La fotosíntesis

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID 
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES 
 
 
 
 
CONDUCTANCIA DEL MESÓFILO EN ESPECIES FORESTALES: IMPLICACIONES 
EN LA RESPUESTA FOTOSINTÉTICA A LA DISPONIBILIDAD DE AGUA Y LUZ. 
 
TESIS DOCTORAL 
 
FRANCISCO JAVIER CANO MARTÍN 
Ingeniero de Montes 
2015
 
 
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID 
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES 
 
 
 
 
CONDUCTANCIA DEL MESÓFILO EN ESPECIES FORESTALES: IMPLICACIONES 
EN LA RESPUESTA FOTOSINTÉTICA A LA DISPONIBILIDAD DE AGUA Y LUZ. 
 
TESIS DOCTORAL 
 
FRANCISCO JAVIER CANO MARTÍN 
Ingeniero de Montes 
2015
 
 
INESTIGACIÓN FORESTAL AVANZADA 
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES 
 
 
CONDUCTANCIA DEL MESÓFILO EN ESPECIES FORESTALES: IMPLICACIONES 
EN LA RESPUESTA FOTOSINTÉTICA A LA DISPONIBILIDAD DE AGUA Y LUZ. 
 
 
FRANCISCO JAVIER CANO MARTÍN 
Ingeniero de Montes 
 
DIRECTORES: 
LUIS GIL SÁNCHEZ 
Doctor Ingeniero de Montes 
ISMAEL ARANDA GARCÍA 
Doctor en Ciencias Biológicas 
 
 
2015
 
 
 
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID 
 
Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día 
.........de ..................de 201... 
 
Presidente: 
Vocal: 
Vocal: 
Vocal: 
Secretario: 
Suplente: 
Suplente: 
 
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día .......... .de ……...................... de 201…. en la 
E.T.S.I. Montes 
 
EL PRESIDENTE LOS VOCALES 
 
 
 EL SECRETARIO 
 
 
 
MENCIÓN DE DOCTORADO INTERNACIONAL 
INTERNATIONAL DOCTORATE MENTION 
 
 
Esta tesis ha sido informada positivamente para su defensa en exposición pública por los 
siguientes investigadores: 
 
This Ph.D. Thesis has been positively evaluated for its defense by the next external reviewers: 
 
 
Prof. David Ellsworth 
Hawkesbury Institute for the Environment 
University of Western Sydney 
 
