Nowadays, the combination of the autotrophic nitrification together with heterotrophic denitrification is the most common process for N-removal in the WWTPs. However, when the C:N ratio is low, this two-step process does not properly work and an external C source must be added. The anammox bacteria are the target of this thesis, capable to oxidize ammonium under chemolithotrophic and anaerobic conditions. The main aim of this doctoral thesis is the search and enrichment of the anammox bacteria for a long time period, in order to be used as inocula for an anammox bioreactor. Once identified, several molecular techniques were used to optimize their detection and made it faster, to characterize their bacterial ecological partners and to study the composition of the ammonium-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria populations, required to obtain a suitable ammonium concentration in the influent of the anammox reactor. / Actualment, la combinació d’una nitrificació autotròfica seguida d’una desnitrificació heterotròfica és el procés més comú d’eliminació de N en les EDAR. Tot i això, quan la relació C:N és baixa aquest procés basat en dos compartiments no funciona correctament i s’ha d’afegir un font de C externa. L’objecte d’estudi d’aquesta tesi són els bacteris anammox, un nou procés capaç d’oxidar quimiolitotròficament i de manera anaeròbica l’amoni. L’objectiu principal de la tesi va ser la seva cerca i el seu enriquiment durant un llarg període de temps, per ser utilitzats com a inòculs per un bioreactor anammox. Un cop identificats es van utilitzar tècniques moleculars per d’optimitzar la seva detecció i fer-la més ràpida, caracteritzar les poblacions microbianes que van actuar com a socis ecològics i estudiar la composició de la poblacions de bacteris oxidadors d’amoni i de nitrit necessaris per aconseguir una correcta concentració d’amoni a l’influent del reactor anammox.

La invasió de les espècies exòtiques és una de les causes més importants de la pèrdua de biodiversitat. Un dels reptes actuals en l’estudi de les invasions és determinar quins factors afecten a la capacitat d’invasió quan una espècie exòtica colonitza un nou ambient. Entre els diferents factors, els herbívors destaquen per la seva capacitat per controlar les poblacions vegetals. Segons les hipòtesis actuals, els herbívors influiran en l’èxit d’invasió de les espècies exòtiques a través de dos processos contraposats: l’alliberament dels enemics naturals de la zona d’origen, que facilitaria la invasió i l’establiment de noves interaccions amb els herbívors de l’àrea envaïda, que podria frenar-la. L’objectiu principal d’aquesta tesi ha estat avaluar les interaccions planta–herbívor en dues espècies exòtiques de Senecio (S. pterophorus i S. inaequidens) mitjançant un estudi a nivell biogeogràfic, comparant poblacions natives i invasores d’una mateixa espècie, i a nivell de comunitat, comparant espècies exòtiques i natives en una zona d’introducció. Els resultats de l’estudi biogeogràfic (Capítol 1) han evidenciat que les plantes de S. pterophorus s’han alliberat dels enemics naturals de la zona d’origen però que també han establert noves interaccions amb els herbívors locals. En l’estudi de comunitat (Capítol 2, 3, 4) s’ha demostrat que les plantes exòtiques S. pterophorus i S. inaequidens estableixen noves interaccions amb herbívors locals especialistes. Les interaccions entre els herbívors locals i les plantes de Senecio no han estat influïdes per les defenses químiques vegetals, al contrari del què prediuen les hipòtesis vigents, mentre que altres característiques de les plantes, com la fenologia o la grandària dels individus, hi han influït significativament. En general, la intensitat d’herbivorisme en les plantes exòtiques no ha estat superior en comparació als congèneres natius. Per tant, es conclou que els herbívors no esdevenen un element important en el control d’aquestes dues espècies invasores. Els resultats obtinguts han contribuït a la comprensió de les interaccions planta–herbívor en el procés d’invasió així com han posat de manifest la complexitat de les condicions naturals. / The invasion of exotic species is one of the most significant factors affecting biological diversity at global scale. An important challenge in the study of invasions is to understand what factors determine the capacity of invasion when an exotic species colonizes a new habitat. Among these ones, herbivores stand out for their capacity to control plant populations. The current hypotheses postulate that herbivores may influence the invasions success through two opposite mechanisms: the release of native herbivores from the native area, which may favor invasibility, and the establishment of new interactions with herbivores from the invaded area, which could decrease plant fitness and reduce the invasion capacity. The general objective of this thesis was to study plant–herbivore interactions in two exotic species from the genus Senecio, S. pterophorus and S. inaequidens through a biogeographical study, comparing native and exotic populations of a species, and a community study, comparing native and exotic species in an invaded area. Results of the biogeographical study (Chapter 1) have demonstrated that plants of S. pterophorus are release from their native enemies from the native area and, at the same time, establish new interactions with local herbivores in the invaded areas. The study at community level (Chapter 2, 3 and 4) has shown that exotic species, S. pterophorus and S. inaequidens, establish new interactions with local specialist herbivores. Interactions between local herbivores and Senecio plants are not influenced by chemical defenses, contrary to the current hypotheses; while other plant characteristics such plant size or phenology have a significant influence. In general, the intensity of herbivory on exotic plants has not been more significant than native congeners. We conclude that local herbivores are not playing a relevant role as biological control agents in these two exotic species. The obtained results contribute on plant–herbivore interactions knowledge as well as highlight the complexity of natural conditions on plant invasion.

