo encontrado en
nuestro estudio podría tener algunas implicaciones a nivel de comunidad. La disminución en el número de
raíces proteoideas por plántula con concentraciones de N en el suelo fue pronunciada (multiplicativa o
geométrica pero no aditiva) a bajos valores de N (entre 0.02% y 0.20%, Fig. 2) pero luego tuvieron tendencia
a ser constantes con concentraciones de N más altas, alcanzando una meseta mínima a valores mayores de N
(0.4%, Fig. 2). Este patrón ilustra que la formación y crecimiento de raíces proteoideas es altamente sensible a
niveles muy bajos de N en el suelo (pequeños cambios en N gatilla cambios grandes en el número y masa de
raíces proteoideas), pero mientras el suelo se vuelve más rico en N, la expresión del rasgo cae rápidamente.
Interpretamos esta tendencia en un contexto económico. Las raíces proteoideas ocurren a expensas del
crecimiento aéreo porque necesariamente ello implica costos de energía para la planta (Lambers et al. 2008a).
Cuando la fertilidad del suelo limita el desempeño de las plantas, las raíces proteoideas se vuelven muy
ventajosas ya que el aumento en la adquisición de nutrientes retribuye cualquier costo involucrado en su
formación. Sin embargo cuando la concentración de N en el suelo aumenta, las raíces proteoideas pueden no
ser esenciales ya que este nutriente puede ser absorbido por raíces que no son proteoideas, las cuales se piensa
son mas económicas de producir (Lambers et al. 2008a). En Cerro Castillo, por ejemplo, el cual fue el sitio
con la menor concentración de N en el suelo, las plántulas tuvieron un mayor número y masa relativa de raíces
proteoideas, pero una menor biomasa y altura cuando se comparó con plántulas de otros sitios (Tabla 1).
Finalmente, el hecho de que las raíces proteoideas no desaparecen por completo a altas concentraciones de N
en el suelo puede sugerir que ellas representan un rasgo constitutivo (por ejemplo, siempre presente). Esta
cualidad constitutiva puede en parte atribuirse al trade-off general entre sobrevivir en condiciones
extremadamente limitantes y crecer rápido. La mayor parte de especies proteáceas son pioneras en áreas
disturbadas, caracterizadas por suelos de baja nutrición y alta exposición (por ejemplo, suelos volcánicos
13
jóvenes), y aún así ellas llegan a ser especies menos abundantes en bosques maduros de estados sucesionales
avanzados, donde los rasgos que maximizan la adquisición de luz son cruciales.
El P foliar y en el suelo están desacoplados. En comunidades de plantas bajo condiciones naturales se espera
que el contenido de P foliar y la disponibilidad de P estén acoplados (Austin & Vitousek 1998; Ordoñez et al.
2009). Nuestro estudio sugiere que las raíces proteoideas pueden mediar un desacople entre la concentración
de P foliar y Olsen-P, particularmente en plántulas pequeñas. Esto está indicado por tres hechos: 1) la fuerte
relación entre número (positivo) y masa relativa (negativa) de raíces proteoideas con Piárea foliar (Tabla 4); 2)
la mayor proporción de masa (a nivel de raíz y plántula) de raíces proteoideas en plántulas pequeñas que en
grandes (Fig. 3); y 3) la ausencia de cualquier relación entre Pimass foliar y Piárea foliar con concentraciones
Olsen-P en plántulas pequeñas (Fig. 4).
Figura 3. Número y masa relativa de las raíces proteoideas en plántulas pequeñas (<6 meses de edad) y grandes (>6 meses de edad) de
Embothrium coccineum en Patagonia, Chile. Son indicados los valores medios y errores estándar. Los asteriscos indican diferencias
significativas (P<0.05) entre clases de edad (TABLA 4).
