Selección temprana de clones de Gmelina arborea ROXB con base en su comportamiento fisiológico en vivero versus plantación, en el Pacífico Sur de Costa Rica

Abstract

Gmelina arborea Roxb. is an excellent choice to ensure supply of raw material for the forest industry (Kumar 2007, Adebisi et al. 2011, Wee et al. 2012). Its importance is due to a rapid initial growth and its easy adaptation to a variety of site conditions (Adebisi et al. 2011). The nursery phase is essential to evaluate a number of characteristics involved with plant productivity in different conditions, obtaining valuable information to determinate the potential of the selected genotypes. The plant physiology knowledge plays an important role in the understanding the plants - environment interactions (El- Sharkawy 2006, da Matta 2007), and the conditions must be provide to the different genotypes in the nursery to express their best photosynthetic performance (Triono 2004), thereby achieving more plants prepared to deal with adverse field conditions. Once past the nursery stage, the establishment of trees in open terrain is a critical period where adaptation strategies are implemented to the soil and climatic conditions of the site. Here changes occur in the morphological and physiological characteristics, which directly influence growth rates. The study of physiological characteristics must be considered a priority by their genetic content and its relationship with productivity in forest plantations. Photosynthesis is the most important process associated with growth; their relationship is not simple and has been discussed for many years (Flood et al. 2011). Photosynthetic rate is considered an important criterion with potential for early selection (Lapido et al. 1984). 8 The development of superior genetic material points out the need to identify parameters for early selection of genotypes with superior growth. To Zas et al. (2005), comparing the juvenile behavior in nursery and adult behavior of genotypes in field through retrospective trials, becomes the main alternative in the search for appropriate juvenile parameters that maximize genetic correlation nursery - field. However, beforehand it is noted that the correlation between morphological and physiological parameters and growth in the field are generally poor ( Blake and Bevilacqua 1990), primarily in young trees, since the genotype has not yet expressed some of its characteristics is a result of genotype -environment interaction at early ages (Adams et al. 2001, Codesido et al. 2012). Therefore, the question of interest is: what is the magnitude of nursery - field, or juvenile –adult, correlation to expect and wich parameters are best suited to perform a retrospective analysis? The aim of this investigation was to determine the physiological performance of five clones of both stage rooted cuttings in nursery and planting at 15 months of age, and with this information to identify possible juvenile - adult correlations, to finally determine its potential for early selection of Gmelina arborea genotypes. The physiological evaluation of 1, 2, 5, 6 and 12 Gmelina arborea clones in rooted cuttings condition was conducted in the nursery of the Institute of Research and Forestry Services (INISEFOR) located at La Palma, Puerto Jimenez, Golfito, and Puntarenas. Physiological measurements were made when cuttings had rooted, which is when they were ready to leave the mini-tunnels to acclimation condition in semi - open nursery. The light curve response and gas exchange performance of the clones was evaluated both. For the evaluation of both processes a portable photosynthesis system (CIRAS-2, PP Systems) was used. To obtain photosynthetic parameters was used a CO2 average of 360 ppm ± 16.05 ppm and an air temperature of 30 within the trough. Response curves to light was evaluated for 14 levels of density photosynthetic photon flux incident (0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400 μmol photons m - 2 s- 1). Evaluation of gas exchange was 9 performed