Chlorophyll fluorescence imaging is noninvasive technique often used in plant physiology, molecular biology and precision farming. Captured sequences of images record the dynamic of chlorophyll fluorescence emission which contain the information about spatial and time changes of photosynthetic activity of plant. The goal of this Ph.D. thesis is to contribute to the development of chlorophyll fluorescence imaging by application of advanced statistical techniques. Methods of statistical pattern recognition allow to identify images in the captured sequence that are reach for information about observed biotic stress and to find small subsets of fluorescence images suitable for following analysis. I utilized only methods for identification of small sets of images providing high performance with realistic time consumptions.

Conifers are important both ecologically and socioeconomically, however, same parts of their biology are not that well researched. This includes genetics and breeding and partly even physiology. Because quantitative genetic analyzes applied in breeding necessitate an analysis of a large number of samples, and conventional methods of analysis are quite time-consuming, certain parameters describing e.g. the activity of photosynthetic electron-transport chain (ETC) are considered for such use. Several methods of the measurement of the activity of photosynthetic ETC exist, but there are some problems with their usage in conifers. I studied this issue from different points of view in three parts of this thesis. 1) I compared the photosynthetic ETC activity in 8 species of conifers using chlorophyll (Chl) fluorescence measurements on intact needles and polarographic measurements in isolated chloroplasts. Each method brought different information. 2) I measured Chl fluorescence parameters, reflectance spectra and pigment content in 536 genetically defined trees of Pinus sylvestris L. Many parameters showed relatively high genetic variability and heritability. I have also determined the suitability of various reflectance indices to estimate pigment and water content of needles. 3) I have optimized the...

Brassinosteroids and ecdysteroid are naturally occuring chemical compounds in plants. The aim of this study was to show whether the application of exogenous steroids such as brassinosteroids (24-epibrassinolide, 28-homobrassinolide, 24-epicastasterone) and ecdysteroid (20-hydroxyecdysone) can affect the morphological parameters and primary photosyntetic processes of selected monocotyledons that was barley, wheat, maize and sorghum. Non-destructive method for measuring of fast kinetics of chlorophyll fluorescence in investigated plants was used. Analysis of primary photosynthetic processes was realized in five time periods from the application of exogenous steroids on the two different old leaves. The response to the treatment by exogenous steroid was different species by plant species. One week after the application of exogenous steroids plants showed differences in their morphological parameters but most of them were not signifficant. The most steroid-sensitive plant was wheat morphological parameters of were significantly different from untreated control plants. No change in maximum quantum yield of photosystem II to the application of exogenous steroid in plants of Sorghum bicolor L. was detected. In the other examined plant species changes in photosynthesis parameters were detected which...

This work monitors the response of plants to water deficit and subsequent restoration of water availability with the aim to expand our knowledge about plant behaviour during and after drought stress from the perspective of two plant species with a different type of photosynthesis. A particular attention was paid to the intraspecific differences and their possible changes during stress and post-stress periods. The plant response was monitored as the changes of selected photosynthetic, morphological and developmental characteristics caused by the cessation of watering for six days followed by a six-day period of renewed optimal water supply. The experiments were carried out on plants with different types of photosynthesis - C3 plant Vicia faba L and C4 plant Zea mays L.; for both plant species, three varieties / genotypes were monitored. The response of both plant species to insufficient water supply differed by the extent of changes in relative water content (RWC), chlorophyll fluorescence parameters, the dry mass of individual leaves (developed during the stress period), the ratio between the aboveground dry mass and dry mass of roots. In drought-stressed plants, downward trend in RWC was observed, as well as the increase of the minimum yield of chlorophyll fluorescence in dark-adapted leaves (F ),...

