Hydraulic traits of Norway spruce sapwood estimated by Fourier transform near-infrared spectroscopy (FT-NIR)

Luss, Saskia; Schwanninger, Manfred; Rosner, Sabine

doi:10.1139/cjfr-2014-0452

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“…Differences in the reflectance, absorbance and transmittance of light at different wavelengths by plant parts are tightly coupled to their chemical composition, cell structure and physiological properties (Curran, 1989;Elvidge, 1990;Kokaly et al, 2009), leading to the rapid recent development of spectroscopic methods as a general tool in plant ecophysiology and ecology. For example, spectroscopy has been used to estimate wood density and hydraulic traits (Acuna & Murphy, 2006;Petisco et al, 2006;Luss et al, 2015), accurately identify plant species from dried leaves (Durgante et al, 2013) across developmental stages (Lang et al, 2015), quantify nonstructural carbohydrate content of different plant organs (Ramirez et al, 2015) and characterize a broad suite of leaf biophysical traits (Clark et al, 2005;Serbin et al, 2012Serbin et al, , 2014Asner et al, 2014). Chavana-Bryant et al (2016), also in this special issue, was the first study to demonstrate that leaf reflectance spectra can successfully predict leaf age by using a partial least-squares regression (PLSR; Wold et al, 2001) approach applied to data from a Peruvian evergreen forest.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Convergence in relationships between leaf traits, spectra and age across diverse canopy environments and two contrasting tropical forests

Chavana‐Bryant

Prohaska

et al. 2016

New Phytologist

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SummaryLeaf age structures the phenology and development of plants, as well as the evolution of leaf traits over life histories. However, a general method for efficiently estimating leaf age across forests and canopy environments is lacking.Here, we explored the potential for a statistical model, previously developed for Peruvian sunlit leaves, to consistently predict leaf ages from leaf reflectance spectra across two contrasting forests in Peru and Brazil and across diverse canopy environments.The model performed well for independent Brazilian sunlit and shade canopy leaves (R 2 = 0.75-0.78), suggesting that canopy leaves (and their associated spectra) follow constrained developmental trajectories even in contrasting forests. The model did not perform as well for mid-canopy and understory leaves (R 2 = 0.27-0.29), because leaves in different environments have distinct traits and trait developmental trajectories. When we accounted for distinct environment-trait linkages -either by explicitly including traits and environments in the model, or, even better, by re-parameterizing the spectra-only model to implicitly capture distinct trait-trajectories in different environments -we achieved a more general model that well-predicted leaf age across forests and environments (R 2 = 0.79). Fundamental rules, linked to leaf environments, constrain the development of leaf traits and allow for general prediction of leaf age from spectra across species, sites and canopy environments.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Convergence in relationships between leaf traits, spectra and age across diverse canopy environments and two contrasting tropical forests

Chavana‐Bryant

Prohaska

et al. 2016

New Phytologist

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“…Esta región del espectro abarca el rango de frecuencias entre 12.820 y 4.000 ondas/cm (cm -1 ) que corresponde a las longitudes de onda de 780 a 2.500 nm (Figura 6.1) (Schwanninger et al 2011, Hein 2012, Luss et al 2015. Este rango de ondas se ubica entre el espectro visible (VIS; 380 a 780 nm) y el infrarrojo medio (MIR: Mid-infrared; 2.500 a 25.000 nm) (Bokobza 1998;Pasquini et al 2003).…”

Section: Introductionunclassified

“…A su vez, en la región NIR, la radiación es absorbida de acuerdo con la concentración en que se hallan presentes los diferentes tipos de enlace. En consecuencia, el espectro NIR contiene información cualitativa y cuantitativa de la composición química de una muestra (Viana et al 2009, Luss et al 2015. En la madera, particularmente, la absorción es debida principalmente a sobretonos y bandas de combinación de las vibraciones fundamentales entre átomos de hidrógeno -H-y otros más grandes (carbono -C-, oxígeno -O-, nitrógeno -N-, azufre -S-) (Schimleck et al 1999;Luss et al 2015;Figura 6.2).…”