to a PAR of 1000 μmol photons m-2 s -1 ± 4.57 μmol photons m-2 s -1, the physiological parameters obtained were: net photosynthesis (An), stomatal conductance (Gs) , transpiration (E) and water use efficiency (WUE ) . Physiological evaluation of the five clones in 15 months plantation was made in a six randomized complete blocks clonal trial. Individual clones 1, 2, 5, 6 and 12 in each of the blocks 1 to 5 was evaluated, for a total of 25 evaluated trees in this condition. The response to the light curve of the clones and its gas exchange performance was investigated both. For the evaluation of both processes a portable photosynthesis system (CIRAS-2, PP Systems) was used , in a clear day. To obtain photosynthetic parameters was used a CO2 average of 360 ppm ± 16.05 ppm and an air temperature of 30 within the trough. Measurements were made on fully developed, expanded and illuminated leaves, located in the upper layer of the crown. Response curves to light was evaluated for 17 levels of density photosynthetic photon flux incident ( 0 , 50 , 100, 150 , 200, 250 , 300 , 350, 400 , 600, 800 , 1000 , 1200, 1400 , 1600, 1800 2000 μmol photons m-2 s -1). Evaluation of gas exchange was performed to a PAR of 1000 μmol photons m-2 s -1 ± 4.57 μmol photons m-2 s -1, the physiological parameters obtained were: net photosynthesis (An) , stomatal conductance (Gs) , transpiration (E) and water use efficiency (WUE). Statistical analysis of both conditions was performed by InfoStat (2012) software. Also an analysis of variance was performed on each stage , and a comparison of means using the Tukey test (p < 0.05 ) to determine differences between the five genotypes for each physiological parameter investigated. Finally, the average value of each clone for each physiological parameters assessed, we proceeded to construct a matrix of correlations juvenile (rooted cuttings) - adult (plantation of 15 months age), to calculate the Pearson correlation coefficient between the means of the parameters evaluated. 10 No statistically significant differences between genotypes were recorded for any of the investigated parameters obtained from the light curves in rooted cuttings stage in nursery (convex curve, apparent quantum yield, maximum photosynthetic rate and light saturation point). The maximum photosynthetic rate at light saturation (Anmax) ranged from 6.99 μmol m -2 s -1 and 8.58 μmol m-2 s -1, with a mean of 7.89 μmol m -2 s -1. The light saturation point (LSP) varied between 336.75 μmol m-2 s -1 and 394 μmmol m -2 s -1, with an average for the species 366.04 μmol m-2 s -1. The light saturation point average for the species rooted miniestaquilla condition (366.04 μmol m -2 s -1) suggests that the mini - tunnels rooting could be exposed to higher values of incident radiation, to obtain higher biomass production . No statistically significant differences were recorded between the five genotypes investigated for the physiological parameters obtained from the evaluation of gas exchange in stage of rooted cuttings, neither. Net photosynthesis (An) showed a variation from 8.14 to 10.45 μmol m -2 s -1 between clones, with an average of 9.63 μmol m -2 s -1 for the species. Stomatal conductance (Gs) reported variability from 120.97 to 154.40 mmol m-2 s -1, with an average of 142.83 mmol m-2 s -1. Transpiration (E) varied from 1.7 to 3.2 μmol m-2 s - 1, 2.40 in average. High efficiency in water use (WUE) among clones was recorded, which is a competitive advantage - adaptive, with values from 3.82 μmol m-2 s - 1 to 4.53 μmol m-2 s -1 with an average of 4.16 μmol m - 2 s-1. Although no statistically significant differences between the clones were presented, clone number six showed the most desirable values in most physiological parameters evaluated. Therefore, it is identified as the highest photosynthetic capacity investigated genotypes. No statistically significant differences were recorded between the five genotypes investigated for any of the parameters obtained from the response curves to light in the