Tesis por compendio / [ES] En la actualidad, los estreses abióticos son una de las principales limitaciones en la producción agraria y seguridad alimentaria. La búsqueda de estrategias para conseguir una mejor tolerancia a los estreses abióticos es un objetivo de gran interés a nivel mundial, especialmente frente al estrés supra-térmico teniendo en cuenta el escenario de calentamiento global en el cual nos encontramos. Un modo de sortear los estreses ambientales, bajo el prisma de un manejo integrado o ecológico del cultivo, es la utilización de plantas injertadas como estrategia de adaptación. En pimiento, cultivo de gran importancia económica en nuestro país, la menor utilización de la técnica del injerto es debida a la inexistencia de patrones con suficiente adaptabilidad a condiciones de estrés abiótico. En este sentido, el equipo de investigación mixto entre la Universitat Politècnica de València (UPV) y el Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA), el cual engloba esta tesis doctoral, ha sido capaz de seleccionar diferentes accesiones e híbridos de pimiento, entre ellos el híbrido NIBER®, que utilizados como portainjertos han obtenido buenos resultados en término de rendimiento en condiciones de estrés hídrico y salino, y generar información respecto a los diferentes mecanismos fisiológicos y moleculares responsables de dicha tolerancia. Sin embargo, hasta la fecha, la información sigue siendo limitada en diferentes sentidos: no se ha estudiado en profundidad el efecto del injerto a las altas temperaturas; no se ha profundizado en el estudio de los mecanismos de tolerancia del portainjerto NIBER® frente al estrés hídrico causado por un riego deficitario controlado; y por último, ningún estudio se ha centrado en analizar los efectos del propio injerto sobre el rendimiento y calidad de los frutos de variedades tradicionales de pimiento. En este sentido, los objetivos que se han planteado en esta tesis doctoral han sido: I) evaluación fisiológica y agronómica de la tolerancia al estrés supra-térmico de accesiones de Capsicum annuum L. utilizadas como portainjertos; II) estudio de los mecanismos fisiológicos que subyacen en el comportamiento de portainjertos tolerantes a estrés supra-térmico; III) estudio de las bases del comportamiento agronómico y fisiológico de portainjertos de pimiento tolerantes a estrés hídrico en condiciones controladas de riego deficitario; IV) evaluación agronómica y de la calidad del fruto de variedades tradicionales de pimiento injertadas sobre patrones tolerantes a estreses abióticos. En esta tesis doctoral, por un lado, hemos sido capaces de seleccionar accesiones de pimiento, especialmente A57, que utilizadas como portainjertos confieren a la variedad injertada cierto grado de tolerancia al estrés térmico por altas temperaturas. También hemos podido comprobar que estos portainjertos tolerantes permiten a la variedad generar respuestas adaptativas a los efectos negativos de este estrés mediante la modificación de su comportamiento fisiológico, disminuyendo la fuga de electrolitos y la acumulación de H2O2, y aumentando el contenido de clorofilas y carotenoides en las hojas. Esta respuesta fisiológica observada en las hojas resulta en una mejor adaptación fisiológica en su fase reproductiva, mejorando el contenido de prolina en las anteras y la viabilidad de los granos de polen, incrementando con ello el cuajado de frutos y en consecuencia el rendimiento comercial. Por otro lado, hemos visto que la tolerancia al estrés hídrico conferida por el portainjerto NIBER® es consecuencia de una modificación fisiológica que permite mantener los niveles de fotosíntesis con una adecuada eficiencia en el uso del agua, resultando en un mayor rendimiento comercial. En este sentido, el uso de la estrategia de riego deficitario combinada con el uso de portainjertos tolerantes al estrés hídrico y con un mayor desarrollo radical, como es el caso del NIBER®, puede considerarse útil para reducir el consumo de agua, amortiguando lo / [CA] En l'actualitat, els estressos abiòtics són una de les principals limitacions en la producció agrària i seguretat alimentària. La cerca d'estratègies per a aconseguir una millor tolerància als estressos abiòtics és un objectiu de gran interés a nivell mundial, especialment davant de l'estrés supra-tèrmic tenint en compte l'escenari de calfament global en el qual ens trobem. Una manera de sortejar els estressos ambientals, sota el prisma d'un maneig integrat o ecològic del cultiu, és la utilització de plantes empeltades com a estratègia d'adaptació. En pimentó, cultiu de gran importància econòmica al nostre país, la menor utilització de la tècnica de l'empelt és deguda a la inexistència de patrons amb suficient adaptabilitat a condicions d'estrés abiòtic. En aquest sentit, l'equip d'investigació