Ecophysiology of declining holm oak in response to biotic and abiotic stresses. Early decline identification and integration in sensor-based diagnostics

Abstract

One of the main problem that forest management faces today is forest decline. There are numerous ecosystems in the world that face problems related to biotic and abiotic stresses with complex interactions between them and the environment. In recent decades, this global problem has also affected forestry systems around the world and also in Europe with the decline of Quercus spp. In Spain, it has especially affected the dehesa areas. This ecosystem is an agrosilvopastoral system with great socioeconomic and ecological importance in rural areas of the south-west of Iberian Peninsula. The main tree species of the system is the holm oak, which plays a very important role within it as a productive element for feeding Iberian pig, landscape structuring, soil protection and as a creator of microhabitats that generate biodiversity. In dehesa, the decline of the holm oak since its first location in the 1980s has generated the death of a multitude of trees and the decline of countless other areas along with other factors that contribute to its spread and severity (lack of regeneration of the trees, inadequate silviculture and livestock farming practices, intensive agronomic use of soil…). Since the appearance of the holm oak decline of the dehesas in the southwest of the Iberian Peninsula, the oomycete Phytophthora cinnamomi Rands was pointed out as the main cause triggering tree death. This oomycete causes mortality in many tree species around the globe, including oaks, due to root rot. This disease causes unspecific symptoms in the aerial organs of the tree, such as defoliation, chlorosis, cankers, adventicious sprouting in the trunk and eventually, the death of the tree, in a chronic decline process or suddenly. However, these visual symptoms appear when the disease is already at an advanced level of host infection, making it difficult to apply control and preventive measures at this advanced disease stage. Research in this field has studied the infection process and the effect of the infection on seedling and trees in plant performance and death, focusing on seeking comprehensive management alternatives that can control the expansion of the oomycete. But this is complicated by the large number of factors that interfere with the effect of the disease. For this reason, knowledge of the physiological effect that it causes on the holm oak is of vital importance. Although the importance of early detection of the disease was demonstrated, knowledge of the physiology of infection in adult trees is a great challenge, considering the measurement of adult trees in large areas. For this reason, understanding the physiology in the different phases of infection to be able to relate it to remote sensing techniques is crucial. The work of this doctoral thesis focuses on the physiology of the disease to relate it to the microenvironmental variables, to differentiate behavioural patterns under different climatic situations and their relationship with the detection variable, aiming to model and extend the diagnosis to large areas with less sampling effort. The development of this research is broken down into 7 chapters. The first chapter focuses on the theoretical framework surrounding the doctoral thesis and its main and specific objectives. In the second chapter, the influence of the biodiversity of beneficial antagonistic microorganisms (T-complex) with Phytophthora cinnamomi on the physiology of holm oak seedlings from two origins with different tolerance to infection tested previously is studied, at the same time as in two levels of irrigation. In this chapter, we see how the effect of Trichoderma spp. behaves differently depending on the ecotype of the host. This is again reflected in the physiology of the plant, where inoculation with T-complex improves physiological activity in both ecotypes but more in one than the other, causing an increase in organic matter. The increase in organic matter in fine roots also changes the intrinsic resistance of the ecotype to Phytophthora cinnamomi. In the third chapter of this thesis, the physiological response of two groups of holm oaks in pastures, one symptomatic of Phytophthora cinnamomi and the other non- symptomatic, is studied for three years at three times of different water stress: one at the beginning of the stress, another at the time of maximum stress, and another at the time of recovery. We see how the greatest physiological differences of the plant are found at the moment of onset of stress and at the moment of maximum stress, while at the time of recovery, the physiological status of the plant is similar for syntomatic and non-syntomatic individuals. The variables that best discriminated symptomatic trees from non-symptomatic trees were photosynthesis, stomatal conductance, and water use efficiency, and the period that showed the greatest differences was the beginning of stress (May-June). Water mobility