Dr. José Alberto Ramírez Valiente 
College of Biological Sciences 
University of Minnesota 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
A lo largo de los años que me ha llevado completar esta tesis doctoral (sin duda más de los que 
debiera) he tenido la oportunidad de interactuar con muchas personas que, sin lugar a dudas, han 
contribuido a una mejora en mi formación profesional y a un engrandecimiento personal. 
En primer lugar, he de reconocer que este trabajo no podría haberse realizado sin la confianza 
depositada por mis dos magníficos directores al elegirme como estudiante en un tema complejo, 
pero a la vez muy gratificante. Sin lugar a duda, el entusiasmo, conocimiento y apoyo de ambos han 
marcado la diferencia y ahora que me encuentro redactando las últimas palabras de mi tesis 
solamente me vienen palabras de agradecimiento. Ismael y Luis, fuisteis mis directores de proyecto 
fin de carrera y ahora habéis repetido en la dirección, gracias. Soy muy consciente de los esfuerzos 
que habéis realizado para dotar al laboratorio de un material y una tecnología costosa con la que he 
podido trabajar, al igual que de vuestro apoyo con cada nueva empresa que os proponía comenzar, 
como mi paso por el laboratorio de microscopía electrónica de Transmisión del SIDI donde Paco 
Urbano y Cova tuvieron que lidiar por primera vez con material vegetal, acostumbrados a preparar 
material humano o animal. También quiero mostrar mi agradecimiento al tiempo que me ha 
dedicado Joaquín, también en el SIDI, durante buenas mañanas de conversación encapsulando 
muestras para delta 13 y la aventura con el oxígeno 18. Luis, Ismael recordaré el cariño y afecto que 
me habéis procesado estos años y que también yo os trasmito. 
Especial agradecimiento tengo hacia quien ha sido mi mentor en la conductancia del mesófilo, no 
sólo por haberme desvelado los entresijos de la gm allá por Down Under, sino también, y muy 
especialmente, por lo acogido que me he sentido en las dos estancias que tuve el gusto de realizar 
en la Universidad de Sydney. Sin lugar a dudas, mi recorrido habría sido bien distinto de no haberte 
conocido, Charlie, allá por 2009. Desde entonces la colaboración ha sido creciente al igual que 
nuestra amistad. Deseo que así continúe. 
Las personas se necesitan unas a otras y son muchos los que aseguran que el sentido social y cultural 
es precisamente lo que mejor nos caracteriza como humanos. Con esto quiero resaltar la implicación 
que tienen las personas de nuestro entorno en la consecución de metas científicas y personales. En 
este sentido he tenido la suerte de conocer y beneficiarme de investigadores y compañeros a los que 
también puedo llamar amigos. Mis logros en cierta manera también lo son vuestros. Me refiero a 
Jesús, a los Davides, a Juanan, a Jose Alberto, a Marina, a Fede, a Patri, a Raul, a Jose, a Chechu y a 
tantos más que en la Escuela de Montes o en el INIA hemos compartido inquietudes de todo tipo, el 
café de por la mañana, un cigarrillo, una charla a veces muy visceral (me estoy acordando de nuestro 
querido Journal Club que no consiguió pasar de la tercera sesión si no recuerdo mal, no sé porqué 
sería,…). Una ventaja que tiene el haber dedicado tanto tiempo a la tesis es el tiempo que hemos 
pasado juntos y la cantidad de recuerdos que ahora se arremolinan en mi memoria al pensar en 
vosotros. Os quiero, chicos. 
Lugar especial tiene la familia. Esta tesis está dedicada a ellos, a la memoria de quienes ya no nos 
acompañan, pero a los que cada día echamos de menos y también a los nuevos miembros. Dos cosas 
fabulosas han pasado este año. He conseguido engañar a la chica que más quiero para que se casase 
conmigo “por los papeles” dice ella ... Parece una tontería a la que ni yo mismo le daba importancia, 
pero ahora que hemos dicho el <<sí quiero>> yo te quiero más. Y luego me diste la experiencia más 
gratificante que puede imaginar: el ser papá de Adrián, mi niño querido, que seguramente en unos 
años se avergonzará al leer esta cursilería de su padre, pero que también nos llena de alegría y 
entusiasmo cada día. Papá, Ana y familia Cano y familia López en su conjunto sois mi fuerza y mi 
sostén. 
Las estancias en otros laboratorios han contribuido sustancialmente a mi visión de la fisiología 
vegetal y quiero hacer extensible los agradecimientos antes dedicados a Charlie también a Hervé 
Cochard y su grupo Hydro en Clermont Ferrand. Aunque no directamente relacionado con mi 
temática de tesis doctoral (o si?...), el estudio de las relaciones hídricas y de los mecanismos de 
tolerancia al estrés están íntimamente ligadas a la función fotosintética. Por tus conocimientos, tu 
dedicación al trabajo y el tiempo que he pasado en tu laboratorio muchas gracias Hervé. Tampoco 
me quiero olvidar de Theté y de Catherine que a la vez que me enseñasteis muchas cosas de 
hidráulica, hicisteis que mi tiempo en Francia fuese mucho más agradable de lo esperado por alguien 
que no habla francés. Quiero también realizar un agradecimiento general a los investigadores de la 
ecofisiología vegetal que por su mero trabajo me han hecho partícipe de grandes momentos de 
emoción al descubrirme el mundo apasionante que es la fisiología vegetal y me ilusiona poder 
participar de un gremio pequeño, pero de personas muy entrañables, como lo son todas las 
personas que he ido conociendo en congresos, seminarios y simposios. Gran recuerdo tengo de las 
reuniones del grupo de Ecofisiología y últimamente del magnífico Máster que se celebró por primera 
vez en Palma de Mallorca (espero que continúe muchos años por el gustazo que ha sido compartir el 
día a día con investigadores tan señalados y compañeros muy queridos). 
Finalmente es justo agradecer, y además de verdad, el apoyo económico que tanto la Comunidad de 
Madrid, la Fundación General de la Politécnica y su Consejo Social y la Fundación González Esparcia 
han supuesto en mi sustento cotidiano y la realización de estancias en laboratorios fuerade nuestras 
fronteras. Sin dinero no hay ciencia y, aún más importante, no hay científicos que la desarrollen. Por 
ello, aunque no tenga una vocación científica, pero si social, quiero agradecer al sistema de 
prestaciones al desempleo del INEM la ayuda percibida en estos últimos tiempos. 
 