mixt entre la Universitat Politècnica de València (UPV) i l'Institut Valencià d'Investigacions Agràries (IVIA), el qual engloba aquesta tesi doctoral, ha sigut capaç de seleccionar diferents accessions e híbrids de pimentó, entre ells l'híbrid NIBER®, que utilitzats com portaempelts han obtingut bons resultats en terme de rendiment en condicions d'estrés hídric i salí, i generar informació respecte als diferents mecanismes fisiològics i moleculars responsables d'aquesta tolerància. No obstant això, fins hui, la informació continua sent limitada en diferents sentits: no s'ha estudiat en profunditat l'efecte de l'empelt a les altes temperatures; no s'ha aprofundit en l'estudi dels mecanismes de tolerància del portaempelt NIBER® enfront de l'estrés hídric causat per un reg deficitari controlat; i finalment, cap estudi s'ha centrat en estudiar els efectes del propi empelt sobre el rendiment i qualitat dels fruits de varietats tradicionals de pimentó. En aquest sentit, els objectius que s'han plantejat en aquesta tesi doctoral han sigut: I) avaluació fisiològica i agronòmica de la tolerància a l'estrés supra-tèrmic d'accessions de Capsicum annuum L. utilitzades com portaempelts; II) estudi dels mecanismes fisiològics que subjauen en el comportament de portaempelts tolerants a estrés supra-tèrmic; III) estudi de les bases del comportament agronòmic i fisiològic de portaempelts de pimentó tolerants a estrés hídric en condicions controlades de reg deficitari; IV) avaluació agronòmica i de la qualitat del fruit de varietats tradicionals de pimentó empeltades sobre patrons tolerants a estressos abiòtics. En aquesta tesi doctoral, d'una banda, hem sigut capaços de seleccionar accessions de pimentó, especialment A57, que utilitzades com portaempelts confereixen a la varietat empeltada un cert grau de tolerància a l'estrés tèrmic per altes temperatures. També hem pogut comprovar que aquests portaempelts tolerants permeten a la varietat generar respostes adaptatives als efectes negatius d'aquest estrés mitjançant la modificació del seu comportament fisiològic, disminuint la fugida d'electròlits i l'acumulació de H2O2, i augmentant el contingut de clorofil·les i carotenoides en les fulles. Aquesta resposta fisiològica observada en les fulles resulta en una millor adaptació fisiològica en la seua fase reproductiva, millorant el contingut de prolina en les anteres i la viabilitat dels grans de pol·len, incrementant amb això el quallat de fruits i en conseqüència el rendiment comercial. D'altra banda, la tolerància a l'estrés hídric conferida pel portaempelt NIBER® és conseqüència d'una modificació fisiològica que permet mantenir els nivells de fotosíntesi amb una adequada eficiència en l'ús de l'aigua, resultant en un major rendiment comercial. En aquest sentit, l'ús de l'estratègia de reg deficitari combinada amb l'ús de portaempelts tolerants a l'estrés hídric i amb un major desenvolupament radical, com és el cas del NIBER®, pot considerar-se útil per a reduir el consum d'aigua, esmorteint els efectes negatius de l'estrés sobre el rendiment, degut principalment a la menor incidència de BER. Finalment, hem sigut capaços de constatar que l'ús de portaem / [EN] Currently, abiotic stresses are one of the main limitations in agricultural production and food security. The search for strategies to achieve a better tolerance to abiotic stresses is an objective of great interest worldwide, especially in the face of supra-thermal stress, considering the global warming scenario in which we find ourselves. One way to overcome environmental stresses, under the prism of an integrated or ecological management of the crop, is the use of grafted plants as an adaptation strategy. In pepper, a crop of great economic importance in our country, the lesser use of the grafting technique is due to the lack of rootstocks with sufficient adaptability to abiotic stress conditions. In this sense, the mixed research team between Universitat Politècnica de València (UPV) and Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA), which includes this doctoral thesis, has been able to select different pepper accessions and hybrids, including the NIBER® hybrid, which used as rootstocks have obtained good results in terms of yield under conditions of water and saline stress, and generate information regarding the different physiological and molecular mechanisms responsible for said tolerance. However, to date, the information remains limited in different ways: the effect of grafting at high temperatures has not been studied in depth; the study of the tolerance mechanisms of the NIBER® rootstock against water stress caused by controlled deficit irrigation has not been studied in depth; and finally, no study has focused on analyzing the effects of the graft itself on the yield and quality of the