plantation at 15 months age stage. The maximum photosynthetic rate at light saturation (Anmax) ranged from 22.36 μmol CO2 m- 2s- 1 and 30.08 μmol CO2 m- 2s -1, with an average of 25.23 μmol CO2 m- 2s- 1. The light saturation point (LSP) 11 average recorded was 1499.95 μmol CO2 m -2s-1 , ranging from 1158.26 μmol m-2 s -1 and 2110.26 μmol m-2 s -1. Moreover, no statistically significant difference among the five clones for any of the physiological parameters obtained from the evaluation of the process of gas exchange was detected. Net photosynthesis (An) ranged from 19.47 μmol m- 2s- 1 to 22.62 μmol m -2s-1 , with an average of 20.87 μmol m- 2s- 1. Stomatal conductance (Gs) ranged from 185.53 mmol m- 2s- 1 to 289.53 mmol m- 2s- 1. The average transpiration of the investigated genotypes was 4.38 μmol m-2 s -1. Efficiency in water use among the five genotypes averaged 5.03 μmol m-2 s - 1, was varying from 5.76 μmol m-2 s – 1 to 4.31 μmol m-2 s -1. Although no statistically significant differences between the clones were submitted, clone 2 showed the most desirable values for the parameters of net photosynthesis (An) and water use efficiency (WUE) also presented the second best value in terms of transpiration (E) and stomatal conductance (Gs). As becomes the clone having the most efficient photosynthetic capacity in plantation condition at 15 months of age. The analysis of correlations nursery - field intended to increase the accuracy of the information supporting silvicultural production packages. The nursery net photosynthesis (Pn- V) was direct and slightly correlated with stomatal conductance (Gs-C) and transpiration (E-C) both in the field ( r = 0.27 and r = 0.32 respectively). Transpiration nursery (E-V) showed an inverse correlation with net photosynthesis (Pn -C), water use efficiency (WUE -C) and total tree height (Ht-C), all in the field. This suggests preliminarily that genotypes recorded lower transpiration in the nursery could be linked with higher values of Pn- C, WUE-C and Ht-C. The efficient use of water in the nursery (WUE - V) recorded a moderate direct correlation (r = 0.45) with field photosynthesis (Pn-C). The efficient use of water in nursery (WUE-V) reported positive correlations, from moderate to strong for all genotypes, with Pn-C and WUE-C. Chlorophyll content in the leaves of rooted cuttings in nursery (Cloro-V) was directly correlated with Pn-C, suggesting that measuring the chlorophyll content in the leaves of rooted cuttings using a SPAD -502, could 12 discriminate the genotypes with higher net photosynthesis in field. The total height of the plants in the nursery (Ht- V) should not be used for early selection bearing no consistent correlation with dasometric parameters in field. These results keep latent the hypothesis that is possible to find physiological variables that can be carried out early selection of the most desirable genotypes. Caution must to be tacked when trying to select using information at such young ages, until genotypes are fully expressed phenotype through interaction with environmental conditions. Furthermore, the study of a single parameter does not guarantee selection. It´s necessary to determine whether physiological variables are heritable through genetic analysis, for which a larger experimental sample is needed.

Gmelina arborea Roxb. es una excelente opción para garantizar el abastecimiento de materia prima para la industria forestal (Kumar 2007, Adebisi et al. 2011, Wee et al. 2012). Su importancia radica en su rápido crecimiento inicial y su fácil adaptación a diversidad de condiciones de sitio (Adebisi et al. 2011). La fase de vivero resulta fundamental para evaluar una serie de características involucradas con la productividad de la planta, en diferentes condiciones, obteniendo información valiosa con la cual se pueda iniciar con la determinación del potencial de los genotipos seleccionados. Al respecto, el conocimiento de la fisiología vegetal cumple un rol importante en la comprensión de las plantas y sus interacciones con