Los recursos de que dispone un organismo son limitados y por tanto puede existir una competencia entre los recursos que asigna a una u otra función vital. Los costes de reproducción son un ejemplo de esta competencia entre recursos, y se manifiestan en una reducción medible de alguna característica del individuo (ej: crecimiento, supervivencia…) causada por la asignación de recursos a la reproducción. Este trabajo de tesis se centra en los costes que puede tener la producción de frutos sobre el crecimiento vegetativo en plantas, especialmente en plantas veceras, que realizan producciones de fruto masivas de forma esporádica, lo que podría suponer grandes costes para el crecimiento. He hecho especial hincapié en el papel que tienen el clima, la estructura modular de las plantas y la fenología sobre los procesos de crecimiento y reproducción y la relación entre ambos. Para estudiar los patrones reproductivos, de crecimiento y sus relaciones he elegido cuatro especies del género Quercus: Q. ilex , Q. humilis, Q. faginea y Q. lobata. En primer lugar he estudiado las relaciones entre el crecimiento anual del tronco y la producción de fruto durante 8 años en diferentes especies y climas locales. Además, a lo largo de todo un año he estudiado la relación entre el crecimiento radial estacional y el esfuerzo reproductivo. En segundo lugar, he estudiado los costes de reproducción para el crecimiento de brotes y ramas vegetativas y reproductivas en plantas con producciones variables de fruto. En tercer lugar, he estudiado el crecimiento de los brotes en otoño y su relación con el crecimiento vegetativo de ramas y brotes en primavera y con la fenología y la producción de fruto de las plantas. En cuarto lugar, he pretendido abordar el efecto del cambio climático sobre las características reproductivas de las plantas, estudiando el efecto del incremento de sequía sobre la producción de fruto, a la vez que he explorado la capacidad de las prácticas de gestión forestal para mitigar los potenciales efectos negativos de la sequía. He demostrado en Q. ilex, Q. humilis y Q. faginea que existe una relación entre producción de fruto y crecimiento del tronco y que está en gran medida mediada por el clima. En algunos ambientes esta relación es positiva y en otros negativa, pero en todos los casos esta relación desaparece al extraer el efecto del clima. También he propuesto que los costes de reproducción pueden reducirse si el crecimiento del tronco y el engrose de los frutos se dan en épocas diferentes del año, tal y como ocurre en los robles y encinas estudiados. He demostrado en Q. lobata que los costes de reproducción son diferentes según la escala del árbol a la que se estudien: los costes de reproducción para el crecimiento vegetativo son mayores en los brotes que en las ramas y que en el tronco. Además, durante el año de vecería, los costes son mayores en árboles con bajas producciones de fruto que en árboles con altas producciones, indicando que árboles más vigorosos sufren menores costes de reproducción. En Q. ilex existe brotación y crecimiento de primavera y de otoño, y está relacionada con fenologías más avanzadas y con mayores esfuerzos reproductivos. Además, son las ramas que más crecieron en primavera las que presentan mayores crecimientos en otoño. La sequía reduce la producción de bellotas en Q. ilex, sobre todo trascurridos unos años desde la aplicación del tratamiento de reducción de precipitación. El aclareo selectivo tiene el efecto contrario, pero su efecto es muy transitorio, y se desvanece uno o dos años después de ser realizada la corta, lo que sugiere que esta estrategia de manejo forestal tendrá una efectividad muy limitada frente a los efectos del cambio climático. / The resources available to an organism are limited and therefore there may exist certain competition between the resources that an organism allocates to one or to another life function. The cost of reproduction is an example of this competition for resources, and can be expressed as a measurable reduction of some characteristic of the individual (e.g. growth, survival ...) caused by resource allocation to reproduction. This thesis focuses on the costs that fruit production may represent for vegetative growth in plants, especially in mast seeding plants, that produce sporadic massive crops, which may entail high costs for growth. I have deepened into the role that climate, modular structure of plants and phenology may have on growth and reproductive processes and on their relationship. To study the patterns of growth, seed production and their relationship I have chosen four species of the genus Quercus: Q. ilex, Q. humilis, Q. faginea and Q. lobata. First I studied the relationship between trunk growth and fruit production over 8 years in different species and local climates, and I compared during a whole year the seasonal radial growth and reproductive effort and their relationship. Secondly, I have studied the cost of reproduction for vegetative growth in vegetative and reproductive shoots and branches of plants with variable fruit production. Thirdly, I have studied autumn shoot growth and its relationship to spring growth and to fruit production and phenology of the trees. Fourth, I have focused on the effect of climate change on the reproductive performance of plants, studying the effect of increasing drought on fruit production, while I explored the ability of forest management practices to mitigate the potential negative effects of drought. I have shown for Q. ilex, Q. humilis and Q. faginea that the relationship between reproduction and radial growth is largely mediated by climate. In some environments this relationship is positive while in others it is negative, but in all cases this relationship disappears when removing the effect of climate. I also proposed that costs of reproduction might be mitigated if the radial growth and the development of the fruits are performed in different moments of the year, as it happens in the studied oaks. I have shown for Q. lobata that the costs of reproduction may differ depending on the study scale of the tree: the costs of reproduction on vegetative growth are greater in shoots than in the branches and in the trunk. Moreover, during a year of mast seeding, the costs are greater in trees with low crops than in trees with high crops, indicating that more vigorous trees can avoid easily the costs of reproduction. In Q. ilex there exists some shoot sprouting and growth during autumn, and it is associated with more advanced phonologies and with greater reproductive efforts. In addition, the branches that show higher spring growth are also those with higher autumn growth. Drought reduces the production of acorns in Q. ilex, especially a few years after the application of the rainfall reduction treatment. Selective thinning has the opposite effect, but its effect is very transient, and evanishes only one or two years after the application of the treatment, suggesting that this strategy of forest management will have limited effectiveness against the effects of climate change.