fruits of traditional pepper varieties. In this sense, the objectives that have been set in this doctoral thesis have been: I) physiological and agronomic evaluation of the tolerance to supra-thermal stress of accessions of Capsicum annuum L. used as rootstocks; II) study of the physiological mechanisms that underlie the behavior of rootstocks tolerant to supra-thermal stress; III) study of the bases of the agronomic and physiological behavior of pepper rootstocks tolerant to water stress under controlled conditions of deficit irrigation; IV) agronomic and fruit quality evaluation of traditional pepper varieties grafted on rootstocks tolerant to abiotic stresses. In this doctoral thesis, on the one hand, we have been able to select pepper accessions, especially A57, which, when used as rootstocks, give the grafted variety a certain degree of tolerance to thermal stress from high temperatures. We have also been able to verify that these tolerant rootstocks allow the variety to generate adaptive responses to the negative effects of this stress by modifying its physiological behavior, decreasing electrolyte leakage and H2O2 accumulation, and increasing the content of chlorophylls and carotenoids in the leaves. This physiological response observed in the leaves results in a better physiological adaptation in its reproductive phase, improving the proline content in the anthers and the viability of pollen grains, thereby increasing fruit set and consequently commercial yield. On the other hand, the tolerance to water stress conferred by the NIBER® rootstock is the consequence of a physiological modification that allows maintaining photosynthesis levels with an adequate water use efficiency, resulting in a higher commercial yield. In this sense, the use of the deficit irrigation strategy combined with the use of tolerant rootstocks to water stress and with greater root development, as is the case of NIBER®, can be considered useful to reduce water consumption, cushioning the negative stress effects on yield, mainly due to the lower incidence of blossom-end rot (BER). Finally, we have been able to verify that the use of tolerant rootstocks to abiotic stresses, such as NIBER®, in traditional pepper varieties could be a useful technique to improve the yield and commercial quality of this crop, mainly by reducing the incidence of BER, / Esta tesis doctoral ha sido realizada gracias a la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN/AEI/10.13039/501100011033) mediante los proyectos RTA-2017- 00030-C02 y PID2020-118824RR-C2, y a la financiación del Ministerio de Universidades a través de un contrato predoctoral FPU (FPU18/00564) / Gisbert Mullor, R. (2023). Análisis de la variabilidad genética del género Capsicum frente a estreses abióticos para su uso como portainjertos. Estudio de los mecanismos fisiológicos de tolerancia, del comportamiento agronómico y de la calidad del fruto [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196652 / Compendio

L’incessante aumento della popolazione mondiale ed il conseguente incremento della richiesta di risorse alimentari ed energetiche, congiuntamente al mutevole scenario climatico, sempre più incline a periodi di siccità prolungata in misura sempre maggiore in alcune zone del pianeta, fa sì che sempre più attenzione sia rivolta allo sviluppo ed all’implementazione di risorse energetiche rinnovabili a bassi input. Il sorgo zuccherino (Sorghum bicolor Moench) è una coltura bioenergetica in grado di fornire cibo, bioetanolo e biogas. Lo studio di tale coltura in risposta al deficit idrico promuove una più approfondita conoscenza dei meccanismi alla base dei processi fotosintetici, e di come, e quanto, questi possano essere influenzati dall’assenza temporanea, o più o meno prolungata, di disponibilità idrica. La produzione di biomassa e la sua composizione chimica sono state valutate per genotipi di nuova costituzione in confronto a quelli già disponibili in commercio, ai fini della produzione di biogas e bioetanolo. Una più approfondita analisi fisio-fenologica e molecolare è stata condotta su sei genotipi di sorgo con lo scopo di combinare in una visione di insieme più integrata la risposta alla siccità in sorgo. Due genotipi (uno sensibile e l’altro tollerante la siccità) sono stati selezionati per l’analisi trascrittomica in risposta allo stress idrico al fine di individuare geni candidati potenzialmente utili ai fini di una selezione assistita da marcatore. / Due to the increasing human population and the consequent surging energy and water demand, it is necessary to implement energy and fuel production from low input renewable sources. Sweet sorghum (Sorghum bicolor Moench) is a low input multipurpose crop that provides food, feed and bioethanol from conversion of sugars accumulated in the stalk and biogas