el ambiente (El-Sharkawy 2006, DaMatta 2007), así como las condiciones que se le deben brindar a los distintos genotipos en el vivero para que manifiesten su mejor rendimiento fotosintético (Triono 2004); consiguiendo con ello plantas más preparadas para enfrentarse a las condiciones adversas de campo. Una vez superada la fase de vivero, el establecimiento de los árboles en campo abierto es un período crítico, donde se ejecutan estrategias de adaptación a las condiciones edafoclimáticas del sitio. Aquí ocurren cambios tanto en las características morfológicas como en las fisiológicas, los cuales influyen directamente en las tasas de crecimiento. El estudio de caracteres fisiológicos debe ser considerado prioritario por su contenido genético y su relación con la productividad en plantaciones forestales. La fotosíntesis es el proceso más relevante asociado al crecimiento, su relación con el mismo no es sencillo y ha sido objeto de debate durante muchos años (Flood et al. 2011). Se considera la 2 tasa fotosintética un importante criterio con potencial de selección temprana (Lapido et al. 1984). El desarrollo de materiales genéticos superiores puntualiza la necesidad de identificar criterios para la selección temprana de genotipos que presenten los crecimientos más sobresalientes. Para Zas et al. (2005), comparar el comportamiento juvenil en vivero y el comportamiento adulto de genotipos en campo mediante ensayos instalados previamente, es decir estudios retrospectivos, se convierte en la principal alternativa en la búsqueda de caracteres juveniles apropiados que maximicen la correlación genética vivero-campo. Sin embargo, de antemano se apunta que las correlaciones entre parámetros morfológicos y fisiológicos y su crecimiento en el campo son por lo general pobres (Blake y Bevilacqua 1990), principalmente en cultivos juveniles, ya que el genotipo aún no ha expresado algunos de sus rasgos a consecuencia de la interacción genotipoambiente a edades tempranas (Adams et al. 2001, Codesido et al. 2012). Por lo tanto, la pregunta de interés es: ¿cuál es la magnitud de correlación vivero-campo, o juvenil-adulto, que se puede esperar y, cuáles caracteres son más apropiados para realizar un análisis retrospectivo? El objetivo de la presente investigación fue determinar el comportamiento fotosintético de cinco clones tanto en estadío de miniestaquilla enraizada en vivero como en plantación a los 15 meses de edad, y con dicha información identificar las posibles correlaciones juvenil – adulto, para, finalmente, determinar su potencial para la selección temprana de genotipos de Gmelina arborea. La evaluación fisiológica de los clones 1, 2, 5, 6 y 12 de Gmelina arborea, en condición de miniestaquilla enraizada, se realizó en el vivero del Instituto de Investigación y Servicios Forestales (INISEFOR), ubicado en la localidad La Palma, distrito Puerto Jiménez, cantón de Golfito, provincia de Puntarenas. Las mediciones fisiológicas se realizaron cuando las miniestaquillas habían enraizado, es decir luego de permanecer por quince días en los mini-túneles, cuando ya estaban listas para salir al ambiente de aclimatación o condiciones de ambiente protegido en vivero semi-abierto. 3 Se evaluó tanto la respuesta a la curva de luz de los clones como su desempeño en cuanto al intercambio gaseoso. Para la evaluación de ambos procesos se utilizó un sistema portátil de fotosíntesis (CIRAS-2, PP Systems). El promedio de CO2 a utilizado por el equipo, para la obtención de las variables fotosintéticas, fue 360 ppm ± 16,05 ppm y con temperatura del aire de 30 dentro de la cubeta. Para las curvas de respuesta de luz se evaluaron 14 niveles de densidad de flujo fotónico fotosintético incidente (0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400 µmol fotones m-2 s -1 ). La evaluación del intercambio gaseoso se realizó a un PAR de 1000 µmol fotones m-2 s -1 ± 4,57 µmol fotones m-2 s -1 , las variables fisiológicas obtenidas fueron: fotosíntesis neta (An), conductancia estomática (Gs), transpiración (E) y uso eficiente