 
 
Epilogo 
 
‘We shall not cease from exploration 
And the end of all our exploring 
Will be to arrive where we started 
And know the place for the first time’ 
 
 T.S. Elliot, The Waste Land (1922) 
 
 
 
“A la virtud, a una vida, a la ciencia” 
 
(Epitafio de Concepción Arenal 1820-1893)
1 
 
 
CONTENIDO 
RESUMEN ................................................................................................................................................. i 
ABSTRACT .............................................................................................................................................. iii 
1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................................... 1 
1.1. Introducción a la fotosíntesis, proceso difusivo y bioquímico en la fijación de CO2 .................... 1 
1.1.1. El CO2 como base del crecimiento de los vegetales .............................................................. 1 
1.1.2. Origen e importancia de la fotosíntesis. La colonización terrestre por los primeros 
vegetales ......................................................................................................................................... 5 
1.1.3. La fotosíntesis, descripción del proceso bioquímico. ......................................................... 10 
1.1.4. Factores intrínsecos que afectan a la fotosíntesis neta a nivel de hoja. ............................. 14 
1.1.5. Factores extrínsecos que afectan a la fotosíntesis neta a nivel de hoja ............................. 19 
1.2. La conductancia del mesófilo como actor importante en la regulación de la fotosíntesis en 
plantas con metabolismo C3 ............................................................................................................. 20 
1.2.1. Definición y evolución histórica de la terminología ............................................................ 20 
1.2.2. Proceso biofísico. Características del medio en que difunde el CO2 por el interior del 
mesófilo foliar ............................................................................................................................... 21 
1.2.3. Un tema controvertido: la refijación del CO2 emitido por la mitocondria.......................... 24 
1.2.4. La conductancia del mesófilo en el modelo de la fotosíntesis de Farquhar y otros (1980). 
Desarrollos teóricos y evidencias experimentales ........................................................................ 27 
1.3. La conductancia del mesófilo en especies y ecosistemas forestales ......................................... 28 
1.3.1. La conductancia del mesófilo en los distintos tipos funcionales de vegetales. Evolución de 
la conductancia del mesófilo ........................................................................................................ 28 
1.3.2. Factores ambientales reguladores de la conductancia del mesófilo .................................. 31 
1.3.3. Implicaciones de la dinámica forestal y el microambiente asociado a los ecosistemas 
forestales para la conductancia del mesófilo ............................................................................... 34 
1.3.4. El cambio global y la conductancia del mesófilo en ecosistemas forestales ...................... 43 
OBJETIVOS............................................................................................................................................. 49 
3. MATERIAL Y MÉTODOS ..................................................................................................................... 51 
3.1. Diseño experimental en el campo y en condiciones controladas .............................................. 51 
3.1.1. Experimentos en campo: el Hayedo de Montejo de la Sierra ............................................ 57 
3.2. Metodologías experimentales ................................................................................................... 63 
3.2.1. Cuatro metodologías para la estimación de la conductancia del mesófilo: el método 
isotópico, de la tasa de transporte electrónico variable, de la tasa de transporte electrónico 
constante y de la curvatura. ......................................................................................................... 63 
3.2.2. Metodología complementaria a los métodos para la estimación de la conductancia del 
mesófilo ........................................................................................................................................ 72 
3.2.3. Cálculo de las limitaciones a la fotosíntesis neta ............................................................... 77 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................................................... 79 
4.1. El efecto del déficit hídrico en la fase de regenerado y dinámica post-rehidratación .............. 79 
4.1.1. Estudio del intercambio gaseoso ........................................................................................ 82 
4.1.2. Estudio de la metabolómica foliar y ajuste osmótico ......................................................... 95 
4.2. Aclimatación de la fijación de carbono a un cambio en las condiciones lumínicas de plántulas 
crecidas en sombra ......................................................................................................................... 100 
4.3. Interacción de factores: impacto de la luz y el déficit hídrico sobre el ensamblaje de procesos 
funcionales que determinan la fijación de CO2 .............................................................................. 112 
4.3.1. Estudio de la interacción luz – disponibilidad hídrica en brinzales de Fagus sylvatica y 
Quercus pyrenaica. ..................................................................................................................... 113 
4.3.2. Estudio de la interacción luz – disponibilidad hídrica en el dosel forestal. ...................... 123 
4.4. Importancia de la ontogenia en el ensamblaje de procesos funcionales que determinan la 
fijación de CO2 ................................................................................................................................ 137 
4.5. Contribución del CO2 emitido por las mitocondrias a la concentración de CO2 en el cloroplasto 
y su implicación para las estimas de la conductancia del mesófilo ................................................ 139 
5. DISCUSIÓN GLOBAL Y PERSPECTIVAS ............................................................................................. 145 
6. CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 151 
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................................... 153 
ANEXOS .............................................................................................................................................. 189 
Anexo 1. Descripción del modelo de Farquhar y otros (1980) ....................................................... 189 
Anexo 2. Derivación del modelo de Farquhar y otros (1980) para obtener las limitaciones relativas 
a la fijación de carbono .................................................................................................................. 193 
Anexo 3. Artículos publicados en revistas Science Citation Index .................................................. 195 
 