from anaerobic digestion of whole aboveground dry biomass. This multipurpose crop was studied in response to water deficit. In particular, the biomass production and its composition were evaluated in response to drought for new developed and commercial genotypes for biogas and bioethanol production. The physiologic and molecular approaches were combined in order to provide an integrated view on drought tolerance in sorghum enabling to know which are the mechanisms and with which extent they were affected by drought in this bioenergy crop. The transcriptomic analysis was performed on two sorghum genotypes (one sensitive and the other one tolerant to drought) with RNA-Seq technology in order to evaluate the diversity existing in the sorghum transcriptome that could be related to drought tolerance and to identify candidate genes that could be used as potentially marker for the marker assisted selection.

Η διακυμαινόμενη ασυμμετρία των φύλλων, δηλαδή η τυχαία απόκλιση από τη συμμετρία, θεωρείται ένα μέτρο της καταπόνησης που υπέστησαν κατά την ανάπτυξή τους. Η ασυμμετρία υποδηλώνει αναπτυξιακή αστάθεια και έχει προταθεί ότι συσχετίζεται αρνητικά με την αρμοστικότητα (fitness). Εάν η φωτοσύνθεση αποτελεί έναν έμμεσο δείκτη της αρμοστικότητας, αναμένεται, ένα φύλλο με μειωμένη αρμοστικότητα να είναι και φωτοσυνθετικά υποδεέστερο. Προς επιβεβαίωση αυτού, στην παρούσα διατριβή εξετάστηκαν εκατοντάδες άθικτα φύλλα σε συνολικά 7 διαφορετικά είδη ως προς τη διακυμαινόμενη ασυμμετρία, καθώς και ως προς τη φωτοσυνθετική τους απόδοση (δείκτες PItotal & Fv/Fm). Ο δείκτης PItotal υπολογίζεται με βάση την κινητική ανάλυση των in vivo μεταβολών του φθορισμού της χλωροφύλλης και λαμβάνεται εύκολα και γρήγορα (εντός δευτερολέπτων). Ο δείκτης αυτός θεωρείται ανάλογος της φωτοσυνθετικής αφομοίωσης του CO2 και περιγράφει την απόδοση τόσο του φωτοσυστήματος Ι (PSI) όσο και του φωτοσυστήματος ΙΙ (PSII). Ο παραδοσιακός δείκτης Fv/Fm προκύπτει άμεσα από τις in vivo μετρήσεις φθορισμού της χλωροφύλλης και υποδεικνύει τη μέγιστη φωτοχημική ικανότητα του PSII. Δύο φυτικά είδη (Pistacia lentiscus, Olea europea) επέδειξαν θετική συσχέτιση μεταξύ διακυμαινόμενης ασυμμετρίας και φωτοσυνθετικής ικανότητας, αποτελέσμα αντίθετο από τις αρχικές προβλέψεις. Το μόνο φυτικό είδος που επιβεβαίωσε την αρχική υπόθεση ήταν το Ceratonia siliqua. Στα υπόλοιπα είδη (Arbutus unedo, Cercis siliquastrum, Platanus orientalis, Populus alba) δεν υπήρξε συσχέτιση μεταξύ των δύο παραμέτρων. Τα φυτικά είδη που εμφάνισαν μεγάλες τιμές διακυμαινόμενης ασυμμετρίας ήταν και αυτά στα οποία η ασυμμετρία συχετίστηκε θετικά με τη φωτοσύνθεση. Συμπεραίνεται, εμμέσως ότι η ισχυρή ένταση της καταπόνησης κατά τα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης των φύλλων σε μερικά φυτά ενδεχομένως να οδηγεί σε πιο σφριγηλή φωτοσύνθεση κατά την ωριμότητά τους ή σε μεγαλύτερη ικανότητα αντοχής στην καταπόνηση. Αν το συμπέρασμα είναι αληθές, τότε μπορεί μεν η συμμετρία να είναι ομορφότερη, δεν είναι όμως και αποδοτικότερη. Σε γενικές γραμμές, και με βάση τη βιβλιογραφία, ο δείκτης διακυμαινόμενης ασυμμετρίας των φύλλων δεν φαίνεται από μόνος του να επιτυγχάνει αξιόπιστη εκτίμηση της αρμοστικότητας. Για αυτό τον λόγο η χρησιμοποίησή του πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή και συνάμα θα πρέπει να συνδυάζεται με σειρά άλλων δεδομένων-δεικτών. Ένας ακόμη δείκτης περιβαλλοντικής καταπόνησης μπορεί να είναι η εποχική συσσώρευση ερυθρών χρωστικών (ανθοκυανινών) που παρατηρείται στα ώριμα φύλλα ορισμένων φυτικών ειδών. Έχει προταθεί ότι οι ανθοκυανίνες των φύλλων λειτουργούν ως «ομπρέλα» προστασίας για τη φωτοσυνθετική συσκευή ενάντια στη φωτοαναστολή. Ως προς την εξέταση αυτής της υπόθεσης, η παρούσα διατριβή χρησιμοποίησε δύο πειραματόφυτα που εμφανίζουν εποχική ερυθρότητα στα φύλλα ορισμένων ατόμων τους. Αυτά είναι το Pistacia lentiscus και το Cistus creticus. Αρχικά όσον αφορά το P. lentiscus, εξετάστηκε η συσχέτιση του βαθμού φωτοπροστασίας με τις πραγματικές συγκεντρώσεις ανθοκυανινών σε φύλλα ατόμων που φύονται σε συνθήκες πεδίου. Το συγκεκριμένο εγχείρημα αποτελεί καινοτομία, αφού μέχρι σήμερα δεν έχει μελετηθεί η φωτοπροστασία σε σχέση με τη διαβάθμιση της ερυθρότητας των φύλλων. Προς αυτή τη κατεύθυνση χρησιμοποιήθηκαν μη επεμβατικές οπτικές μέθοδοι (φάσματα ανακλαστικότητας και φθορισμός χλωροφύλλης) για να αποτιμήσουν τα επίπεδα ανθοκυανινών και χλωροφυλλών καθώς και τη φωτοχημική απόδοση του PS II, σε εκατοντάδες ώριμα φύλλα του φυτικού είδους P. lentiscus (σχίνος). Ο σχίνος κατά τη χειμερινή περίοδο εμφανίζει κόκκινους (όλων των διαβαθμίσεων ερυθρού χρώματος) και πράσινους φαινότυπους. Αντίθετα με την υπόθεση που υποστηρίζει το φωτοπροστατευτικό ρόλο των ανθοκυανινών, η ένταση της ερυθρότητας συσχετίστηκε θετικά με τη φωτοαναστολή και αρνητικά με τα επίπεδα των εμπεριεχόμενων χλωροφυλλών