The role of silicon in the tolerance to abiotic stresses in woody plants | Papel del silicio en la tolerancia a estreses abióticos en plantas leñosas

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Abiotic stresses are compromising crop productivity. Climate change and unsustainable agricultural practices are aggravating these stresses. In the Mediterranean Basin, nutritional disorders are frequently observed in olive trees, mainly due to overfertilization with nitrogen (N), associated with higher yields, and potassium (K) deficiency, derived from the soil and climate characteristics of this region, which reduces olive tolerance to drought. In the south-eastern USA, drought affects the productivity of young peach trees, which remain without irrigation until the third year after planting. Silicon (Si) supply has been proposed as a strategy to improve stress tolerance in crops and agricultural sustainability, although the effects on woody species, such as olive and peach, are poorly documented. This Doctoral Thesis evaluates the effects of Si application in olive plants under different nutritional managements and in young peach trees subjected to drought. The first experiment aimed to study the possible essentiality of Si in “Arbequina” olive seedlings grown in a Si-free medium, which received weekly foliar applications of Si (0, 10, 20, or 30 mg L-1). Experiments 2 and 3 studied the interaction of Si with N and K fertilization, respectively. Young "Picual" plants were grown under controlled conditions and received weekly Si (20 mg L-1) foliar sprayed or through the irrigation water. Once differences in leaf Si content were observed, the treatments resulting from the combination of different levels of Ca(NO3)2 (0, 100 y 400 ppm N) and KCl (0.05 y 2.5 mM) were initiated. Finally, the fourth experiment evaluated the effect of Si foliar sprayed (0 or 20 mg L-1) on water stress tolerance in “Julyprince” peach trees irrigated weekly with different water regimes (100% or 50% of evapotranspiration requirements). The results in olive showed that Si is not essential since its absence did not prevent growth of “Arbequina” seedlings. However, its application (particularly at the dose of 10 mg L-1) increased vegetative growth, probably by improving the absorption and translocation of K from the root to the shoot, increasing the concentration of K in the different organs. In “Picual”, no interaction was observed between Si application and N doses on vegetative growth. However, Si application increased shoot length, being this effect more marked when Si was supplied through the irrigation water. Both form of Si application, increased N concentration in plants fertilized with 0 or 100 ppm of N but any effect was observed with the highest dose (400 ppm). This suggests that the application of Si could reduce the use of nitrogen fertilizers in olive groves. In the third experiment, Si application (foliar or through irrigation) increased shoot growth and stomatal density, independently of the KCl dose applied, increasing plant biomass. Si applied to the irrigation water increased the K content in the roots. The effects of Si on potassium nutrition in olive plants are not clear. In peach trees, foliar application of Si improved the water status of water-stressed trees through changes in sap flow and increased foliar K concentration. Additionally, Si application improved leaf N concentration, irrespective of the water stress applied. These results highlight the potential use of Si as a sustainable agricultural practice in woody crops. Its application could reduce the use of chemical fertilizers and increase tolerance to water stress, promoting better nutrition and water optimization.

La productividad de los cultivos está influenciada por diversos estreses abióticos, que se agudizan por el cambio climático y prácticas agrícolas insostenibles. En la Cuenca Mediterránea, los desórdenes nutricionales en el olivo son frecuentes, principalmente por la sobrefertilización con nitrógeno (N), asociada a un mayor rendimiento, y la deficiencia de potasio (K), derivada de las características edafoclimáticas de la zona, que reduce la tolerancia del olivo a la sequía. En el sureste de EE.UU., la sequía afecta la productividad de melocotoneros jóvenes, ya que permanecen sin regar hasta el tercer año de su plantación. La aportación de silicio (Si) ha sido propuesta como una estrategia para mejorar la tolerancia a distintos estreses y la sostenibilidad agrícola, aunque sus efectos en especies leñosas, como el olivo y el melocotonero, están poco documentados. Esta tesis doctoral evalúa los efectos de la aplicación de Si en el olivo bajo distintos manejos nutricionales y en melocotoneros jóvenes sometidos a sequía. El primer experimento estudió la posible esencialidad del Si en plántulas de olivo “Arbequina” cultivadas en un medio libre de Si, realizando semanalmente aplicaciones foliares de Si (0, 10, 20 o 30 mg L-1). En los experimentos 2 y 3, se analizó la interacción del Si con la fertilización nitrogenada y potásica, respectivamente. Plantas jóvenes de “Picual” cultivadas bajo condiciones controladas recibían semanalmente Si (20 mg L-1) a través del agua de riego o pulverizado. Tras alcanzar diferencias en el contenido foliar de Si, se iniciaron los tratamientos resultantes de la combinación de diferentes niveles de Ca(NO3)2 (0, 100 y 400 ppm N) y KCl (0,05 y 2,5 mM). Finalmente, el cuarto experimento evaluó el efecto del Si aplicado vía foliar (0 ó 20 mg L-1 en la tolerancia al estrés hídrico en melocotoneros “Julyprince” regados semanalmente con diferentes regímenes hídricos (100% ó 50% de las necesidades evapotranspirativas). Los resultados en olivo mostraron que el Si no es esencial, pues su ausencia no impidió el crecimiento de las plántulas de “Arbequina”, pero su aplicación (particularmente 10 mg L-1) incrementó el crecimiento vegetativo, probablemente por la mejora en la absorción y translocación de K desde la raíz al tallo, aumentando la concentración de K en los diferentes órganos. En “Picual”, no hubo interacción entre la aplicación de Si y las dosis de N sobre el crecimiento vegetativo. Sin embargo, el Si incrementó la longitud de los brotes, especialmente con su aporte al riego. La aplicación de Si (foliar o riego), incrementó la concentración de N en plantas fertilizadas con 0 y 100 ppm N, pero no afectó a la dosis más alta (400 ppm), lo que sugiere una posible reducción del uso de fertilizantes nitrogenados con el empleo de Si. En el experimento 3, la aplicación de Si (foliar o riego) incrementó el crecimiento del tallo y la densidad estomática independientemente del nivel de KCl en el medio de crecimiento, aumentando la biomasa de las plantas. El Si aplicado con el agua de riego aumentó el contenido de K en las raíces. Los efectos del Si sobre la nutrición potásica en el olivo no son claros. En melocotonero, la aplicación foliar de Si mejoró el estado hídrico de los árboles sometidos a déficit hídrico mediante cambios en el flujo de savia y el aumento de la concentración foliar de K. Asimismo, el Si mejoró la concentración foliar de N, independientemente del estrés hídrico aplicado. Estos resultados sugieren el aporte de Si como una práctica agrícola sostenible en cultivos leñosos. Su aplicación podría reducir el uso de fertilizantes químicos y mejorar la tolerancia al estrés hídrico, promoviendo una mejor nutrición y optimización del agua.