 
 
 
 
Artículos publicados en el contexto de la presente tesis doctoral: 
I FranciscoJavier Cano, David Sánchez-Gómez, Jesús Rodríguez-Calcerrada, Charles R. 
Warren, Luis Gil, Ismael Aranda (2013) Effects of drought on mesophyll conductance and 
photosynthetic limitations at different tree canopy layers. Plant, Cell and Environment 36: 
1961–1980. 
II Francisco Javier Cano, David Sánchez-Gómez, Antonio Gascó, Jesús Rodríguez-Calcerrada, 
Luis Gil, Charles R. Warren, Ismael Aranda (2011) Light acclimation at the end of the 
growing season in two broadleaved oak species. Photosynthetica 49: 581-592. 
III Francisco Javier Cano, Rosana López, Charles R. Warren (2014) Implications of the 
mesophyll conductance to CO2 for photosynthesis and water-use efficiency during long-
term water stress and recovery in two contrasting Eucalyptus species. Plant, Cell and 
Environment 37: 2470–2490. 
IV Charles R. Warren, Ismael Aranda, Francisco Javier Cano (2011) Responses to water 
stress of gas exchange and metabolites in Eucalyptus and Acacia spp. Plant, Cell and 
Environment 34: 1609–1629. 
V Charles R. Warren, Ismael Aranda, Francisco Javier Cano (2012) Metabolomics 
demonstrates divergent responses of two Eucalyptus species to water stress. 
Metabolomics 8: 186–200. 
VI Ismael Aranda, Jesús Rodríguez-Calcerrada, T. Matthew Robson, Francisco Javier Cano, 
Luis Alté, David Sanchez-Gomez (2012) Stomatal and non-stomatal limitations on leaf 
carbon assimilation in beech (Fagus sylvatica L.) seedlings under natural conditions. Forest 
Systems 21: 405-417. 
Artículos en preparación: 
VII Water stress tolerance in Fagus sylvatica and Quercus pyrenaica grown under different 
irradiances: the gas exchange matches ecological different strategies. 
VIII Sun and shade leaves within the canopy response differently to water stress in 
temperate deciduous tree species: the importance of mesophyll conductance to CO2. 
IX Disentangle the contribution of CO2 refixation emitted by mitochondria from the mean 
mesophyll conductance of CO2 under water stress conditions. 
X Gas exchange and ultracellular foliar anatomy in Fagus sylvatica seedlings grown under 
different irradiances and transferred to high light: the importance of mesophyll 
conductance to CO2. 
 