Section: Introductionunclassified

“…En consecuencia, el espectro NIR contiene información cualitativa y cuantitativa de la composición química de una muestra (Viana et al 2009, Luss et al 2015. En la madera, particularmente, la absorción es debida principalmente a sobretonos y bandas de combinación de las vibraciones fundamentales entre átomos de hidrógeno -H-y otros más grandes (carbono -C-, oxígeno -O-, nitrógeno -N-, azufre -S-) (Schimleck et al 1999;Luss et al 2015;Figura 6.2). Como consecuencia del diferente peso molecular, estas vibraciones son más inarmónicas que aquellas entre átomos de tamaño similar y tienen mayores sobretonos, pero debido a su menor masa, las vibraciones de tensión fundamentales de estas uniones C-H, O-H y N-H ocurren en el límite de menor longitud de onda (alta frecuencia) de la región MIR.…”

Section: Introductionunclassified

“…Es por ello que usualmente se utiliza una esfera de integración, que es un implemento que evita la pérdida de radiación reflejada y produce resultados más precisos (Schwanninger et al 2011;Figura 6.4 b). Los espectros NIR no solo contienen información de las propiedades químicas (absorbancia molecular) sino también de las propiedades físicas del material (Luss et al 2015). Así, durante la exposición a radiación NIR, existen dos efectos que compiten dentro de un material heterogéneo: absorción y dispersión.…”

Section: Introductionunclassified

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Significado funcional de la madera en el género <i>Eucalyptus</i>: relaciones entre microestructura y mecanismos de resistencia a estrés por sequía y heladas

