3.13. Composición de isótopos de carbono como medida de la eficiencia intrínseca en el uso de agua

La absorción del CO2 mediante los estomas inevitablemente conduce a una pérdida de agua. La magnitud relativa de la fotosíntesis comparada con la de la transpiración depende de muchos factores fisiológicos, morfológicos y ambientales, tanto que diferentes especies en diferentes condiciones de crecimiento pueden tener amplias diferencias en el carbono incorporado por unidad de agua perdida. Esta cantidad, la relación entre las tasas de fotosíntesis neta y la transpiración (=Eficiencia de uso del agua, EUA), es de gran interés ecológico y puede ser medido a escalas de tiempo cortas o largas.

A escalas de tiempo cortas (=instantáneas) la EUA suele ser medida mediante análisis de gas infrarrojo (Ver 3.10). Sin embargo, la EUA instantánea de una hoja puede variar considerablemente en un período de tiempo corto, por ejemplo, debido a intensidad de luz variable y a déficit de presión de vapor. Para estudios comparativos, recomendamos tener en cuenta las precauciones señaladas en 3.10. y calcular la “EUA instantánea intrínseca”, que es la relación entre la fotosíntesis neta y la conductancia estomática. Esta métrica excluye el efecto de las diferencias en presión de vapor sobre las tasas de transpiración. Como el CO2 y el vapor de agua comparten las vías de difusión estomática, pero la difusión del agua es 1,6 veces más rápida que la del CO2, la EUA intrínseca se relaciona con el gradiente de CO2 de la siguiente manera:

EUA intrínseca= A/gs = (ca-ci) / 1,6 = ca (1 – ci/ca) / 1,6

Donde A es la fotosíntesis neta, gs esla conductancia estromática , ca y ci son las fracciones de moles de CO2 en el aire ambiental y en la cavidad subestomática respectivamente.

Para estudiar la EAU a escalas de tiempo más largas, el abordaje con los isótopos de carbono ha demostrado ser extremadamente útil. Las enzimas fotosintéticas discriminan contra el isótopo estable 13C (en relación a 12C) durante la fotosíntesis, entonces el carbono en las hojas está siempre empobrecido en 13C en relación al presente en la atmósfera. El grado de la discriminación de las enzimas contra el 13C depende de ci. Si ci es bajo en relación a ca entonces el aire dentro de la hoja se enriquece en 13C y la habilidad de la enzima para discriminar disminuye. Como resultado, la planta fija una mayor proporción de 13C comparada con la fotosíntesis de la planta a ci más altas. En esta fórmula simple, para plantas

C3 Δ = a + (b-a) ci/ca, donde Δ es discriminación fotosintética contra 13C, a=4,4‰ and b=27‰. Por lo tanto, el cálculo de Δ permite estimaciones de ci:ca integradas en el tiempoy de esta manera de la EUA intrínseca a escalas de tiempo largas. Nótese que Δ se calcula desde δ13C (ver 3.12.): Δ = (δ13Caire - δ13Cplanta) / (1 + δ13Cplanta). Esto implica que es imprescindible asumir o medir la composición de isótopos del aire.


¿Qué y cómo recolectar?

Para la estimación de la EUA intrínseca usualmente se determina δ13C de las hojas, pero esa relación se puede determinar en cualquier parte de la planta, por ejemplo en los anillos de crecimiento de los árboles, para registros históricos. Hay que tener en cuenta que, en general, existe fraccionamiento en otros órganos además de las hojas, lo cual lleva a que todos los órganos no-fotosintéticos sean más ricos en 13C que las hojas. Esto permite la diferenciación entre condiciones de crecimiento utilizando anillos de árboles de diferentes edades. El muestreo debe considerar que las hojas que crecieron en diferentes años o diferentes estaciones pueden tener Δ diferentes. Al mismo tiempo, las hojas en diferentes posiciones en un árbol o en una copa pueden variar en Δ por diferencias en apertura estomática y capacidad fotosintética, pero también debido a diferencias en la composición isotópica del aire. Si bien como se dijo antes, para estimar Δ se necesita conocer la composición isotópica del aire, en lugares de libre circulación del aire, tales como la parte superior de una copa, es razonable asumir que la composición isotópica del aire es constante e igual a la de la parte inferior de la atmósfera (δ13Caire≈ -8‰).

Almacenamiento y procesamiento
Las muestras deberán ser secadas tan pronto como sea posible luego de su recolección y ya secas deben ser finamente molidas. Luego de ser molidos los tejidos deben ser cuidadosamente tamizados (tamíz de 40 µm o más fino). Los análisis del índice de isótopos de carbono requieren pequeñas muestras (2-5 mg), pero se recomienda recolectar y moler cantidades más grandes de tejido para asegurar representatividad.

Mediciones
Ver 3.12 para medir concentraciones de isótopos de carbono.


Casos especiales o extras

(i) Extractos de celulosa Los isótopos a veces son analizados utilizando extractos de celulosa para evitar la variación introducida por la composición de isótopos levemente diferente de otros compuestos de carbono. En la mayoría de los casos, sin embargo, los valores de Δ de todo el tejido y los de celulosa se relacionan muy bien.

(ii) Supuestos Reiteramos aquí que la estimación de EUA intrínseca a partir de la composición de isótopos de carbono involucra un número de supuestos. Debido a estola EUA intrínseca no necesariamente se correlaciona bien con la EUA instantánea (relación entre fotosíntesis y transpiración). En ese sentido la conductancia del mesófilo es una complicación particular. Finalmente, debe tenerse en cuenta que la ecuación para Δ que presentamos anteriormente es una simplificación de la teoría. Es también importante notar que, debido a sus diferencias bioquímicas, la ecuación que presentamos para Δ no aplica a plantas C4 o CAM, y que en estos grupos la composición de isótopos de carbono no es de utilidad para estimar la EUA intrínseca.

 
Referencias sobre la teoría, significado y bases de datos: Farquhar et al. (1989); Cernusak et al. (2009).
 
Más sobre métodos: Ehleringer and Osmond (2000); Seibt et al.(2008); Diefendorf et al. (2010).