En contraste, plántulas grandes con una menor inversión de biomasa relativa en raíces proteoideas que
plántulas pequeñas (Fig. 3) tuvieron concentraciones de Pimass foliar cercanas a la disponibilidad de P en el
suelo (la relación fue significativa). La compensación por baja disponibilidad de P en el suelo en plántulas
pequeñas de E. coccineum puede ser explicada por un incremento en la adquisición de P mediada por las
raíces proteoideas o por suplementos suministrados por P almacenado en la semilla. El almacenamiento en la
semilla es importante durante etapas tempranas del establecimiento de la plántula ya que puede proveer los
recursos para el crecimiento cuando estos no están disponibles en el ambiente (Muller-Landau 2010). Sin
14
embargo, creemos que el almacenamiento en la semilla no explica la compensación de Pi foliar en plántulas
pequeñas de E. coccineum debido a que esta especie no tiene semilla grande (Grubb et al. 2013), y porque la
concentración de P en su semilla es en general baja (0.3-0.5%, M. Delgado, Universidad de la Frontera, datos
no publicados). Además, como E coccineum germina en la primavera temprana, las plántulas pequeñas que
muestreamos en el verano tardío eran mayores de 4 meses de edad. Por lo tanto, independiente de cuanto P fue
aportado desde las semillas, el período de dependencia de P de la semilla en las plántulas pequeñas fue breve
con respecto al período autotrófico y así cualquier entrega inicial de nutrientes desde la semilla debiera haber
sido diluida durante los siguientes meses. Por otra parte, la tesis de que las raíces proteoideas aumentan la
adquisición de P parece ser más plausible. Esta función de las raíces proteoideas ha sido documentada en
especies proteáceas Australianas y Sudafricanas (Lamont et al. 1984; Shane et al. 2003; Lambers et al. 2006)
y recientemente también ha sido postulado que ocurre en la proteácea Sudamericana (Lambers et al. 2012).
Encontramos que la masa relativa de las raíces proteoideas disminuyó con el Piárea foliar, sugiriendo que un
bajo estatus de P estimula el crecimiento de las raíces proteoideas (Shane et al. 2003). Sin embargo, el número
de raíces proteoideas, estuvo relacionada positivamente al Piárea foliar. La inconsistencia aparente entre estos
dos resultados puede ser explicada por la forma en cómo cuantificamos el número de raíces proteoideas (por
ejemplo, número total). La disminución entre el número de raíces proteoideas con Pi foliar implica un
incremento del número de raíces proteoideas total -un sustituto de la formación de raíces acumulada. Además,
es posible que la regulación hacia arriba de Pi foliar mediada por el número de raíces proteoideas ocurra más
temprano que la mediada por la masa de raíces proteoideas (Shane et al. 2003). En plántulas grandes, la
similar Piárea foliar (pero no Pimass) en un rango de valores Olsen-P sugieren que sólo las raíces proteoideas no
son suficientes para compensar por concentraciones de Pimass foliar, pero que las raíces proteoideas
combinadas con ajustes en la estructura de la hoja fueron efectivas para compensar potenciales reducciones en
la concentración de Piárea foliar.
Ontogenia de las plántulas. Encontramos apoyo para la hipótesis de que la inversión de biomasa en raíces
proteoideas es mayor en plántulas pequeñas (<6 meses de edad) que en grandes (Fig. 3). Este resultado ilustra
un rol ecológico clave de las raíces proteoideas durante el establecimiento de las plántulas (por ejemplo, los
primero seis meses de vida) de Embothrium coccineum que puede estar asociado con su estatus sucesional y
tamaño de la semilla. Embothrium coccineum es una especie de semilla de tamaño mediano y sucesión
temprana (Grubb et al. 2013). Por lo tanto, plántulas pequeñas con un período corto de suministro de
nutrientes de las semillas y su pequeña capacidad exploratoria de raíces, deben ser capaces de satisfacer
demandas de P para sobrevivencia y crecimiento en suelos pobres. Además, encontramos que las plántulas
pequeñas crecieron más rápido que las más grandes, sugiriendo que la tasa de adquisición de P fue mayor en
plántulas pequeñas en comparación a las más grandes. Hipotetizamos que las raíces proteoideas aumentan la
adquisición de nutrientes de plántulas pequeñas y por lo tanto compensan los costos involucrados en su
formación y crecimiento. Las plántulas más grandes en comparación, tienen una masa de raíces más grande
que permite una mayor exploración de nutrientes en el suelo. También se pueden beneficiar de la hojarasca
producida por sus hojas, luego de la descomposición y mineralización (Lambers et al. 2012). Por otro lado,
semillas más grandes con una menor inversión en biomasa relativa en raíces proteoideas (Tabla 2) podrían
tener una mayor asignación a crecimiento aéreo, el cual puede ser más ventajoso para la competición de luz en
etapas más avanzadas de vida.