Barotto¹

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La capacidad de transporte de agua dentro de los árboles, a través del xilema, se relaciona funcionalmente con su capacidad de fijación de carbono y, por lo tanto, con su crecimiento y supervivencia. Este proceso se ve afectado, de manera más o menos reversible, por el fenómeno de cavitación, consistente en la ruptura de la columna de agua, debida fundamentalmente a dos procesos: el aumento de la tensión en el xilema durante procesos de sequía y los ciclos de congelamiento y descongelamiento del agua durante las heladas. La estructura anatómica de la madera juega un rol clave en la estrategia hidráulica de las plantas, con implicancias directas en el proceso de cavitación y, por lo tanto, en su fisiología y ecología, por lo que su estudio permite evaluar cómo varía el transporte de agua dentro del xilema en función del estrés abiótico. El estudio de las relaciones entre estructura y función hidráulica de la madera, a nivel inter- e intraespecífico, adquiere especial relevancia frente a un escenario de cambio climático, en el cual se prevé el aumento de sequías y extremos térmicos. El objetivo general de esta tesis fue conocer el valor funcional de la microestructura de la madera de Eucalyptus spp. en relación con ciertas variables descritas por la bibliografía referente al tema como claves para explicar la resistencia a sequía y heladas en especies leñosas. Este género, de gran importancia comercial a nivel mundial, se caracteriza por poseer una compleja anatomía de la madera, poco conocida en términos funcionales. En particular, uno de los objetivos que se plantearon fue analizar y comparar la estructura anatómica de cuatro especies de Eucalyptus, caracterizadas por poseer un amplio rango de variación en densidad de madera y requerimientos de hábitat. Se hipotetizó que existe una relación en la resistencia general al estrés abiótico que puede ser explicada por las características diferenciales de su madera (estudiada a nivel de ramas y fustes), las cuales determinan, en última instancia, los requerimientos ambientales de las diferentes especies. Otro objetivo particular se centró en relacionar la estructura anatómica de la madera con parámetros funcionales como conductividad hidráulica específica máxima, capacitancia y vulnerabilidad a la cavitación por frío y por sequía. Se hipotetizó que las tasas máximas de conductividad hidráulica se relacionan positivamente con el tamaño de los elementos conductivos, mientras que la seguridad hidráulica se relaciona con las características de los elementos celulares asociados a éstos (traqueidas vasicéntricas, fibrotraqueidas y parénquima). Los resultados hallados permitieron validar parcialmente estas hipótesis ya que, por un lado, la relación directa entre la resistencia a la cavitación por sequía medida en laboratorio y el desempeño a campo indicaría que este último está influenciado principalmente por las características anatómicas de la madera. Por otro lado, la relación inversa entre resistencia a la cavitación por congelamiento/ descongelamiento y la resistencia a las heladas indicaría que estos procesos se encuentran determinados por las características de otros órganos. Si bien la influencia significativa del tamaño de los vasos en el nivel de conductividad fue confirmada en los diferentes capítulos de esta tesis (vasos más grandes y mayor amplitud en la distribución de tamaños, presentan mayor eficiencia conductiva), el rol de las células acompañantes de los vasos en la seguridad del sistema fue parcialmente verificado. Así, en el caso de la cavitación por sequía, se encontró evidencia del rol de estos elementos en la protección del sistema de conducción, por un lado, aumentando la conectividad hidráulica entre vasos solitarios y, al mismo tiempo, limitando la propagación de aire (y, por ende, de embolismos) entre elementos conductivos cercanos. Por el contrario, en la cavitación por frío, los resultados indican que este proceso está directamente relacionado con el tamaño de los elementos conductivos, sin efectos significativos por parte de las células acompañantes. Por otro lado, los vasos más grandes no solo presentaron mayor conductividad sino también menor vulnerabilidad a la cavitación por tensión, lo cual sería explicado por la relación inversa entre el tamaño de los elementos conductivos y de sus punteaduras. Las relaciones entre anatomía y función de la madera se estudiaron a nivel interespecífico, pero también a nivel intraespecífico en dos de las especies, E. viminalis y E. globulus, a través del análisis de progenies con diferencias en densidad media. Varias de las relaciones observadas a nivel interespecífico se verificaron también dentro de las especies, aunque el menor rango de variación de los caracteres de madera en este nivel de organización resultó en cambios en el nivel de significancia y signo de algunas relaciones. El tercer objetivo particular fue determinar las relaciones existentes entre los espectros de absorción de infrarrojo cercano (NIR) de la madera de Eucalyptus y su anatomía y función, de manera de contribuir al desarrollo de metodologías de selección genética en base a caracteres adaptativos de fácil cuantificación. En este sentido, fue posible establecer calibraciones entre espectros NIR y las características anatómicas, físicas e hidráulicas de la madera de Eucalyptus y generar modelos de predicción con diferente grado de ajuste. Entre estos últimos se destacan aquellos desarrollados para los parámetros de la curva de cavitación que definen el potencial al cual se pierde el 12 y el 88% de la conductividad máxima y la pendiente entre estos dos puntos, que define la velocidad del proceso de cavitación. Estos resultados son los primeros de su tipo reportados para especies de Eucalyptus, en particular, y Angiospermas, en general. Los resultados de esta tesis permiten afirmar que la particular estructura anatómica de la madera del género Eucalyptus determina la existencia de complejas relaciones entre anatomía y función, las cuales regulan, en diferente grado según el estrés considerado, la capacidad de adaptación al ambiente de las especies de este género. En este sentido, se halló evidencia acerca de una falta de compromiso entre eficiencia y seguridad hidráulica frente a la cavitación por sequía, pero se observó una compensación entre ambos procesos en el caso de la cavitación por frío. El potencial compromiso funcional en la resistencia a ambos tipos de estrés, se evitaría mediante la separación espacial de los mecanismos de control de estos procesos, ubicándose en órganos diferentes. Esto, por un lado, explicaría las diferencias observadas en la resistencia al estrés por frío a campo y en laboratorio y, por otro, permitiría mejorar la resistencia a ambos tipos de estrés de manera simultánea. En este sentido, el establecimiento de modelos predictivos de características anatómicas, físicas e hidráulicas por métodos de fenotipado de alto rendimiento permitiría mejorar el proceso de selección de genotipos resistentes dentro de los programas de mejoramiento forestal.

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Growing season and radial growth predicted for Fagus sylvatica under climate change

et al. 2019

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Hydraulic traits of Norway spruce sapwood estimated by Fourier transform near-infrared spectroscopy (FT-NIR)

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Convergence in relationships between leaf traits, spectra and age across diverse canopy environments and two contrasting tropical forests

Significado funcional de la madera en el género <i>Eucalyptus</i>: relaciones entre microestructura y mecanismos de resistencia a estrés por sequía y heladas

Growing season and radial growth predicted for Fagus sylvatica under climate change

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