No description available.

El bosque tropical seco es uno de los biomas más ricos en biodiversidad y a la vez el sistema forestal más amenazado del planeta. Tras la masiva transformación de estos bosques en sistemas silvo-pastoriles para uso ganadero, muy pocas son las especies forestales que consiguen colonizar y persistir en estos nuevos ambientes. Mejorar el conocimiento del efecto de los principales impactos resultantes de esta transformación puede ayudar a mejorar la gestión actual del sistema y a proponer alternativas de manejo, ecológicamente razonables, encaminadas a la recuperación forestal. Esta tesis tiene por objetivo investigar qué papel juegan el cambio en el régimen de perturbaciones y en el conjunto de interacciones bióticas sobre el éxito colonizador de Acacia pennatula, una especie común en sistemas silvo-pastoriles de toda Mesoamérica. En el primer capítulo se investiga su capacidad de persistencia por rebrote tras perturbaciones de diversa intensidad (corte y fuego) aplicadas antes y después de la época seca y de manera repetida. Los resultados muestran que los individuos quemados sobreviven y rebrotan menos que los cortados y que al final de la estación seca es más difícil la recuperación, probablemente por la falta de recursos (N y especialmente P) almacenados en la raíz principal. En el segundo capítulo se estudia el papel que puede jugar el ganado como agente dispersor de semillas y la posible interacción entre la endozoocória y el fuego como factores desencadenantes de la germinación. El ganado es un eficaz agente dispersor de las semillas de diversas especies forestales, no obstante el paso por el tracto digestivo no estimuló la germinación de las especies testadas a diferencia del fuego el cual de manera general liberó las semillas de su latencia. En el tercer capítulo se investiga la variación en los mecanismos de defensa de semillas ante la depredación pre-dispersiva por parte de insectos (Bruchidae) a lo largo del rango de distribución altitudinal de A. pennatula. El saciado del predador mediante producciones masivas de frutos y el aborto de semillas que aumenta la mortalidad de las larvas, son mecanismos de defensa que actúan simultáneamente aunque su contribución relativa varía a lo largo del gradiente. En el cuarto capítulo se explora el rol que los frugívoros pueden tener controlando las poblaciones de insectos depredadores de semillas. La presencia de frugívoros reduce la proporción de semillas depredadas e incluso podría promover la coexistencia de varias especies de depredadores sobre la misma planta huésped. En el quinto se estudia el potencial de interferencia alelopática de A. pennatula sobre otras especies competidoras. Esta especie muestra indicios de interferir el desarrollo de las raíces de las plántulas que se establecen bajo su copa poniendo así en duda su capacidad de nucleación de la sucesión tras un eventual abandono de los sistemas silvo-pastoriles en los cuales es dominante. En conjunto A. pennatula es capaz de colonizar y persistir tras la transformación del bosque tropical seco gracias a: i) es eficazmente dispersada por el ganado y germina rápidamente tras el fuego en los pastos, ii) persiste tras perturbaciones repetidas (corte y fuego) mediante sucesivos rebrotes, iii) tiene mecanismos de defensa eficaces ante la depredación pre-dispersiva de sus semillas y es favorecida por la aptitud frugívora del ganado, y iv) es capaz de invadir los pastos e interferir alelopáticamente el establecimiento de plántulas bajo su copa. En la última sección de la presente tesis se proponen diversas alternativas de manejo para mejorar la gestión actual de los sistemas silvo-pastoriles en los cuales esta especie es dominante, y a fin de promover la recuperación forestal y el valor de conservación de la biodiversidad de los mismos. / Tropical Dry Forest (TDF) is one of the most biodiversity-rich biome and the most threatened forest ecosystem of the world. After the pervasive transformation of these forests into wooded rangelands, there are very few species able to colonize and to persist in this new environment. Improving the knowledge of the major impacts resulting from this land-use change may aid the current management practices and may provide ecologically sound alternatives aimed to the forest recovery. The general objective of this thesis is then to investigate the role played by the new disturbance regime and biotic interactions in colonization and persistence of Acacia pennatula, a tree species common in wooded rangelands throughout Mesoamerica. In the first chapter it is investigated its ability to resprout after disturbances (clipping and fire) applied before and after the dry season and repeatedly. The results show that those individuals burned had lower survival and resprouting vigor than those individuals only clipped. Additionally, recovering from a disturbance applied after the dry season was more difficult, and this was likely due to the lack of resources (N and especially P) stored in the main root. In the second chapter it is studied the role that cattle may play as a seed dispersal agent and the potential interaction between endozoochory and fire as triggers of germination. Cattle is currently an effective dispersal agent of several forest species, however, gut passage did not stimulate germination unlike fire which generally broke seeds’ physical dormancy. In the third chapter it is investigated the variation in seed defense mechanisms against pre-dispersal seed predators by insects (Bruchidae) along the altitudinal range of A. pennatula. Predator satiation by means of massive fruit crops and seed abortion which increases larval mortality, are both defense mechanisms that act simultaneously although its relative contribution vary along the altitudinal gradient. In the fourth chapter it is examined the role that frugivores may have in controlling seed predator populations. Frugivores reduced the proportion of seeds preyed upon by seed beetles and the results suggest that frugivores may promote coexistence of different predator species on the same plant host. In the fifth chapter it is