Autor: RUBIO PÉREZ, Faustino

Título: Mechanisms of acclimation in Fagus sylvatica L. to combined abiotic stress under a high-end climate scenario

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S.I. DE MONTES, FORESTAL Y DEL MEDIO NATURAL

Departamento: SISTEMAS Y RECURSOS NATURALES

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/92294/

Director/a(s):

• Director/a: LÓPEZ RODRÍGUEZ, Rosa Ana
• Director/a: CANO MARTÍN, Francisco Javier

Resumen: Climate warming is imposing unprecedented abiotic stresses (heat, drought, high VPD) on temperate forests, threatening sensitive species such as European beech (Fagus sylvatica). This thesis investigates how Fagus sylvatica seedlings acclimate to elevated growth temperature alone and in combination with drought and shade – conditions expected under a high-end climate scenario. Using controlled-environment experiments with constant vapor pressure deficit (VPD), seedlings were grown at optimal (≈25 °C) or elevated (+7 °C) temperatures under factorial light (high vs. low) and water (well-watered vs. moderate drought) treatments. Leaf gas exchange (net CO₂ assimilation An, stomatal conductance gs, mesophyll conductance gm), chlorophyll fluorescence (ΦPSII, NPQ), and derived photosynthetic parameters (Vcmax, Jmax, Topt, respiration Rd/Rl) were measured, alongside growth, leaf morphology (leaf area, LMA), water relations (osmotic potential, leaf maximum Young’s modulus of elasticity), xylem hydraulic traits (safety margins, conductivity, Hubert value), and morphological traits (heigh, diameter, biomass, xylem anatomy and wood density). Warmed seedlings exhibited pronounced photosynthetic acclimation: net assimilation was ~30% lower across leaf temperatures, yet the thermal optimum (Topt) remained unchanged. This reflected biochemical downregulation (reduced Vcmax and Jmax) rather than stomatal or mesophyll limitations. High-temperature growth also lowered mitochondrial and photorespiratory carbon losses and greatly enhanced non-photochemical quenching (NPQ), indicating a “min–max” strategy of conserving carbon (via reduced respiration) while boosting photoprotective dissipation. Morphologically, warm-grown seedlings produced smaller, thinner leaves (lower LMA), aiding heat dissipation but increasing water demand. Under ample water, elevated temperature caused stomata to open more widely (higher gs), raising transpiration (E) and lowering intrinsic water-use efficiency (iWUE). Although the lowest overall growth was observed in seedlings under low light—due primarily to light limitation rather than stress—the most severe physiological stress occurred under combined drought and high temperature. In this "hot drought" scenario, carbon losses were greatest: net assimilation dropped by ~60%, and dark respiration more than doubled compared to ambient conditions. This shift reflected a strong prioritization of photoprotection (via rapid stomatal closure and increased NPQ) over carbon gain. The result was a marked impairment in osmotic adjustment and significant reductions in leaf water safety margins, highlighting drought—especially in combination with warming—as the dominant constraint on hydraulic safety. Even when light availability limited growth more than drought, it still modulated these stress responses in meaningful ways. Shade-grown seedlings, despite their reduced biomass, maintained similar light-saturated net assimilation (An) to high-light plants, but with lower respiration rates—evidence of efficient shade acclimation. Under warming, these seedlings adopted a resource-acquisitive strategy: producing many low-LMA leaves to maximize light capture and potential carbon gain, though this came at the cost of elevated water use. In contrast, under high light, warming triggered a conservative response: sharp reductions in leaf area and total biomass, alongside increased transpiration, indicating a shift toward drought avoidance. Ultimately, shade-grown seedlings prioritized carbon gain at the expense of hydraulic safety, whereas sun-grown seedlings curtailed growth to preserve water and protect hydraulic function. Altogether, these findings reveal that while beech seedlings exhibit significant physiological plasticity, their acclimation to