Biomass allocation and gas exchange are affected by light conditions in endangered Cedrela salvadorensis (Meliaceae) seedlings / Asignación de biomasa e intercambio de gases son afectados por las condiciones de luz en plántulas de Cedrela salvadorensis (Meliaceae) en peligro de extinción

Abstract:The determination of favorable light habitat conditions per species and life stage is transcendental, for both ex situ and in situ conservation strategies of endangered forest tree species, and for their utilization as plantation trees. This becomes especially important when planting material is scarce. We studied the multivariate responses in biomass allocation and in gas exchange to light and to CO2 in Cedrela salvadorensis seedlings, grown under similar light conditions as those this species faces in nature. During a period of 135 days, groups of ten seedlings were put under 75, 45, 15 and 3.5 % of full sun exposure obtained with neutral shade cloth, under nursery conditions. A series of biomass allocation variables and detailed gas exchange parameters (photosynthesis response curves to light and to internal carbon concentration) were measured at the end of the growth period in plants of the four treatments. According to the principal component analyses, highest values of gas exchange response were associated with the lower values of biomass allocation traits. These changes can be associated with resource-conservative and resource-acquisitive strategies, where the C. salvadorensis seedlings acclimatize their traits for the exploration and exploitation of light, to high or to dim light environment, respectively. The multivariate analyses also showed that the plants had a high performance at 45 % of light environments. These results suggest that 45 % of light environment was the optimal light habitat of this species at the tested developing stage. Our results have important implications to choose the best natural habitat for a successful establishment of C. salvadorensis. We propose practical considerations for programs of reforestation or reintroduction where this species be involved. Rev. Biol. Trop. 64 (3): 1143-1154. Epub 2016 September 01.

ResumenLa determinación de las condiciones lumínicas favorables por especie y estado de vida es trascendental para las estrategias de conservación ex situ y in situ de especies de árboles en peligro de extinción, y su utilización como plantaciones forestales. Esto se vuelve especialmente importante cuando el material de siembra es escaso. Aquí, nosotros estudiamos las respuestas en asignación de biomasa y en intercambio de gases a luz y CO2 en plántulas de Cedrela salvadorensis crecidas bajo condiciones lumínicas similares a las que esta especie enfrenta en la naturaleza. Durante 135 días, grupos de diez plántulas fueron colocadas bajo condiciones de 75, 45, 15 y 3.5 % de exposición total al sol obtenidas por medio de sarán bajo condiciones de vivero. Una serie de variables de asignación de biomasa y parámetros de intercambio de gases (fotosíntesis según curvas de respuesta a la luz y a la concentración de carbono interno) fueron medidas al final del periodo de crecimiento en las plantas de los cuatro tratamientos. De acuerdo con los análisis de componentes principales, valores altos de respuesta de intercambio de gases están asociados con valores bajos de rasgos de asignación de biomasa. Los cambios observados se encuentran asociados con las estrategias recurso-conservativas y recurso-adquisitivas donde C. salvadorensis aclimata sus rasgos para la exploración y explotación de luz en ambientes con escasa o excesiva radiación lumínica, respectivamente. Los análisis multivariados muestran también que las plantas tienen un alto rendimiento a 45 % de luz ambiental. Estos resultados sugieren que el 45 % de ambiente lumínico es el hábitat lumínico óptimo de esta especie en el estado de desarrollo estudiado. Nuestros resultados tienen importantes implicaciones para escoger el mejor hábitat natural para un exitoso establecimiento de C. salvadorensis. Por esto, proponemos consideraciones prácticas para programas de reforestación y reintroducción donde esta especie estaría involucrada.