studied the allelopathic interference of A. pennatula over other competitor species. The results show that this species may impair seedling establishment under its canopy by reducing root development. This warns about the ability of this species as a succession nuclei after an eventual abandonment of the wooded rangelands in which dominate. Overall, A. pennatula is able to colonize and to persist after TDF transformation thanks to: i) is effectively dispersed by cattle and germinate after pasture fires, ii) persists after repeated disturbances by successive resprouting, iii) has defense mechanisms against pre-dispersal seed predation and moreover is favored by cattle frugivory, and iv) is able to encroach pastures impairing seedling establishment under its canopy by means of an allelopathic interference. In the last section management proposals are provided in order to ameliorate current practices and to promote forest recovery in those wooded rangelands in which this species dominate.

Los parasitoides (Hymenoptera Parasitica) son unos de los grupos más diversos y abundantes de insectos y juegan un papel importante en la lucha biológica contra las plagas en los cultivos agrícolas. El estudio se centró en un cultivo ecológico de cítricos, los cuales suelen beneficiar a la comunidad de estos parasitoides, y con ello, quizás, se mejora su acción reguladora de los insectos plaga. Los pulgones son uno de los grupos de insectos fitófagos más importantes en los cultivos de cítricos y son controlados por diferentes grupos de insectos incluidos los himenópteros. Por consiguiente, este estudio tiene como objetivo principal conocer la dinámica de los Hymenoptera Parasitica y su acción sobre las poblaciones de pulgones en un cultivo ecológico de cítricos en Tarragona, llevado a cabo a lo largo de cinco años, cuyos objetivos específicos son: (I) Conocer la abundancia y la diversidad de los parasitoides de un cultivo ecológico de cítricos; (II) Establecer el efecto de la exclusión de hormigas en los mismos y determinar las relaciones entre los pulgones, los parasitoides y las hormigas habituales de los cítricos; (III) Analizar la dinámica del sistema planta-pulgón-parasitoide-hormiga en la vegetación asociada al cultivo. Nuestros resultados muestran que los cultivos de cítricos acogen una elevada diversidad de parasitoides, siendo las más importantes los Chalcidoidea (familias Pteromalidae, Encyrtidae y Eulophidae), los Platygastroidea (Familia Scelionidae) y los Ichneumonoidea (familia Braconidae). No obstante, la mayor parte de esta diversidad está probablemente asociada con otros grupo de insectos (dípteros y lepidópteros, principalmente) que viven a expensas de otras plantas habituales en el cultivo. Por otro lado, la tasa de parasitismo sobre los pulgones fue muy baja, posiblemente debido tanto a la presencia de hiperparasitoides, como a la actuación de los depredadores y las hormigas; por consiguiente, se puede deducir que los parasitoides no son determinantes en el control biológico de pulgones en cítricos ecológicos. También, este trabajo ha tenido presente, la actuación de las hormigas contrastando en todos los estudios de esta tesis, su actividad libre con su exclusión experimental. Los resultados obtenidos muestran un cambio progresivo en la comunidad a lo largo de los cinco años analizados, con un incremento gradual de los parasitoides en los árboles control (respecto de la exclusión) pero sin llegar a valores significativos. No resulta, por tanto claro, que la presencia de hormigas altere las relaciones de parasitación que este grupo de himenópteros establece con los pulgones. Un análisis de la estructura planta-pulgón-parasitoide-hormiga, desarrollado sobre la vegetación asociada al cultivo de cítricos, muestra que las plantas acompañantes no parecen ser un reservorio importante de pulgones de los cítricos. / Parasitic Hymenoptera are one of the most diverse and abundant groups of insects and play an important role in biological control of pests in agricultural crops. The study focused on organic citrus groves, that normally benefit the community of these parasitoids, and, likely, they regulatory effect on insect pests. Aphids are among the most important phytophagous insects on citrus groves, and are controlled by different groups of insects including Hymenoptera. Therefore, this study has the main objective of knowing better the dynamics of the Hymenoptera parasitica and their action on aphid populations in organic citrus grove (Tarragona), during five years. The specific objectives were (I) Knowing the abundance and diversity of parasitoids of citrus organically grown, (II) establish the effect of excluding ants on them and determine the relationships between aphids and ants parasitoids of citrus usual; (III) To analyze the dynamics of the plant-aphid-parasitoid-ant associated with green vegetation. Our findings showed a high diversity of parasitoids in the citrus grove, the groups most important were Chalcidoidea (families Pteromalidae, Encyrtidae and Eulophidae), the Platygastroidea (Family Scelionidae) and Ichneumonoidea (family Braconidae). However, this diversity is probably associated with another group of insects (mainly Diptera and Lepidoptera) living at the expense of other plants common in the field study. Furthermore, the rate of parasitism on aphids was very low, possibly because of the presence of hyperparasitoids, and role of predators and ants, therefore, the data obtained in the study suggests that the parasitoids are not decisive in the biological control of aphids. Also, we found that the action of ants on the community of parasitoids in control and ant-excluded trees. Our findings showed a sudden increase change in the abundance of parasitoids over the five years, but no significant differences between control and ant-excluded trees. It is not clear that the presence of ants altered the relations of parasitism of this group of Hymenoptera has on aphids. The analysis of plant-aphid-parasitoid-ant relationships in the associated plants showed that the associated vegetation was not an important reservoir of citrus aphids.