warming—particularly under compound stress—is only partial. Elevated growth temperature triggers a trade-off: it conserves leaf function in warmth by downregulating photosynthetic capacity and respiration and by enhancing thermal protection (NPQ), yet this “water-spending” strategy narrows safety margins in carbon and water balance. Crucially, multi-stressor experiments uncovered synergies absent in single-factor studies: simultaneous heat, drought, and shade caused unique response syndromes (e.g. combined leaf area loss, hydraulic narrowing) that severely suppressed growth and assimilation. In conclusion, Fagus sylvatica demonstrates notable physiological plasticity under moderate warming, but combined heat and drought impose severe carbon limitations that may constrain regeneration. These results suggest that future beech forest resilience will depend on the frequency of heat–drought extremes and the availability of cool, moist microsites (e.g. shaded understory) to buffer seedlings. By elucidating the integrated acclimation mechanisms across photosynthesis, stomatal behavior, morphology, and hydraulics, this thesis provides a cohesive picture of beech seedling responses to high-end climate change, with implications for predicting temperate forest dynamics under multiple interacting stresses. RESUMEN El calentamiento global está imponiendo un estrés abiótico sin precedentes (calor, sequía y alto déficit de presión de vapor – VPD) en los bosques templados, amenazando especies vulnerables como el haya europea (Fagus sylvatica L.). Esta tesis busca investigar como responden plántulas de Fagus sylvatica a distintas temperaturas de crecimiento en combinación con sequía y sombra. Para ello, se emplearon condiciones controladas manteniendo constante el VPD. Las plántulas se desarrollaron a temperaturas óptimas (25ºC) o elevadas (32ºC) bajo un diseño factorial de tratamientos: irradiación (alta vs. baja) e irrigación (bien regadas vs. sequía moderada). A lo largo de los experimentos, se midieron parámetros de intercambio gaseoso (asimilación neta An, conductancia estomática gs, y del mesófilo gm), fluorescencia de la clorofila (ΦPSII, NPQ), y parámetros fotosintéticos derivados de los anteriores (Vcmax, Jmax, Topt, respiration Rd/Rl), junto a crecimiento y morfología foliar (area foliar, peso específico foliar - LMA), relaciones hídricas (potencial osmótico, módulo de elasticidad de la hoja), parámetros de transporte de agua del xilema (márgenes de seguridad, conductividad hidráulica y Hubert value), y parámetros morfológicos (altura, diámetro, biomasa, anatomía del xilema y densidad de la madera). Las plántulas crecidas a mayor temperatura mostraron una pronunciada aclimatación fotosintética: su asimilación neta fue un 30% menor a lo largo de un amplio rango de temperaturas foliares, aunque su temperatura óptima (Topt) se mantuvo. Este fenómeno es indicativo de una regulación bioquímica (reduciendo Vcmax and Jmax) más que de una limitación estomática o de la conductancia del mesófilo. Las altas temperaturas de crecimiento también contribuyeron a disminuir las pérdidas de carbono ocasionadas por la respiración y fotorrespiración, al mismo tiempo que promovieron un incremento del “non-photochemical quenching” (NPQ), indicando una estrategia “min-max” enfocada a la conservación de carbono (a través de reducir los costes asociados a la respiración) al tiempo que promovían mecanismos de disipación energética y de fotoprotección. Morfológicamente, las plántulas crecidas a alta temperatura generaron hojas más pequeñas y finas (menor LMA), que contribuyen a una mejor disipación térmica a coste de una mayor demanda evaporativa. Sin restricciones hídricas, la temperatura promovió una mayor apertura estomática (mayor gs), contribuyendo a una mayor transpiración (E) y una menor eficiencia intrínseca en el uso del agua (iWUE). En caso de déficit hídrico, las altas temperaturas promovieron un mayor estrés: la combinación de estos factores promovió unas mayores pérdidas de carbono. La An mostró una fuerte disminución (∼60% al compararla con el control), mientras que la respiración un fuerte incremento. En este escenario, los estomas se cerraron rápidamente, lo que promovió el incremento del NPQ, translocando