Assessment of higher plant species suitability for ecological restoration following major disturbance

Abstract

O presente trabalho é constituído por uma revisão bibliográfica e uma série de estudos científicos experimentais visando a melhoria do conhecimento da ecologia de germinação e resposta ao estresse hídrico em arbustos autóctones. Estes estudos pretendem contribuir para o conhecimento da ecologia de espécies autóctones na fase de germinação e estabelecimento inicial das plântulas através da comparação da resposta de sementes de diferentes proveniências. Os primeiros três capítulos focam-se no estudo dos efeitos de pré-tratamentos na germinação de espécies arbustivas com diferentes estratégias de regeneração e dormência da semente, enquanto os dois últimos capítulos incidem sobre o efeito de diferentes condições de disponibilidade de água na germinação e estabelecimento inicial de plântulas com potencial para restauro ecológico. Este estudo procura abordar aspetos importantes para o estudo e validação do uso de espécies alvo para o restauro ecológico em zonas Mediterrânicas, contribuindo deste modo para a melhoria do conhecimento da ecologia destas espécies. A germinação foi estimulada por pré-tratamentos de calor em quatro das cinco espécies cuja época de dispersão da semente na primavera-verão. As sementes provenientes do sul tenderam a germinar melhor, sendo ao mesmo tempo mais pequenas. Por outro lado, a germinação em espécies cuja dispersão da semente ocorre no outono-inverno variou de acordo com o tipo de dormência da semente. A germinação foi em geral favorecida pela estratificação a frio na espécie apresentando dormência fisiológica mas foi negativamente afetada na espécie que não apresenta dormência. Esta resposta não foi, no entanto, inequívoca pois foi dependente da proveniência estudada. O efeito da estratificação a frio teve em geral um efeito mais positivo ou menos negativo nas sementes provenientes do norte em comparação com as outras proveniências. O stress-osmótico teve um efeito negativo consistente na germinação de Pistacia lentiscus e outro fator que também afetou significativamente a germinação foi a variabilidade intra-populacional entre plantas mãe. As duas proveniências apresentaram diferentes graus de associação entre a germinação e/ou caracteres morfológicos da semente ou planta mãe. Quanto à fase de estabelecimento inicial, o baixo conteúdo em água teve um claro efeito negativo no investimento relativo em biomassa acima do solo e um efeito positivo no investimento relativo em biomassa abaixo do solo em Arbutus unedo. Esta resposta não foi inequívoca, uma vez que as proveniências diferiram em adaptações morfológicas ao baixo conteúdo em água. As plântulas da proveniência mais húmida revelaram uma taxa de crescimento relativo superior mas, ao mesmo tempo, uma fraca adaptação às condições de baixa disponibilidade de água, quando comparadas com as outras proveniências. Ao contrário, as plântulas da proveniência seca com verão mais quente apresentaram semelhantes diâmetro do colo da raiz, peso seco de folhas e performance fisiológica sob os dois regimes de irrigação. Os resultados obtidos revelam diferenças significativas na germinação e desenvolvimento inicial entre as distintas proveniências que poderão estar relacionadas com adaptações ao clima dos locais de origem. Os desenvolvimentos futuros do estudo dos mecanismos subjacentes às adaptações observadas poderiam contribuir para a melhoria das previsões de sucesso do estabelecimento inicial em diferentes populações de plantas, permitindo aumentar a confiança e efetividade de custos nas decisões relacionadas com ações de restauro ecológico em cenários de alterações climáticas.

The present work is composed by a conceptual scheme based on a literature review plus a series of experimental scientific studies. These studies aim at improving the knowledge base of germination ecology and response to water stress in autochthonous shrub species through the comparison of different provenances. The first three chapters focus on the study of the role of pretreatments in the germination of shrub species with different regeneration and seed dormancy strategies while the two last chapters focus on the study of the effect of contrasting water availabilities in the germination and early establishment of species with restoration potential. This study intends to address important aspects for the study and validation of the use of target species for ecological restoration actions in Mediterranean areas, thereby contributing to the improvement of the knowledge of the ecology of these species. Germination in four out of the five species whose seeds are dispersed in spring-summer was enhanced by heat pre-treatments. The seeds from southern provenances tended to germinate better, being at the same time smaller. On the other hand, germination response in autumn-winter seed dispersed species varied according to the type of seed dormancy. Germination was, in general, enhanced by cold stratification in the species presenting physiological dormancy but negatively affected in the species with no dormancy. This response was, however, not unequivocal and depended on the role of provenance. The effect of cold stratification had, in general a more positive or less negative effect in the germination of the northern seeds when comparing to the other provenances. Osmotic-stress had a consistent negative effect on germination of Pistacia lentiscus and another factor that significantly influenced germination was intrapopulation variability between mother-plant. The two provenances presented distinct degrees of association between germination and seed or mother plant morphological traits. As to the early establishment phase, low water content had a clear negative effect on Arbutus unedo seedlings’ aboveground biomass and a positive effect on belowground biomass relative investment. This response was not unequivocal, since provenances differed in morphological adaptations to low water content. Seedlings from the wettest provenance revealed a higher relative growth rate under high water content but a poor adaptation to limited water availability when compared to the other two provenances. By contrast, seedlings from the dry provenance with the hottest summer had similar root collar diameter, leaf dry weight and physiological performance under both watering regimes. The present results revealed significant differences in germination and early development response among different provenances that could be related with adaptations to the climate of the seed source. Further studies on the mechanisms underlying the observed adaptations could contribute to the improvement of early establishment success predictions in different plant populations, allowing more reliable and cost-effective management ecological restoration-related decisions under climate change scenarios.