Les flors emeten compostos orgànics volàtils (VOCs) per tal d’atreure pol·linitzadors i estimular la fecundació creuada. Alguns volàtils florals però juguen altres funcions, com ara la defensa contra els herbívors. Aquesta dualitat de rols que tenen les olors florals les converteix en complexes mescles de compostos amb múltiples efectes sobre diferents organismes. La complexitat de comprendre i caracteritzar les emissions florals augmenta quan considerem que són variables en el temps i l’espai. A aquestes fonts de variabilitat cal afegir diversos factors ambientals biòtics i abiòtics que modifiquen les emissions de COVs florals de diverses maneres. L’objectiu principal d’aquesta tesi és esclarir quins són els factors que determinen les emissions florals de volàtils, i veure de quina manera les afecten a elles i a les seves funcions ecològiques. En el primer capítol de la tesi hem revisat el coneixement actual sobre les emissions florals de VOCs i hem identificat les qüestions que necessitaven ser investigades en aquest camp de recerca. Les emissions florals estan determinades en primer lloc per la diversitat de compostos que les espècies són capaces de produir, els seu potencial biosintètic i la seva capacitat d’emissió, que estan fortament lligades a la biologia de l’espècie. Hem testat i demostrat que les plantes pol·linitzades per insectes solen presentar major diversitat de volàtils florals i emeten una major quantitat d’aquests que les plantes pol·linitzades pel vent, que no necessiten volàtils florals per funcions d’atracció. Hem testat si els patrons estacionals de disminució de la competència que ocorren cada any entre plantes d’una mateixa comunitat vegetal han donat lloc a la selecció d’un patró de disminució de les emissions i les recompenses florals al llarg del període de floració de cada espècie. També hem observat que les plantes adapten la seva fisiologia per optimitzar les seves emissions florals sota les condicions climàtiques de la seva època de floració. Les emissions florals de COVs es veuen afectades per factors ambientals al nivell d’organisme o de teixit. Hi ha diversos estats fisiològics de la planta que poden modificar substancialment la composició i la quantitat de les emissions florals de COVs. Els nostres experiments han demostrat que la microbiota floral pot jugar un rol crucial sobre la quantitat i composició de les emissions florals de COVs. També hem mostrat que l’herbivoria de flors per part d’erugues de Pieris brassicae sobre plantes de Diplotaxis erucoides indueixen augments immediats de les emissions de compostos amb funcions defensives. A més, l’herbivoria de flors i fulles combinada va mostrar un efecte sinèrgic que augmenta la resposta defensiva. La recerca sobre els canvis que poden experimentar les emissions florals en resposta a diversos agents del Canvi Global són de gran interès degut als diversos efectes que aquests canvis poden tenir sobre les interaccions que s’estableixen mitjançant els COVs florals. Els nostres resultats revelen que els augments de temperatura previstos per al segle següent deguts a l’Escalfament Global poden conduir a augments significatius de les emissions totals de COVs i també a canvis importants en la composició relativa de les olors florals. També hem observat que l’ozó causa una degradació significativa dels compostos florals i provoca canvis en la composició relativa de les olors. Els testos de resposta indiquen que els canvis observats en les olors florals exposades a ozó resulten en la pèrdua de l’atracció de pol·linitzadors. Aquesta tesi proporciona una nova visió sobre els factors que determinen les emissions florals de volàtils i les seves repercussions sobre les interaccions planta-pol·linitzador, i garanteix una major consideració dels factors biòtics i abiòtics que afecten la química i l’ecologia de les olors florals en un ambient contínuament canviant. / Flowers emit volatile organic compounds (VOCs) to attract pollinators and stimulate reproductive outcrossing. Some floral volatiles can play roles other than attraction, such as defense against herbivores. This duality of roles of flower emissions converts floral scents into complex mixtures of compounds with multiple effects on different organisms. The complexity of understanding and characterising floral emissions increases when considering that they are variable in time and space. To all these sources of variability we can add diverse biotic and abiotic environmental factors that modify floral VOC emissions in many different ways. The main objective of this thesis was to shed light on which are the factors that determine floral volatile emissions, and how do they affect these emissions and their ecological functions. In the first chapter of this thesis we reviewed the current knowledge on floral VOC emissions. We identified the open questions that still needed to be addressed or investigated in more detail in the research field of floral VOC emissions. Floral emissions are first determined by the array of compounds that the species are able to produce and their potential biosynthetic and emission capacities, which are strongly related to the species biology. We tested and demonstrated that flowering plants pollinated by insects usually present higher diversities of floral volatiles and emit higher amounts of them, than do plants pollinated by wind which do not need floral volatiles for attractive purposes. We tested whether well-known seasonal patterns of decreasing competition occurring every year in a community among co-flowering plants for pollinators led to the selection of a pattern of decreasing emission of floral volatiles and decreasing production of floral rewards along the flowering period of each species. We also observed that plants adapt their physiology to optimize their floral emissions under the climatic conditions of the flowering period. Floral VOC emissions of the species are affected by environmental factors at the individual (organism) or tissular level. There are diverse physiological states of the plant that can substantially modify the emission profiles and amounts of floral VOCs. Our