στα φύλλα. Έτσι, ο πιθανός φωτοπροστατευτικός ρόλος των ανθοκυανινών δεν επιβεβαιώθηκε. Ωστόσο, η χειμερινή ερυθρότητα των φύλλων στο σχίνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας ρεαλιστικός, γρήγορος και μη επεμβατικός τρόπος εντοπισμού ατόμων «ευάλωτων» στη χειμερινή καταπόνηση. Σε μετέπειτα στάδιο στο ίδιο φυτικό είδος, εξετάστηκε in situ η σχέση της χειμερινής ερυθρότητας των φύλλων με σειρά άλλων φωτοσυνθετικών παραμέτρων. Συγκρινόμενοι με τους πράσινους φαινότυπους κατά τη διάρκεια του χειμώνα, οι ερυθροί (ανθοκυανικοί) φαινότυποι παρουσίασαν χαμηλότερες ταχύτητες αφομοίωσης CO2. Βρέθηκε ότι αυτό οφείλεται στη χαμηλή περιεκτικότητα ή/και ενεργότητα του ενζύμου καρβοξυλάση/οξυγονάση της διφωσφορικής ριβουλόζης (Rubisco) των ερυθρών φύλλων, ενώ ταυτόχρονα η στοματική αγωγιμότητα δεν φάνηκε να είναι περιοριστική για τη φωτοσύνθεση. Συγχρόνως, οι ερυθροί φαινότυποι βρέθηκε ότι περιέχουν λιγότερο άζωτο σε σχέση με τους πράσινους. Το εύρημα αυτό πιθανώς συνδέεται με την παρατηρούμενη χαμηλή περιεκτικότητα του ενζύμου Rubisco και τον μειωμένο φωτοσυνθετικό ρυθμό των ερυθρών φύλλων. Η περιορισμένη ικανότητα των αντιδράσεων καρβοξυλίωσης να χρησιμοποιήσουν αναγωγική δύναμη και ηλεκτρόνια, ενδεχομένως εξηγεί και τη μειωμένη απόδοση παγίδευσης φωτονίων του PSII που σημειώνεται στους ερυθρούς φαινοτύπους. Σε οποιαδήποτε περίπτωση, η ανάπτυξη της ανθοκυανικής «ομπρέλας» δεν φαίνεται να αποσοβεί το κίνδυνο φωτοαναστολής της φωτοσύνθεσης στον ερυθρό φαινότυπο του σχίνου. Ως παραπροϊόν της εργασίας με το P. lentiscus, εξετάστηκε η πιθανή επίδραση των φυσικών διακυμάνσεων του αζώτου των φύλλων του στις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν οι φυσιολογικές διακυμάνσεις του αζώτου ώριμων φύλλων σε συνδυασμό με την ανάλυση των αντίστοιχων καμπυλών ταχείας ανόδου του φθορισμού της χλωροφύλλης. Η μαθηματική ανάλυση των καμπυλών έγινε σύμφωνα με το λεγόμενο «JIP-test», γεγονός που επέτρεψε την εκτίμηση της εν δυνάμει δραστηριότητας των δύο φωτοσυστημάτων. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν εξάρτηση από την εποχή, επιτρέποντας την εξαγωγή του συμπεράσματος ότι η έλλειψη αζώτου επηρεάζει επιλεκτικά και αρνητικά το PSI, ενώ η αρνητική επίδραση στο PSII περιορίζεται μόνο κατά τη δυσμενή-χειμερινή περίοδο του έτους. Ένας δεύτερος Μεσογειακός θάμνος που εξετάστηκε ήταν το είδος Cistus creticus. Όπως και ο σχίνος, το είδος αυτό επιδεικνύει χαρακτηριστική ενδοειδική ποικιλομορφία στην έκφραση του ανθοκυανικού χαρακτήρα στα φύλλα του. Συγκεκριμένα, μερικά άτομα κοκκινίζουν το χειμώνα, ενώ γειτονικά τους κάτω από τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες παραμένουν πράσινα. Η ερυθρότητα των φύλλων διατηρείται μέχρι τα μέσα της άνοιξης. Αυτό το σύστημα απεδείχθη κατάλληλο, όχι μόνο για τη μελέτη του φυσιολογικού ρόλου των ανθοκυανινών αλλά και για τη προσέγγιση οικολογικών ερωτημάτων που σχετίζονται με την αρμοστικότητα (fitness) των δύο φαινότυπων. Επίσης, απεδείχθη πως η φυλλική ερυθρότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας οπτικός δείκτης καταπόνησης. Ως τελικές παράμετροι αρμοστικότητας χρησιμοποιήθηκαν, η αναπαραγωγική προσπάθεια ως ο αριθμός ανθέων ανά άτομο, η αναπαραγωγική επιτυχία ως ο αριθμός σπερμάτων ανά άτομο καθώς και η επικονιστική επιτυχία ως ο αριθμός καρπών ανά αριθμό ανθέων και ως ο αριθμός σπερμάτων ανά καρπό. Η μελέτη αυτή, συνδιαζόμενη με σειρά φυσιολογικών δεικτών που εξέτασαν άλλα μέλη της ερευνητικής ομάδας του εργαστηρίου μας έδειξαν ότι, παρόλο που οι φυσιολογικοί δείκτες εμφανίζουν τον ερυθρό φαινότυπο υποδεέστερο, αντίθετα οι αναπαραγωγικοί δείκτες (αποτελέσματα παρούσας διατριβής) δεν παρουσίασαν διαφορές. Εν τέλει, μπορεί ίσως να λεχθεί πως η παρουσία της ερυθρότητας υποδεικνύει μεν «ασθενέστερα» άτομα (που με τη βοήθεια των ανθοκυανινών ίσως επιτυγχάνουν κάποια αντιστάθμιση αυτών των ενδογενών φυσιολογικών και γενετικών αδυναμιών τους), όχι όμως τόσο ασθενικά ώστε να επηρεάζεται αρνητικά η αναπαραγωγική τους επιτυχία και αρμοστικότητα. / Fluctuating asymmetry, small nondirectional deviations from perfect symmetry, has been proposed as a useful indicator of environmental stress. The developmental instability of an organism may induce asymmetric characters. Hence, a high degree of developmental instability, morphologically manifested as fluctuating asymmetry, may indicate less fitness. According to that, less fit individuals are expected to have asymmetric leaves and this may have a negative impact in their photosynthetic yield. In this investigation, fluctuating asymmetry and two photosynthetic indices (PItotal, Fv/Fm) has been measured in a great number of leaves in 7 plant species. PItotal, is an index which expresses the relative photosynthetic performance. It is calculated from the kinetics of fast chlorophyll a fluorescence rise curves according to the