15
Figura 4. Concentración de Pi foliar en masa foliar y área foliar vs. concentraciones de Olsen-P en plántulas pequeñas (<6 meses de
edad) y grandes (>6 meses de edad) de Embothrium coccineum en Patagonia, Chile. La regresión entre Pimass foliar y Olsen-P fue
significativa en plántulas grandes (R2 = 0.56; P = 0.012) pero no en las pequeñas (R2 = 0.13; P = 0.600).
Conclusiones. Bajo las condiciones de campo examinadas en nuestro estudio, encontramos que la formación
y crecimiento de las raíces proteoideas en E. coccineum no fueron estimuladas por una baja disponibilidad de
P en el suelo sino que por bajas concentraciones de N en este. También encontramos que las plántulas
pequeñas invirtieron más biomasa en raíces proteoideas que plántulas grandes, y desacoplaron sus
concentraciones de Pi foliar de las concentraciones de P en el suelo, sugiriendo que las raíces proteoideas
previnieron que estas plántulas experimentaran disminuciones en P foliar causadas por una baja disponibilidad
de P en el suelo. Por lo tanto, nuestros hallazgos apoyan el rol clave de las raíces proteoideas para el
establecimiento de las plántulas mediante un incremento en la adquisición de P, y sugirieren que las raíces
proteoideas también pueden promover la adquisición de N. Un aumento en el acceso de P y N en suelos con
baja fertilidad puede haber favorecido la persistencia de las raíces proteoideas en Proteáceas en el sur de
Sudamérica, ya que este tipo de suelos son comunes en esta región.
Aunque nuestro estudio pone en evidencia los factores que probablemente más influyen en la formación de
raíces proteoideas en especies de proteácea del sur de Sudamérica, se necesita una mayor investigación para
explorar la generalidad de nuestros resultados y la influencia potencial de otros factores. El efecto muy fuerte
de la concentración de N en el suelo tanto en la formación como crecimiento de las raíces proteoideas
encontrado en este estudio sugiere que este nutriente tiene un rol central en la función de las raíces
proteoideas. Sin embargo, vale la pena determinar si las bajas concentraciones de N en el suelo estimulan la
formación de raíces proteoideas en suelos diferentes a los examinados aquí, donde también está presente la
especie (por ejemplo, con poco o nada de material volcánico, como en el sur de la Patagonia o la costa
chilena). No se puede descartar que el efecto nulo de la disponibilidad de P en el suelo en la formación y
crecimiento de las raíces proteoideas que encontramos aquí fue una consecuencia de limitaciones de N
ocurriendo en todos los suelos que estudiamos. ¿Es la formación de raíces proteoideas gatillada por baja
disponibilidad de P en condiciones de concentración de N mayores a las que las que examinamos aquí?
Finalmente, nuestros resultados muestran que las raíces proteoideas median la adquisición de P en plántulas
pequeñas, y sugieren fuertemente que las raíces proteoideas promueven la adquisición de N, como ha sido
encontrado en especies Proteácea de Australia (Schmidt et al. 2003). Esto necesita ser probado, y también si el
N foliar y las concentraciones de Pi (por ejemplo, proporción N:P foliar) interactúan en la regulación y
formación de raíces proteoideas.
16
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![ZLHU]FKRáNRZD · 2015. 3. 16. · 2,5% 2,5% 2,5% 2,5% 2,5% 2,5% 2,5% 2,5% 2,5% i zm% 2,5% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2,5% 2% 2% 2% 2,5% 2,5% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2,5% i zm% 2,5%](https://static.documents.pub/doc/80x56/60c55272bda9cd16943ecc8f/zlhufkr-2015-3-16-25-25-25-25-25-25-25-25-25-i-zm-25.jpg)