 
Artículos obtenidos en colaboración durante la etapa predoctoral no directamente 
asociados a la presente tesis doctoral. 
I Jesús Rodríguez-Calcerrada, Francisco Javier Cano, María Valbuena-Carabaña, Luis Gil 
(2010) Functional performance of oak seedlings naturally regenerated across microhabitats 
of distinct overstorey canopy closure. New Forests 39:245–259. 
II Jesús Rodríguez-Calcerrada, Peter B. Reich, Eva Rosenqvist, José Alberto Pardos, 
Francisco Javier Cano, Ismael Aranda (2008) Leaf physiological versus morphological 
acclimation to high-light exposure at different stages of foliar development in oak. Tree 
Physiology 28: 761–771. 
 
 
 
i 
 
RESUMEN 
 
La fotosíntesis es el proceso biológico que permite la producción primaria y, por tanto, la vida en 
nuestro planeta. La tasa fotosintética viene determinada por la ‘maquinaria’ bioquímica y las 
resistencias difusivas al paso del CO2 desde la atmósfera hasta su fijación en el interior de los 
cloroplastos. Históricamente la mayor resistencia difusiva se ha atribuido al cierre estomático, sin 
embargo ahora sabemos, debido a las mejoras en las técnicas experimentales, que existe también 
una resistencia grande que se opone a la difusión del CO2 desde los espacios intercelulares a los 
lugares de carboxilación. Esta resistencia, llamada normalmente por su inversa: la conductancia del 
mesófilo (gm), puede ser igual o incluso superior a la resistencia debida por el cierre estomático. En la 
presente tesis doctoral he caracterizado la limitación que ejerce la resistencia del mesófilo a la 
fijación de CO2 en diversas especies forestales y en distintos momentos de su ciclo biológico. En la 
fase de regenerado, hemos estudiado tres situaciones ambientales relevantes en el mayor éxito de 
su supervivencia, que son: el déficit hídrico, su interacción con la irradiancia y el paso del crecimiento 
en la sombra a mayor irradiancia, como puede suceder tras la apertura de un hueco en el dosel 
forestal. En la fase de arbolado adulto se ha caracterizado el estado hídrico y el intercambio gaseoso 
en hojas desarrolladas a distinta irradiancia dentro del dosel vegetal durante tres años contrastados 
en pluviometría. Para cada tipo de estudio se han empleado las técnicas ecofisiológicas más 
pertinentes para evaluar el estado hídrico y el intercambio gaseoso. Por su complejidad y la falta de 
un método que permita su cuantificación directa, la gm ha sido evaluada por los métodos más 
usados, que son: la discriminación isotópica del carbono 13, el método de la J variable, el método de 
la J constante y el método de la curvatura. 
Los resultados más significativos permiten concluir que la limitación relativa a la fotosíntesis por la 
conductancia estomática, del mesófilo y bioquímica es dependiente de la localización de la hoja en el 
dosel forestal. Por primera vez se ha documentado que bajo estrés hídrico las hojas desarrolladas a 
la sombra estuvieron más limitadas por una reducción en la gm, mientras que las hojas desarrolladas 
a pleno sol estuvieron más limitadas por reducción mayor de la conductancia estomática (gsw). 
Encontramos buena conexión entre el aparato fotosintético foliar y el sistema hídrico debido al alto 
grado de correlación entre la conductancia hidráulica foliar aparente y la concentración de CO2 en 
los cloroplastos en distintas especies forestales. Además, hemos mostrado diferentes pautas de 
regulación del intercambio gaseoso según las particularidades ecológicas de las especies estudiadas. 
Tanto en brinzales crecidos de forma natural y en el arbolado adulto como en plántulas cultivadas en 
el invernadero la ontogenia afectó a las limitaciones de la fotosíntesis producidas por estrés hídrico, 
resultando que las limitaciones estomáticas fueron dominantes en hojas más jóvenes mientras que 
las no estomáticas en hojas más maduras. La puesta en luz supuso un gran descenso en la gm 
durante los días siguientes a la transferencia, siendo este efecto mayor según el grado de sombreo 
previo en el que se han desarrollado las hojas. La aclimatación de las hojas a la alta irradiancia estuvo 
ligada a las modificaciones anatómicas foliares y al estado de desarrollo de la hoja. El ratio entre la 
gm/gsw determinó la mayor eficiencia en el uso del agua y un menor estado oxidativo durante la fase 
de estrés hídrico y su posterior rehidratación, lo cual sugiere el uso de este ratio en los programas de 
mejora genética frente al estrés hídrico. Debido a que la mayoría de modelos de estimación de la 
producción primaria bruta (GPP) de un ecosistema no incluye la gm, los mismos están incurriendo en 
una sobreestimación del GPP particularmente bajo condiciones de estrés hídrico, porque más de la 
mitad de la reducción en fotosíntesis en hojas desarrolladas a la sombra se debe a la reducción en 
gm. Finalmente se presenta un análisis de la importancia en las estimas de la gm bajo estrés hídrico de 
la refijación del CO2 emitido en la mitocondria a consecuencia de la fotorrespiración y la respiración 
mitocondrial en luz. 
 