experiments demonstrated that floral microbiota can play a crucial role in the quantity and quality of floral VOC emissions. We also showed that flower herbivory by Pieris brassicae caterpillars on Diplotaxis erucoides plants induced immediate increases in floral emission rates of few compounds with known defensive functions. Leaf herbivory caused no changes in the emissions of intact flowers, but the combination of leaf herbivory with flower herbivory showed a synergistic effect with enhanced defensive response. The research on the potential changes that floral emissions could experience in response to diverse drivers of Global Change are of critical interest because of the diverse effects that such changes can have on the interactions that floral VOCs mediate. Our results revealed that temperature increases as those predicted for the next century as a result of Global Warming can lead to significant total increases in floral VOC emissions and also to important changes in floral scent relative composition. We also detected that ozone caused significant degradation of floral compounds and changes in their relative composition. Behavioural tests indicated that all the changes observed in floral chemical cues when exposed to ozone resulted in the loss of attraction effect on pollinators. This thesis thus provides new insights on the factors that determine floral volatile emissions and their repercussions on plant-pollinator interactions and warrant deep consideration of both biotic and abiotic factors driving floral scent chemistry and floral scent ecology in a continuously changing environment.

Les interaccions planta-pol·linitzador són un component essencial de la biodiversitat i la funció ecològica dels ecosistemes terrestres. Un dels principals objectius de l'ecologia de la pol·linització és descriure aquestes interaccions i comprendre els factors subjacents a la seva estructura. En aquesta tesi doctoral es presenten els resultats dels estudis duts a terme durant tres anys en una comunitat mediterrània de plantes i els seus insectes pol·linitzadors al parc natural del Garraf (NE Espanya). En el capítol 1 es van registrar les interaccions planta-pol·linitzador i es van mesurar diferents trets morfològics, fenològics i ecològics de les especies de plantes i pol·linitzadors en un intent d'establir quins d’aquest trets estructuren les relacions planta-pol·linitzador. Es van registrar 14.713 contactes entre les principals 23 espècies de plantes i 221 espècies de pol·linitzadors, que van representar 960 interaccions específiques. Trobem que un tret ecològic (densitat de flors) i un tret fenològic (temps de floració) de les plantes van ser els principals factors que expliquen les interaccions observades. Trets florals, com la restricció de la corol·la i el pol·len i la producció de nèctar per flor, van tenir un efecte menor. En el capítol 2 s’explora el paper d'un atribut floral diferent i complex, l’aroma floral, en l'estructuració de la variació temporal de les taxes de visites de pol·linitzadors en la mateixa comunitat. Trobem que les plantes que floreixen a principis de la temporada, en un moment en què les flors són més abundants però els pol·linitzadors són escassos, produeixen major quantitats de compostos volàtils que les plantes que floreixen més tard, quan els pol·linitzadors són molt més abundants en relació a les poques flors disponibles. Aquest és el primer estudi en el qual s'analitzen els patrons d'emissió de fragàncies florals a nivell comunitari. Finalment, al capítol 3 s'exploren amb més detall la importància d’aquestes fragàncies florals mitjançant un cas d’estudi realitzat en el Jardí Botànic i Ecològic de la Universitat de Bayreuth (Alemanya). En aquest estudi es va utilitzar una planta focal (la composta Cirsium arvense) i un dels seus pol·linitzadors principal (el sírfid Episyrphus balteatus). Mitjançant mesures de volàtils al laboratori, tècniques d’electroantenografia i bioassajos es va trobar que els senyals olfactius eren més importants que els senyals visuals com a atraients de E. balteatus cap a les inflorescències de C. arvense. / Plant-pollinator interactions are an essential component of biodiversity and ecological function in terrestrial ecosystems. One of the main objectives of pollination ecology is to describe these interactions and to understand the factors underlying their structure. In this PhD thesis we present the results of studies conducted over three years in a Mediterranean plant-pollinator community in the natural park of el Garraf (NE Spain). In chapter 1 we monitored plant-pollinator interactions and measured plant and pollinator traits in an attempt to establish the main drivers of plant-pollinator relationships. We recorded 14713 contacts between the main 23 plant species and 221 pollinator species, representing 960 specific interactions. We found that an ecological trait (flower density) and a phonological trait (flowering time) were the main factors explaining the observed interactions. Floral traits, such as corolla restrictiveness and pollen and nectar production per flower, had a lesser effect. In chapter 2 we explore the role of a different and complex floral attribute, floral scent, in structuring temporal variation in pollinator visitation rates in the same community. We found that plants blooming early in the season, at a time when flowers are most abundant but pollinators are scarce, produce larger amounts of volatiles than plants blooming later, when pollinators are plentiful for the few flowers available. This is the first study in which emission patterns are analysed at the community level. Floral fragrances are further explored in chapter 3, which describes a case study conducted at the Ecological Botanical Garden of the University of Bayreuth (Germany). This study involves a focal plant (the composite Cirsium arvense) and a focal pollinator (the syrphid fly Episyrphus balteatus), and uses laboratory volatile measurements, electroantennography techniques and biossays. We found that olfactory cues were more important than visual cues as attractants of E. balteatus to C. arvense inflorescences.