del agua (WUE). La evaluación fisiológica de los cinco clones en plantación a 15 meses de edad se realizó en un ensayo clonal establecido con un diseño de seis bloques completos al azar. Se evaluó un individuo de los clones 1, 2, 5, 6 y 12 en cada uno de los bloques del 1 al 5, para un total de 25 árboles evaluados. Se investigó tanto la respuesta a la curva de luz de los clones como su desempeño en cuanto al intercambio gaseoso. Para la evaluación de ambos procesos se utilizó un sistema portátil de fotosíntesis (CIRAS-2, PP Systems), en días claros y despejados. El promedio de CO2 a utilizado por el equipo, para la obtención de las variables fotosintéticas, fue 360 ppm ± 16,05 ppm y con temperatura del aire de 30 dentro de la cubeta. Las mediciones se realizaron en hojas completamente desarrolladas, expandidas e iluminadas, ubicadas en el estrato superior de la copa. Para las curvas de respuesta de luz se evaluaron 17 niveles de densidad de flujo fotónico fotosintético incidente (0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000 µmol fotones m-2 s -1 ). La evaluación del intercambio gaseoso se realizó a un PAR de 1000 µmol fotones m-2 s -1 ± 4,57 µmol fotones m-2 s -1 , las variables fisiológicas obtenidas fueron: fotosíntesis neta (An), conductancia estomática (Gs), transpiración (E) y uso eficiente del agua (WUE). 4 El análisis estadístico de ambas condiciones se realizó mediante el software InfoStat (2012). Se realizó un análisis de varianza, además de una comparación de medias mediante la prueba Tuckey (p<0,05) en cada estadío para determinar diferencias entre los cinco genotipos investigados para cada parámetro fisiológico. Finalmente, con el valor promedio de cada clon, para cada uno de los parámetros fisiológicos evaluados, se procedió a construir una matriz de correlaciones juvenil (miniestaquilla) – adulto (plantación de 15 meses). A partir de una matriz que contuvo cinco datos de cada uno de los parámetros determinados para cada genotipo evaluado, se realizaron las pruebas de correlación juvenil – adulto (vivero - campo) calculando el coeficiente de correlación de Pearson entre las medias de los parámetros evaluados. No se registraron diferencias estadísticamente significativas entre los genotipos investigados para ninguno de los parámetros obtenidos de las curvas de luz en estadío de miniestaquilla enraizada en vivero (convexidad de la curva, rendimiento cuántico aparente, tasa fotosintética máxima y punto de saturación lumínica). La tasa fotosintética máxima a saturación de luz (Anmax) varió entre 6,99 µmol m-2 s -1 y 8,58 µmol m-2 s -1 , con promedio de 7,89 µmol m-2 s -1 . El punto de saturación lumínica (LSP) registró variaciones entre 336,75 µmol m-2 s -1 y 394 µmol m-2 s -1 , con un promedio para la especie de 366,04 µmol m-2 s -1 . El punto de saturación luminoso promedio para la especie en condición de miniestaquilla enraizada (366,04 µmol m-2 s -1 ) sugiere que los mini-túneles de enraizamiento podrían estar expuestos a mayores valores de radiación incidente, para obtener mayor producción de biomasa. En cuanto a los parámetros fisiológicos obtenidos de la evaluación del intercambio gaseoso en estadío de miniestaquilla enraizada en vivero, no se registraron diferencias estadísticamente significativas entre los cinco genotipos investigados. La fotosíntesis neta (An) registró una variación desde 8,14 hasta 10,45 µmol m-2 s -1 entre los clones, con un promedio para la especie de 9,63 µmol m-2 s -1 . La conductancia estomática (Gs) registró una variabilidad desde 120,97 hasta 154,40 mmol m-2 s -1 , con un promedio de 142,83 mmol m-2 s -1 . La transpiración (E) varió 5 desde 1,7 hasta 3,2 µmol m-2 s -1 , con 2,40 como promedio. Se registró una alta eficiencia en el uso de agua (WUE) entre los clones, lo que es una ventaja competitiva – adaptativa, con valores desde 3,82 µmol m-2 s -1 hasta 4,53 µmol m-2 s -1 con un promedio de 4,16 µmol m-2 s -1 . Aunque no se presentaron diferencias estadísticamente significativas entre los clones, el genotipo 6 registró