energía a la fotoprotección y disipación de energía térmica a expensas de un peor balance de carbono. Estas plántulas mostraron además una falta de ajuste osmótico, y, por tanto, menores márgenes de seguridad de la hoja, indicando una mayor vulnerabilidad hidráulica como consecuencia de este estrés combinado. La disponibilidad de luz amortiguó estas respuestas, especialmente en aquellos tratamientos bien regados. Las plántulas crecidas en sombra alcanzaron An similares que las plantas en luz bajo luz saturante. Al mismo tiempo, mostraron a una menor respiración, lo que sugiere una aclimatación eficiente a condiciones de baja irradiancia. No obstante, en términos de crecimiento la luz mostró ser más limitante que la sequía a pesar de mostrar esta elevada capacidad de adaptación. La falta de energía lumínica restringió más el crecimiento que la sequía a expensas de una mayor resiliencia. Sorprendentemente, las altas temperaturas en combinación con la sombra promovieron una estrategia adquisitiva: las plántulas desarrollaron más hojas de menor LMA, maximizando la captura de luz, y, por lo tanto, un mejor balance de carbono en condiciones de luz saturante a expensas de menor eficiencia en el uso del agua. En contraste, bajo alta irradiancia, las altas temperaturas promovieron una estrategia más conservativa: el área foliar y la biomasa total disminuyeron considerablemente, al mismo tiempo que la transpiración se vio fuertemente incrementada. Por tanto, las plántulas crecidas a la sombra sacrificaron la seguridad de sus sistemas hidráulicos buscando una mayor ganancia de carbono, mientras que las plantas crecidas a alta irradiancia sacrificaron un mayor consumo hídrico para ser capaces de mantener su crecimiento. Juntos, estos hechos muestran que, aunque las plántulas de haya mostraron una elevada plasticidad fisiológica a su temperatura óptima de crecimiento, solo mostraron una aclimatación parcial en un escenario simulado de calentamiento global, especialmente bajo condiciones de multi-estrés. Las altas temperaturas de crecimiento promovieron mecanismos de compensación: las funciones de la hoja se mantuvieron a estas altas temperaturas mediante una regulación a la baja de su capacidad fotosintética y de la respiración, al tiempo que se producía un incremento de la disipación de energía térmica (NPQ), aún si esta estrategia de un mayor “gasto de agua” promovía una disminución de los márgenes de seguridad en términos de carbono y agua. Además, estos experimentos simulando estreses multifactoriales cubren sinergias que de otra manera no pueden ser detectadas o cuantificadas en experimentos con un único estrés o factor. Por ejemplo, las altas temperaturas, la sequía o la sombra aisladas no habrían reflejado sus efectos conjuntos (e.j. disminución del área foliar y de los márgenes de seguridad) que además inhibieron en gran medida el crecimiento y la fotosíntesis. En conclusión, aunque las plántulas de Fagus sylvatica mostraron una considerable plasticidad fisiológica, en un escenario de cambio climático, la combinación de altas temperaturas y sequía impusieron fuertes limitaciones en el balance de carbono que pueden comprometer la regeneración de esta especie. Estos resultados sugieren que, en el futuro, la resiliencia de los hayedos dependerá de la frecuencia de las olas de calor, las sequías y la disponibilidad de micrositios más fríos y húmedos (e.j. sotobosque) para amortiguar estos efectos. Mediante el escrutinio de los mecanismos de aclimatación a través de la fotosíntesis, dinámicas estomáticas, morfología y conductividad hidráulica, esta tesis proporciona una perspectiva global sobre cómo se desenvolverán las plántulas de Fagus sylvatica en un escenario de cambio climático, con fuertes implicaciones en la predicción de cómo serán las dinámicas de los bosques templados bajo múltiples estreses simultáneos. Al integrar procesos de aclimatación que abarcan desde la fotosíntesis y el comportamiento estomático hasta la morfología foliar, la funcionalidad hidráulica y el reparto de biomasa, esta tesis ofrece una visión comprensiva del desempeño de las plántulas bajo escenarios climáticos extremos, y contribuye a anticipar el devenir de los bosques templados ante estreses múltiples e interconectados.