In this study the principal disturbance factors of the Empordà saltmarsh and their influence on water composition, and on plankton community structure and composition are analyzed. The importance of the turnover rate is emphasized, which is function of the disturbance factors, very different in origin, intensity and frequency. The influence of this disturbance factors on species composition, specially on the structuration of zooplankton community, has been analyzed. Based on the results of the multivariate analysis, a new measure is proposed, for evaluate the intensity of a determinate disturbance, in base of its effect on the community structure, independently of the nature of this disturbance. So we can determinate the negative effects from the flow regulation on the zooplankton community structure, that contrasts with the relative low effects of the insecticide applications, when are applicated at the usual dose and frequency of treatment / En el present treball s’analitzen els principals factors pertorbadors de la Maresma dels Aiguamolls de L’Empordà i la seva influència sobre la composició de l’aigua i sobre l’estructura i composició de les comunitats planctòniques. Es destaca la importància de la taxa de renovació de l’aigua, la qual és funció de factors pertorbadors molt diferents en la seva intensitat, en la seva freqüència i en el seu origen. També es posa de manifest la incidència d’aquests factors pertorbadors sobre la composició específica i, especialment, sobre el grau d’estructuració de la comunitat de zooplàncton. A partir dels resultats de l’anàlisi multivariable es proposa una mesura per avaluar la intensitat d’una pertorbació determinada a partir del seu efecte sobre l’estructura de la comunitat, independentment de la naturalesa d’aquesta pertorbació. Això permet determinar l’efecte negatiu de la regulació de fluxos i, contràriament, la influència relativament baixa que tenen els tractaments amb els insecticides utilitzats, a les dosis i freqüències de tractament que s’utilitzen, sobre l’estructura de la comunitat de zooplàncton

L’estequiometria ecològica pretén explicar l’estil de vida dels organismes i l’estructura i funció dels ecosistemes en relació a les proporcions de C:N:P dels organismes i ecosistemes. Un dels paradigmes centrals de l’estequiometria ecològica és la “growth rate hypothesis” (GRH) que proposa que els organismes en fase de creixement han d’incrementar l’aportació de P al RNA per suplir l’elevada demanda de síntesi proteica necessària pel creixement. Baixes proporcions ambientals de N:P i en condicions no limitants, afavoreix les espècies amb creixements més ràpids, això podria llavors induir canvis a les comunitats. Recentment, les evidències d’aquestes relacions entre el medi abiòtic i les proporcions de C:N:P als organismes confereix a l’estequiometria ecològica un rol central a la recerca ecològica. La majora d’elements, especialment el C, N i P, els més estudiats en l’estequiometria ecològica, no actuen per ells mateixos sinó que formen part de compostos moleculars. L’acoblament de la metabolòmica a l’estequiometria ajuda a entendre la resposta dels organismes sota estressos biòtics i abiòtics així com també els processos ontogènics i fisiològics, i permet entendre l’assignació dels diferents nutrients a les diferents funcions fisiològiques. La metabolòmica permet l’anàlisi del metaboloma, el conjunt de metabòlits d’un organisme en un moment específic, i ha demostrat una alta sensibilitat en detectar els mecanismes fenotípics i les molècules clau que intervenen en les respostes dels organismes davant de canvis ambientals. Aquest mètode permet una bona exploració i examinació de la bioquímica de les mostres. En aquesta tesis hem realitzat una revisió de l’estat de l’art de l’estequiometria ecològica i la metabolòmica aplicada al camp de l’ecologia i fisiologia. Després, vam optimitzar un protocol de metabolòmica utilitzant RMN per posteriorment analitzar la metabolòmica i estequiometria en diferents espècies vegetals sota condicions experimentals de canvi climàtic i també de cianobacteris creixent sota condicions limitants de nutrients. Els nostres experiments han demostrat que les diferents condicions ambientals de les diferents estacions de l’any del clima mediterrani fan canviar el metaboloma de les plantes. Aquests canvis van també estar acompanyats per canvis estequiomètrics demostrant així la relació entre els canvis foliars de les proporcions de C:N:P:K amb els canvis metabolòmics. Per exemple, el bruc d’hivern va presentar concentracions majors de metabòlits relacionats amb el creixement com els sucres o els aminoacids durant la primavera, l’estació de creixement. Aquests increments en les concentracions d’aquests compostos van ser també acompanyats per proporcions foliars de N:P més baixes, tal i com tracta d’explicar la GRH. De totes maneres, la GRH no sembla complir-se del tot en grans arbres que presenten estructures de fusta que actuen de reservori de nutrients com en el cas de l’alzina. Les plantes Mediterrànies sota condicions de sequera, ja sigui experimental com condicions naturals a l’estiu, presenten alts nivells de compostos fenòlics amb acció antioxidant o osmorreguladors com els sucres o la