so-called «JIP-test». It is considered to be positively correlated to CO2 assimilation rates, hence to productivity based on photosynthesis. Fv/Fm, is a second photosynthetic index which indicates the maximum photosystem II (PSII) photochemical efficiency. Fluctuating asymmetry was positively correlated to both photosynthetic indices in two plant species (Pistacia lentiscus, Olea europea). These results do not support the initial hypothesis of this investigation. Contrary, the species Ceratonia siliqua shows a negative correlation between fluctuating asymmetry and the two photosynthetic indices. Furthermore, in four plant species (Arbutus unedo, Cercis siliquastrum, Platanus orientalis, Populus alba), fluctuating asymmetry and photosynthetic performance were not correlated. It happened that the two species deviating from the initial hypothesis (P. lentiscus and O. europea) display the maximum mean fluctuating asymmetry values among all species included in this investigation. In conclusion, it seems that in some plants whose leaves have experienced high stress as young are more photosynthetically potent as mature. Moreover, these results suggest that the relation between fluctuating asymmetry and photosynthesis is species-specific. Finally, the results show that fluctuating asymmetry may not be a reliable index of developmental instability and stress exposure in plants. Leaf anthocyanins are believed to afford protection against photoinhibition, yet the dependence of protection on actual anthocyanin concentrations has not been investigated. To that aim, non-invasive optical methods (spectral reflectance and chlorophyll fluorescence) were used to assess levels of anthocyanins and chlorophylls as well as photosystem II (PSII) photochemical efficiency in hundreds of leaves from the mastic tree (Pistacia lentiscus). This species displays a continuum of leaf tints during winter from fully green to fully red under field conditions. Contrary to expectations based on the photoprotective hypothesis, the strength of leaf redness was positively correlated to the extent of mid-winter chronic photoinhibition and negatively correlated to leaf chlorophyll contents. Hence, a photoprotective role for anthocyanins is not substantiated. Instead, we argue that winter leaf redness may be used reliably, quickly and non-invasively to locate vulnerable individuals in the field. Given that winter-red leaf phenotypes in the mastic tree are more vulnerable to chronic photoinhibition during the cold season, we asked whether corresponding limitations in leaf gas exchange and carboxylation reactions could also be manifested. During the cold («red») season, net CO2 assimilation rates (A) and stomatal conductances (gs) in the red phenotype were considerably lower than the green phenotype, while leaf internal CO2 concentration (Ci) was higher. The differences were abolished in the «green» period of the year, the dry summer included. Analysis of A versus Ci curves indicated that CO2 assimilation during winter in the red phenotype was limited by Rubisco content and/or activity rather than stomatal conductance. Concomitant to that, leaf nitrogen levels in the red phenotype were considerably lower during the red-leaf period. Hence, we suggest that the inherently low leaf nitrogen levels are linked to the low net photosynthetic rates of the red plants through a decrease in Rubisco content. Accordingly, the reduced capacity of the carboxylation reactions to act as photosynthetic electron sinks may explain the corresponding loss of PSII photon trapping efficiency, which cannot be fully alleviated by the screening effect of the accumulated anthocyanins. In a next step we examined whether leaf nitrogen level affects photosynthetic light reactions. Although it is amply documented that CO2 assimilation rates are positively correlated to leaf nitrogen, corresponding studies on a link between this nutrient and photosynthetic light reactions are scarce, especially under natural field conditions. In this final investigation with mastic tree, we exploited natural variation in nitrogen content of mature leaves of P. lentiscus in conjunction with fast chlorophyll a fluorescence rise (the OJIP curves) analysed according to the so-called «JIP-test», as this was recently modified to allow also for the assessment of events in or around photosystem I (PSI). The results depended on the sampling season, with low nitrogen leaves displaying lower efficiencies for electron flow from intermediate carriers to final PSI acceptors and lower relative pool sizes of these acceptors, both during the autumn and winter. However, parameters related to the PSII activity (i.e. quantum yields for photon trapping and electron flow along PSII, efficiency of a trapped exciton to move an electron from QA- to intermediate