in the plant xylem decreased during the three years of study for symptomatic plants, relating negatively to physiological measures. In the fourth chapter, the behavior of sap flow is studied in the same experimental design as in the third chapter. The sap flow of the affected holm oaks does not show variations in the daily pattern for the pre-stress periods, while these differences become latent in the stress period at the same time as advancing the time of occurrence of the peak of maximum sap flow velocity. Non-symptomatic trees are able to control their stomatal activity better than symptomatic trees and thus reduce sap flow in times of greater stress. The microclimatic variables that have shown the greatest relationship have been the average temperature, vapor pressure deficit, and relative humidity. In the fifth chapter, the results of the previous chapters are integrated to relate the response of symptomatic and non-symptomatic trees with their spectral response in order to validate the efficacy of UAV multispectral photogrammetry. In this chapter, we use a semi-directed canopy segmentation with a Canopy Height Model (CHM) to correctly delimit the canopies and thus relate them to their physiological status provided by a cluster classification. In this relationship, the spectral indices that worked best were Greenness Ratio (GRVI, P=0.0215) and NDVI * thermal adjustment index (NXT, P=0.0496). This was applied to the rest of the crowns that were not physiologically categorized, and it was possible to generate a classification of crowns and generate a complete map categorizing the oaks' crowns one by one. Chapter six shows the general discussion of this doctoral thesis, demonstrating the development of the line of work followed during the thesis. The seventh chapter presents the conclusions of this work. The development of the disease caused by Phytophthora cinnamomi elicits different responses in the plant with a direct relationship with bioclimatic and soil biodiversity variables. The classification between symptomatic and non-symptomatic trees shows its greatest divergence at the onset of stress when water availability is not yet severely limited. All of this, with the correct use of data and measurement periods, makes classification possible through high-resolution remote sensing, bringing powerful tools to accurately identify affected trees under early development stages of root rot.

Uno de los principales problemas que enfrenta la gestión forestal en la actualidad es el decaimiento forestal. Existen numerosos ecosistemas en el mundo que enfrentan problemas relacionados con estreses bióticos y abióticos con interacciones complejas entre ellos y el medio ambiente. En las últimas décadas, este problema global también ha afectado a los sistemas forestales en todo el mundo y también en Europa con el decaimiento de los Quercus spp. En España ha afectado especialmente a las zonas de dehesa. Este ecosistema es un sistema agrosilvopastoral de gran importancia socioeconómica y ecológica en las zonas rurales del suroeste de la Península Ibérica. La principal especie arbórea del sistema es la encina, que juega un papel muy importante dentro del mismo como elemento productivo para la alimentación del cerdo ibérico, protección del suelo y como creador de microhábitats generadores de biodiversidad. En la dehesa, el decaimiento de la encina desde aparición en los años 80 ha generado la muerte de multitud de árboles y el decaimiento de innumerables zonas junto con otros factores que contribuyen a su dispersión y severidad (falta de regeneración de los árboles , prácticas inadecuadas de silvicultura y ganadería, uso agronómico intensivo del suelo…). Desde la aparición del decaimiento del encinar en las dehesas del suroeste de la Península Ibérica, se señaló al oomiceto Phytophthora cinnamomi Rands como el principal causante de la muerte del arbolado. Este oomiceto provoca la mortalidad de muchas especies de árboles en todo el mundo, incluidas las encinas, debido a la pudrición radicular. Esta enfermedad provoca diversos síntomas en la parte aéreas de los árboles, como defoliación, clorosis, cancros, brotaciones adventicias en el tronco y eventualmente, la muerte del árbol, en un proceso de decaimiento crónico o repentino. Sin embargo, estos síntomas visuales aparecen cuando la enfermedad ya se encuentra en un nivel avanzado de infección del huésped, lo que dificulta la aplicación de medidas de control y prevención en esta etapa avanzada de la enfermedad. Se ha estudiado el proceso de infección y el efecto en el comportamiento y muerte de las plantas, enfocándose en buscar alternativas de manejo integral que puedan controlar la expansión del oomiceto. Pero esto se complica por la gran cantidad de factores que interfieren con el efecto de la enfermedad. Por ello, el conocimiento del efecto fisiológico que provoca en la encina es de vital importancia. Si bien quedó demostrada la importancia de la detección temprana de la enfermedad, el conocimiento de la fisiología de la infección en árboles adultos es