los valores más deseables en la mayoría de los parámetros fisiológicos evaluados. Por lo cual, se identifica como el de mayor capacidad fotosintética de los genotipos investigados. En cuanto a la evaluación realizada en el estadío de plantación a los 15 meses, no se registraron diferencias estadísticamente significativas entre los cinco genotipos investigados para ninguno de los parámetros obtenidos de las curvas de respuesta a la luz. La tasa fotosintética máxima a saturación de luz (Anmax) varió entre 22,36 µmol CO2 m -2 s -1 y 30,08 µmol CO2 m -2 s -1 , con un promedio de 25,23 µmol CO2 m - 2 s -1 . El punto de saturación lumínica (LSP) promedio registrado fue de 1499,95 µmol CO2 m -2 s -1 , variando entre 1158,26 µmol m-2 s -1 y 2110,26 µmol m-2 s -1 . Por otra parte, no se detectaron diferencias estadísticamente significativas entre los cinco clones para ninguno de los parámetros fisiológicos obtenidos de la evaluación del proceso de intercambio gaseoso. La fotosíntesis neta (An) varió desde 19,47 µmol m-2 s -1 hasta 22,62 µmol m-2 s -1 , con un promedio de 20,87 µmol m -2 s -1 . La conductancia estomática (Gs) varió desde 185,53 µmol m-2 s -1 hasta 289,53 µmol m-2 s -1 . El promedio para la transpiración de los genotipos investigados fue de 4,38 µmol m-2 s -1 . La eficiencia en el uso del agua entre los cinco genotipos evaluados registró un promedio de 5,03 µmol m-2 s -1 , variando en un ámbito de 5,76 µmol m-2 s -1 hasta 4,31 µmol m-2 s -1 . Aunque no se presentaron diferencias estadísticamente significativas entre los clones, el clon 2 registró los valores más deseables para los parámetros de fotosíntesis neta (An) y uso eficiente del agua (WUE), además presentó el segundo mejor valor en lo que se refiere a transpiración (E) y conductancia estomática (Gs). 6 Por lo que se convierte en el clon que presenta la capacidad fotosintética más eficiente, en condición de plantación a los 15 meses de edad. El análisis de las correlaciones vivero – campo pretendió aumentar la precisión de la información que sustenta los paquetes silviculturales de producción. La fotosíntesis neta en vivero (Pn-V) correlacionó directa y levemente con la conductancia estomática (Gs-C) y transpiración (E-C) ambas en campo (r=0,27 y r=0,32 respectivamente). La transpiración en vivero (E-V) registró una correlación inversa con la fotosíntesis neta (Pn-C), uso eficiente del agua (WUE-C) y con la altura total de los árboles (Ht-C), todos en campo. Esto sugiere, preliminarmente, que genotipos que registren menor transpiración en el vivero se podrían ligar con valores mayores de Pn-C, WUE-C y Ht-C en campo. El uso eficiente de agua en vivero (WUE-V) registró un valor moderado y directo de correlación (r=0,45) con la fotosíntesis en campo (Pn-C). La eficiencia en el uso del agua en vivero (WUE-V) registró correlaciones positivas, de moderadas a muy fuertes, para todos los genotipos evaluados, con Pn-C y WUE-C. El contenido de clorofila en las hojas de las miniestaquillas enraizadas en vivero (Cloro-V) correlacionó directamente con Pn-C, lo que sugiere que midiendo el contenido de clorofila en las hojas de las miniestaquillas enraizadas, utilizando un SPAD-502, discriminaría los genotipos con mayor fotosíntesis neta en campo. La altura total de las plantas en vivero (HtV) no debería ser utilizado para selección temprana al no presentar correlación consistente con los caracteres dasométricos. Con éstos resultados queda latente la hipótesis que es posible encontrar variables fisiológicas con las que se pueda llevar a cabo una selección temprana de los genotipos más deseables. Se debe ser cauteloso al intentar seleccionar utilizando información a edades tan tempranas, sino hasta que los genotipos hayan expresado completamente su fenotipo mediante la interacción con las condiciones ambientales. Además el estudio de un solo parámetro no garantiza la selección. Es necesario determinar si las variables fisiológicas son heredables mediante un análisis genético, para el cual se necesita una muestra experimental mayor.