Germinación de semillas de cuatro especies arbóreas del bosque seco tropical del Valle del Cauca, Colombia / Seed germination of four tree species from the tropical dry forest of Valle del Cauca, Colombia

The ecological restoration strategies for highly threatened ecosystems such as the tropical dry forest, depend on the knowledge of limiting factors of biological processes for the different species. Some of these include aspects such as germination and seed longevity of typical species present in those forests. In this study, we evaluated the effect of light and temperature on seed germination of two Fabaceae (Samanea saman and Jacaranda caucana) and two Bignoniaceae (Pithecellobium dulce and Tabebuia rosea) species having potential use in restoration, and we analyzed the seed storage behavior of these species for a three months period. To study the light effect, four levels of light quality on seeds were used (photoperiod of 12 hours of white light, darkness and light enriched in red and far-red, both for an hour each day), and we combined them with three levels of alternated temperatures (20/25, 20/30 and 25/30°C-16/8h). For the storage behavior, two levels of seed moisture content particular for each species were used (low: 3.5-6.1% and high: 8.3-13.8%), with three storage temperatures (20, 5 and -20°C) and two storage times (one and three months). The criterion for germination was radicle emergence which was measured in four replicates per treatment, and was expressed as percentage of germination (PG). There were significant differences in germination of Samanea saman and Jacaranda caucana among light and temperature treatments, with the lowest value in darkness treatments, whereas germination of Pithecellobium dulce and Tabebuia rosea did not differ between treatments (PG>90%). The most suitable temperature regime to promote germination in all species was 25/30°C. These four species showed an orthodox seed storage behavior. We concluded that seeds of P. dulce, J. caucana and T. rosea did not have an apparent influence of all light conditions tested in their germination response, which might confer advantages in colonization and establishment processes, while S. saman did not germinate well in darkness. We suggest the use of seeds of P. dulce, J. caucana and T. rosea in ecological restoration processes, due to their tolerance and germination under a wide range of temperature and light conditions. Futhermore, seeds of S. saman might be used in open areas such as forest gaps.

Las estrategias de restauración ecológica en ecosistemas altamente amenazados como el bosque seco tropical, dependen del conocimiento de factores limitantes de procesos biológicos, como la germinación y la longevidad de semillas de especies típicas de los mismos. En este estudio se evaluó el efecto de la luz y la temperatura en la germinación de semillas de dos especies de Fabaceae y dos de Bignoniaceae potencialmente útiles para restauración, y se determinó su comportamiento en el almacenamiento. Para el primer objetivo, se utilizaron cuatro niveles de calidad lumínica (fotoperiodo con 12 horas de luz, oscuridad y estímulos de luz enriquecida en rojo y luz enriquecida en rojo lejano, ambas por una hora), combinados con tres niveles de temperaturas alternadas (20/25, 20/30 y 25/30°C - 16/8h). Para el segundo objetivo, se utilizaron dos niveles de contenido de humedad de las semillas, con tres niveles de temperatura de almacenamiento (20, 5 y -20°C) y dos tiempos de almacenamiento (1 y 3 meses). La variable de respuesta para ambos experimentos fue el número de semillas germinadas, expresado en porcentaje (PG). Samanea saman y Jacaranda caucana presentaron un PG significativamente diferente entre los tratamientos lumínicos, con el valor menor en la oscuridad, mientras Pithecellobium dulce y Tabebuia rosea no presentaron diferencias significativas entre tratamientos (PG>90%). La respuesta a la temperatura mostró que 25/30°C es el régimen más adecuado para promover la germinación de la mayoría de las especies. Las semillas de las cuatro especies evaluadas presentaron un comportamiento ortodoxo en el almacenamiento. Se concluye que las semillas de P. dulce, J. caucana y T. rosea son indiferentes a las condiciones de luz y temperatura probadas, confiriéndoles ciertas ventajas en procesos de colonización y establecimiento frente a S. saman, cuya germinación no se ve favorecida en la oscuridad. Se sugiere el uso de semillas de P. dulce, J. caucana y T. rosea en proyectos de restauración ecológica del bosque seco Tropical, debido a su tolerancia y germinación en condiciones ambientales con intervalos amplios de temperatura y luminosidad. Mientras que, semillas de S. saman podrían ser usadas en sitios abiertos como claros de bosques.