un gran desafío, permitiendo la expansión del diagnóstico de árboles adultos en grandes áreas. Por este motivo, entender la fisiología en las diferentes fases de la infección para poder relacionarla con las técnicas de teledetección es crucial. El trabajo de esta tesis doctoral se centra en la fisiología del decaimiento de la encina para relacionarla con las variables microambientales, diferenciar patrones de comportamiento ante diferentes situaciones climáticas y su relación con variables de teledetección, con el objetivo de modelar y extender el diagnóstico a grandes áreas con menor esfuerzo de muestreo. El desarrollo de esta investigación se divide en 7 capítulos. El primer capítulo se centra en el marco teórico que rodea la tesis doctoral y sus objetivos principales y específicos. En el segundo capítulo se estudia la influencia de la biodiversidad de microorganismos antagonistas benéficos (T-complex) con Phytophthora cinnamomi sobre la fisiología de plántulas de encina de dos orígenes con diferente tolerancia a la infección ensayadas previamente, al mismo tiempo que en dos niveles. de riego. En este capítulo vemos cómo el efecto de Trichoderma spp. Se comporta de manera diferente según el ecotipo del huésped. Esto nuevamente se refleja en la fisiología de la planta, donde la inoculación con T-compex mejora la actividad fisiológica en ambos ecotipos pero más en uno que en otro, provocando un aumento de materia orgánica. El aumento de materia orgánica en raíces finas también cambia la resistencia intrínseca del ecotipo a Phytophthora cinnamomi. En el tercer capítulo de esta tesis se estudia la respuesta fisiológica de dos grupos de encinas en dehesa, uno sintomático de infección por Phytophthora cinnamomi y otro no sintomático, durante tres años en tres momentos de diferente estrés hídrico: al inicio del estrés, en el momento de máximo estrés, y otro en el momento de recuperación. Vemos como las mayores diferencias fisiológicas de la planta se encuentran en el momento de inicio del estrés y en el momento de máximo estrés, mientras que en el momento de la recuperación, el estado fisiológico de la planta es similar para individuos sintomáticos y no sintomáticos. Las variables que mejor discriminaron árboles sintomáticos de no sintomáticos fueron la fotosíntesis, la conductancia estomática y la eficiencia en el uso del agua, y el período que mostró mayores diferencias fue el inicio del estrés (mayo-junio). La movilidad del agua en el xilema de la planta disminuyó durante los tres años de estudio para las plantas sintomáticas, relacionándose negativamente con las medidas fisiológicas. En el cuarto capítulo, se estudia el comportamiento del flujo de savia con el mismo diseño experimental que en el tercer capítulo. El flujo de savia de las encinas afectadas no muestra variaciones en el patrón diario para los períodos de preestrés, mientras que estas diferencias se vuelven latentes en el período de estrés al mismo tiempo que avanza el momento de ocurrencia del pico de velocidad máxima de flujo de savia. Los árboles asintomáticos son capaces de controlar mejor su actividad estomática que los árboles sintomáticos y así reducir el flujo de savia en momentos de mayor estrés. Las variables microclimáticas que mayor relación han mostrado han sido la temperatura media, el déficit de presión de vapor y la humedad relativa. En el quinto capítulo se integran los resultados de los capítulos anteriores para relacionar la respuesta de árboles sintomáticos y no sintomáticos con su respuesta espectral con el fin de validar la eficacia de la fotogrametría multiespectral UAV. En este capítulo, utilizamos una segmentación de dosel semidirigida con un Modelo de Altura de Dosel (CHM) para delimitar correctamente las copas y así relacionarlas con su estado fisiológico proporcionado por una clasificación de conglomerados. En esta relación, los índices espectrales que mejor funcionaron fueron Greenness Ratio (GRVI, P=0.0215) y NDVI * índice de ajuste térmico (NXT, P=0.0496). Esto se aplicó al resto de copas que no estaban categorizadas fisiológicamente, y se logró generar una clasificación de copas y generar un mapa completo categorizando las copas de los robles una por una. El capítulo seis muestra la discusión general de esta tesis doctoral, explicando el desarrollo de la línea de trabajo seguida durante la misma. El séptimo capítulo presenta las conclusiones de este trabajo. El desarrollo de la enfermedad causada por Phytophthora cinnamomi provoca diferentes respuestas en la planta con relación directa con variables bioclimáticas y de biodiversidad del suelo. La clasificación entre árboles sintomáticos y no sintomáticos muestra su mayor divergencia al inicio del estrés, cuando la disponibilidad de agua aún no está severamente limitada. Todo esto, con el uso correcto de los datos y los períodos de medición, hace posible la clasificación mediante teledetección de alta resolución, aportando poderosas herramientas para identificar con precisión los árboles afectados en etapas tempranas de desarrollo de la pudrición de la raíz.