carriers) were limited by low nitrogen only during the winter period. As a result, parameters like the quantum yield of total electron flow along both photosystems as well as the total photosynthetic performance index (PItotal) were positively correlated to leaf nitrogen independently of season. We conclude that nitrogen deficiency under field conditions preferentially affects PSI activity while the effects on PSII are evident only during the stressful period of the year. In the last part of this dissertation we asked whether the leaf anthocyanic trait confers long term benefits to the plant and to that aim parameters directly related to fitness, i.e. reproductive effort and success as well as seed germinability were registered in winter-red and green phenotypes of Cistus creticus growing in the field under apparently similar conditions. The results indicated that both phenotypes displayed similar flower numbers, pollination success and seed yield, mass and germinability. As judged by the similar final reproductive output, vulnerability to the winter stress does not render the red phenotype less fit, nor anthocyanin accumulation render it more fit. Although an apparent compensating function for anthocyanins may be inferred, it can not be linked to a protection against photoinhibition of photosynthesis. Moreover, the photosynthetic inferiority of the red phenotype although linked to slightly reduced leaf number, (results from other members of our laboratory) it was not limiting for reproductive effort and success. Regardless of function, winter leaf redness may indicate photosynthetically weak, yet not necessarily less fit individuals in C. creticus.

Compte tenu des changements climatiques annoncés, les végétaux risquent d'être confrontés, dans un proche avenir, à des épisodes de sécheresse sévères de plus en plus fréquents. Afin de prédire l'impact de telles contraintes sur la productivité et le rendement des plantes cultivées, il convient d'étudier l'effet du manque d'eau sur l'activité photosynthétique, le transport et l'accumulation des sucres. Dans un premier temps, la croissance, le développement, la biomasse et la photosynthèse de huit écotypes d'Arabidopsis thaliana ont été caractérisés. Trois de ces écotypes (Col-0, Mt-0 et Shahdara) ont ensuite été soumis à une période de déficit hydrique. Une chute du contenu relatif en eau des rosettes (RWC), de la conductance stomatique (gs) et de l'assimilation nette (AN) a été observée précocement chez Mt-0, écotype initialement caractérisé par une très faible efficience de l'utilisation de l'eau (AN/E). En réponse au stress, l'analyse des courbes AN/Ci de chaque écotype montrait que la limitation stomatique s'accompagne rapidement de limitations métaboliques (baisse de la Vcmax). En fin de stress hydrique, une diminution des réserves en amidon a conduit dans tous les cas à une accumulation de saccharose dans les feuilles. Les expressions des gènes codant les principaux transporteurs foliaires de sucres (polyols, hexoses et saccharose) étaient quant à eux différemment affectés par le manque d'eau. Shahdara, qui est parvenu à conserver un RWC relativement élevé, est l'écotype qui a le mieux toléré la contrainte hydrique. À l'opposé, Mt-0 présentait, en fin de stress, une inhibition de l'AN couplée à des altérations majeures et irréversibles des photosystèmes II (chutes de qP et de Fv/Fm). / Considering the predicted climate changes, plants are likely to face, in the future, severe and frequent droughts. In order to evaluate the impact of such stress on productivity and crop yield, the effect of water shortage on photosynthetic activity, sugar transport and accumulation was investigated. Firstly, growth, development, biomass and photosynthesis of eight Arabidopsis thaliana ecotypes have been characterised. Secondly, three of them (Col-0, Mt-0 and Shahdara) were subjected to drought stress. The relative water content (RWC), the stomatal conductance (gs) and the net assimilation (AN) decreased early in rosette leaves of Mt-0 which was initially characterized by a very low water use efficiency (AN/E). In response to drought, AN/Ci curves analysis for each ecotype showed that stomatal limitation was quickly related with metabolic limitations (lower Vcmax). At the end of the stress, reduced starch content always led to a sucrose accumulation in leaves. The expression of genes encoding the main leaf sugar carriers (polyols, hexoses and sucrose) was differently impaired by the water shortage. Shahdara, that managed to maintain a relatively high RWC, was the most tolerant ecotype to water stress. In contrast, at the end of the stress, Mt-0 exhibited an AN inhibition together with significant and irreversible photosystem II alterations (drop of both qP and Fv/Fm).

No description available.

No description available.