Growth and photosynthetic performance of five tree seedlings species in response to natural light regimes from the Central Pacific of Costa Rica / Crecimiento y desempeño fotosintético de cinco plántulas de especies arbóreas en respuesta a regímenes lumínicos naturales del Pacífico Central de Costa Rica

Environmental heterogeneity mostly dominated by differing light regimes affects the expression of phenotypic plasticity, which is important for plant growth and survival, especially in the forest understory. The knowledge about these responses to this heterogeneity is a key factor for forest restoration initiatives. In this study, we determine several phenotypic responses to contrasting light conditions in five native tree seedling species of La Cangreja National Park, Central Pacific of Costa Rica, four of them with threatened or relict populations. After 14 weeks at a medium gap condition (24% of full sun), seedlings were transferred and acclimated for 11 weeks to three different natural light regimes: large gap (LG), medium gap (MG) and small gap (SG), corresponding to 52%, 24%, 9% of the mean direct and indirect radiation at each site from full sun. Growth, biomass allocation and leaf gas exchange were measured after the acclimation period. Four species strongly reduced relative growth rate (RGR) in the lower light condition. Total biomass (TB) and RGR were different in Hymenaea courbaril and Platymiscium curiense. H. courbaril and Astronium graveolens had significant changes in the maximum assimilation rate, with a mean value in the LG of 11.02 and 7.70µmolCO2/m²s, respectively. P. curuense showed the same trend and significant changes in RGR and biomass allocation. Aspidosperma myristicifolium and Plinia puriscalensis showed no adjustments to the light regimes in any of the measured variables. This study remarks the importance of determining the growth and physiological performance of these tree native species. It also demonstrates that the most threatened species are those with the less plastic responses to the light regimes, which stresses the difficult situation of their natural populations. This study highlights an urgent definition of the conservation and restoration needs of the degraded forests of the Costa Rican Central Pacific area, where these species dwell.

La heterogeneidad ambiental dominada mayormente por diferencias en los regímenes lumínicos afecta la expresión de la plasticidad fenotípica, la cual es importante para el crecimiento y la supervivencia de las plantas, especialmente en el sotobosque. Conocer dichas respuestas ante la heterogeneidad es un factor clave para las iniciativas de restauración forestal. En este estudio, determinamos varias respuestas fenotípicas ante condiciones lumínicas contrastantes de cinco especies de plántulas de árboles nativos del Pacífico Central de Costa Rica, algunos de ellos con poblaciones amenazadas. El crecimiento, la asignación de biomasa y el intercambio gaseoso a nivel foliar se midieron al final de once semanas de aclimatación en tres regímenes con diferente radiación: claro grande (LG), claro mediano (MG) y claro pequeño (SG) que corresponden al 54, 24 y 9% de la media del factor de radiación indirecta e indirecta en cada sitio a pleno sol, respectivamente. Cuatro especies presentan fuertes disminuciones en la tasa de crecimiento relativo (RGR) en la condición de poca luz. La biomasa total, RGR y la relación raíz/tallo fueron diferentes para todas las especies. Hymenaea courbaril y Astronium graveolens respondieron significativamente en la tasa de asimilación máxima, con un valor promedio en el LG de 11.02 y 7.70µmolCO2/m²s¹ respectivamente. Platymiscium curuense mostró tendencias similares y cambios significativos en la RGR y la asignación de biomasa. Aspidosperma myristicifolium y Plinia puriscalensis mostraron una plasticidad muy baja debido que no expresaron ajustes en ninguna de las variables medidas ante los regímenes de luz. Este estudio resalta la importancia de determinar el crecimiento y el rendimiento fisiológico de estas especies de árboles nativos. También demuestra que las especies más amenazadas son aquellas con las respuestas con menor plasticidad ante los regímenes luz, lo que acentúa la difícil situación de sus poblaciones naturales. Este estudio destaca una urgente definición de las necesidades de conservación y restauración de los bosques degradados de zona del Pacífico Central costarricense, donde estas especies habitan.