colina. Aquests canvis, un cop més, van estar acompanyats per concentracions foliars de K més elevades per així evitar pèrdues d’aigua. També, la sequera sembla estimular l’activitat d’herbivorisme mitjançant el canvi metabolòmic de les plantes incrementant les concentracions de sucres i antioxidants. Això podria llavors tenir un impacte indirecte a les xarxes tròfiques. Els cianobacteris canvien el metabolisme sota condicions limitants de P i ferro (Fe). Les cèl·lules van canviar el metabolisme augmentant les vies anaeròbiques incrementant així les concentracions d’àcid làctic, entre altres canvis metabolòmics. El metabolisme anaeròbic produeix menys energia i redueix el creixement, això pot produir llavors canvis a la composició de les especies dels ecosistemes aquàtics i actuar en el control de la fixació del CO2 atmosfèric. Aquesta tesi ha ajudat a fer els primers passos de l’aplicació de la metabolòmica i l’estequiometria per a una major comprensió de les respostes dels organismes i els ecosistemes davant dels canvis ambientals. Els resultats el estudis realitzats mereixen i obren noves propostes per estudis futurs en la recerca ecometabolòmica. / Ecological stoichiometry aims to explain the organism life style and the ecosystem structure and function in relation to the environment and organism C:N:P ratios. One of the central paradigms of ecological stoichiometry is the growth rate hypothesis (GRH) proposing that growing organisms must increase their allocation of P to RNA to meet the elevated demands for the synthesis of proteins required for growth. Low ratios of environmental N:P under not limiting conditions favor species with very high rates of growth, which may induce shifts in species communities. Recently, the evidences of those relationships between the non-biotic media and organismic C:N:P ratios conferred to ecological stoichiometry a central role in ecological research. Most elements, especially C, N and P, the most studied elements in ecological stoichiometry, do not actuate as themselves but as molecular compounds. The coupling of metabolomics to stoichiometry studies help to understand the response of organisms under biotic and non-biotic stresses, and the ontogenetic and physiological processes, and to disentangle the allocation of different nutrients to the different physiological functions. Metabolomics aims to analyze the metabolome, the total set of metabolites of an organism in a specific moment and has demonstrated a great sensitivity in detecting the phenotypic mechanisms and key molecules underlying organism responses to environmental changes. This “holistic” method enables unbiased exploration and examination of sample molecular biochemistry. In this thesis we reviewed the state of the art of ecological stoichiometry and metabolomics applied to the field of ecology and physiology. After that, we optimized a NMR-based method for metabolomic analyses and conducted metabolomics and stoichiometric analyses in different wild plant species living in field plots under different climatic conditions and cyanobacteria growing under different nutrient deprivation. Our experiments showed that the different environmental conditions of the different seasons of the year in Mediterranean climate make plants to shift their metabolomes. These metabolomic shifts were also accompanied by stoichiometric changes demonstrating the relationship between the shifts of foliar C:N:P:K and the shifts of metabolomes. For example, Erica multiflora shrub presented higher foliar concentrations of metabolites related to growth such as sugars and amino acids in spring, the growing season. These increments in the concentrations of these compounds were accompanied by lower foliar N:P ratios as expected in the frame of the GRH. However the GRH does not seem to be totally fulfilled in big trees that present large wood structures that act as a reservoir of nutrients as in the case of Quercus ilex. Mediterranean plants under drought conditions (experimental or the natural drought conditions in summer) presented high levels of phenolic compounds with antioxidant function and osmoregulants such as sugars or choline. These shifts were also accompanied by higher levels of foliar K to prevent water losses. Drought seems also to stimulate the folivory activity by shifting the foliar metabolomes of plants by increasing foliar sugars and antioxidant concentrations. It could have thus a further indirect impact on trophic webs. Cyanobacetria changed their metabolism under P and iron (Fe) deprivation. Cells shifted from aerobic to anaerobic metabolism by increasing the cellular lactic acid concentrations among other metabolomic changes. The anaerobic metabolism produces less energy and reduces cell growth. This growth reduction may produce a further shift in species composition and biodiversity of communities in aquatic ecosystems and of controls of ecosystem production and CO2 sequestration. This thesis has thus helped to make the first steps in application of metabolomics and stocichiometry to better understand the responses of organisms and ecosystems to environmental changes. The results of the conducted studies warrant and open challenging prospects to further research in ecometabolomics.