Ann. For. Sci. 63 (2006) 849-859
DOI: 10.1051/forest:2006068

Differences in morphological and physiological responses to water-logging between two sympatric oak species (Quercus petraea [Matt.] Liebl., Quercus robur L.)

Julien Parelle^{a, b}, Oliver Brendel^a, Catherine Bodénès^c, Daniel Berveiller^{a, d}, Pierre Dizengremel^a, Yves Jolivet^a and Erwin Dreyer<sup>a

a</sup>  Centre INRA de Nancy, UMR INRA-UHP 1137, Écologie et Écophysiologie Forestières, IFR 111 "Génomique, Écophysiologie et Écologie Fonctionnelle", 54280 Champenoux, France
^b  Faculté des Sciences, BP 239, 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy, France
^c  INRA-Université de Bordeaux, UMR 1202, Biodiversité, Génétique, Écologie (BioGEco), 33612 Cestas, Cedex France
^d  Present address: Univ. Paris-Sud, UMR 8079, Laboratoire Écologie, Systématique et Évolution, Bat. 362, 91405 Orsay Cedex, France

(Received 24 October 2005; accepted 1 February 2006 ; published online 9 December 2006)

Abstract - Pedunculate (Quercus robur L.) and sessile (Q. petraea [Matt.] Liebl.) oaks are known to display different ecological requirements, particularly relative to root hypoxia induced by water-logging. Q. robur is more tolerant to hypoxia than Q. petraea. We designed an experiment aiming at identifying morphological and physiological responses to root hypoxia that might differ between the two species. Potted seedlings were submitted during seven weeks to a water-logging treatment with O₂ concentrations below 3 mg L^-1 in the vicinity of roots. The treatment induced growth cessation in both species. Q. petraea displayed a lower tolerance to hypoxia as demonstrated by the higher number of seedlings suffering shoot dieback and leaf chlorosis as compared to Q. robur. This difference should be related to the high number of adventitious roots and hypertrophied lenticels that were formed in Q. robur, compared to Q. petraea. In the fine roots of the two species, the activity of pyruvate decarboxylase (PDC), the key enzyme of the fermentative pathway, was stimulated after 24 h of water-logging. Transcripts of PDC increased after 48 h of water-logging in Q. robur and not in Q. petraea. Interestingly, transcripts of haemoglobin (Hb) (possibly involved in the putative nitric oxide cycle) followed the same pattern of response than those of PDC. Enzymes of the sucrose degradation pathway displayed decreased activities after 3 weeks of water-logging, probably due to decreased carbohydrate availability. Alcohol dehydrogenase (ADH), sucrose synthase (Susy), and pyruvate kinase (PK) activities were higher in Q. robur after 3 weeks of water-logging. This study provided a set of markers characterizing the differences of tolerance to hypoxia between the two species for further studies on intra and inter-specific diversity.

Résumé - Différences de réponses morphologiques et physiologiques à l'ennoyage entre deux espèces sympatriques de chêne (Quercus petraea [Matt.] Liebl., Quercus robur L.). Les chênes pédonculé (Quercus robur L.) et sessile (Quercus petraea [Matt.] Liebl.) présentent des différences de tolérance à l'hypoxie racinaire induite par ennoyage, Q. robur étant plus tolérant que Q. petraea. Nous avons mené une expérience visant à identifier des différences inter-spécifiques dans les réponses morphologiques et physiologiques à l'hypoxie racinaire. Des semis en pots ont été soumis à un ennoyage de 7 semaines avec une concentration en O₂ maintenue en dessous de 3 mg L^-1 au voisinage des racines. Le traitement a provoqué un arrêt de croissance chez les deux espèces. Q. petraea a montré une plus faible tolérance que Q robur, avec un nombre plus élevé de plants présentant un dessèchement de l'appareil aérien ainsi qu'une plus forte chlorose des feuilles. Cette différence pourrait être due au plus grand nombre de racines adventives et de lenticelles hypertrophiées formées au collet de Q. robur. Dans les racines fines des deux espèces, l'activité pyruvate décarboxylase (PDC), enzyme clef de la fermentation alcoolique, a été stimulée après 24 h d'ennoyage. Les transcrits de PDC ont augmenté après 48 h d'ennoyage uniquement chez Q. robur. De façon intéressante, les transcrits d'hémoglobine (Hb) (qui pourrait être impliquée dans la voie de signalisation de l'oxyde nitreux), ont suivi le même profil de réponse que ceux de la PDC. Les enzymes du catabolisme du saccharose ont présenté une diminution d'activité après 3 semaines d'ennoyage, probablement consécutivement à une baisse de la disponibilité en hydrates de carbone. Les activités alcool-déshydrogénase (ADH), saccharose-synthase (Susy), et pyruvate-kinase (PK), ont été plus fortes après 3 semaines d'ennoyage. Cette étude a fourni des marqueurs caractérisant des différences inter-spécifiques de tolérance, qui pourront être utilisés lors d'études ultérieures de diversité intra et inter-spécifique de traits liés la tolérance à l'hypoxie racinaire.

Key words: water-logging / hypoxia / adventitious root / hypertrophied lenticel / carbon metabolism

Mots clés : ennoyage / hypoxie / racine adventive / lenticelle hypertrophiée / métabolisme du carbone

Corresponding author: dreyer@nancy.inra.fr

© INRA, EDP Sciences 2006