Palabras clave: Conductancia del mesófilo, conductancia estomática, fotosíntesis, fotorrespiración, 
respiración mitocondrial en luz, eficiencia en el uso del agua, δ13C, TEM, metabolómica, ajuste 
osmótico, fluorescencia de la clorofila, estrés oxidativo, conductancia hidráulica foliar, sol-sombra, 
sequía, transferencia, dosel, regeneración forestal. 
 
El estudiante candidato doctor apoya la adopción de las prácticas señaladas en “The San Francisco 
Declaration on Research Assessment (DORA)” para mejorar la forma en que se evalúan los 
resultados de la investigación científica. 
 
http://am.ascb.org/dora/
http://am.ascb.org/dora/
iii 
 
ABSTRACT 
 
Photosynthesisis the biological process that supports primary production and, therefore, life on our 
planet. Rates of photosynthesis are determined by biochemical “machinery” and the diffusive 
resistance to the transfer of CO2 from the atmosphere to the place of fixation within the 
chloroplasts. Historically the largest diffusive resistance was attributed to the stomata, although we 
now know via improvements in experimental techniques that there is also a large resistance from 
sub-stomatal cavities to sites of carboxylation. This resistance, commonly quantified as mesophyll 
conductance (gm), can be as large or even larger than that due to stomatal resistance. In the present 
PhD I have characterized the limitation exerted by the mesophyll resistance to CO2 fixation in 
different forest species at different stages of their life cycle. In seedlings, we studied three 
environmental conditions that affect plant fitness, namely, water deficit, the interaction of water 
deficit with irradiance, and the transfer of plants grown in the shade to higher irradiance as can 
occur when a gap opens in the forest canopy. At the stage of mature trees we characterized water 
status and gas exchange in leaves developed at different irradiance within the canopy over the 
course of three years that had contrasting rainfall. For each study we used the most relevant 
ecophysiological techniques to quantify water relations and gas exchange. Due to its complexity and 
the lack of a method that allows direct quantification, gm was estimated by the most commonly used 
methods which are: carbon isotope discrimination, the J-variable, constant J and the curvature 
method 
 
The most significant results suggest that the relative limitation of photosynthesis by stomata, 
mesophyll and biochemistry depending on the position of the leaf within the canopy. For the first 
time it was documented that under water stress shaded leaves were more limited by a reduction in 
gm, while the sun-adapted leaves were more limited by stomatal conductance (gsw). The connection 
between leaf photosynthetic apparatus and the hydraulic system was shown by the good 
correlations found between the apparent leaf hydraulic conductance and the CO2 concentration in 
the chloroplasts in shade- and sun-adapted leaves of several tree species. In addition, we have 
revealed different patterns of gas exchange regulation according to the functional ecology of the 
species studied. In field grown trees and greenhouse-grown seedlings ontogeny affected limitations 
of photosynthesis due to water stress with stomatal limitations dominating in young leaves and non-
stomatal limitations in older leaves. The transfer to high light resulted in major decrease of gm during 
the days following the transfer and this effect was greater as higher was the shade which leaves 
were developed. Acclimation to high light was linked to the leaf anatomical changes and the state of 
leaf development. The ratio between the gm/gsw determined the greater efficiency in water use and 
reduced the oxidative stress during the water stress and subsequent rehydration, suggesting the use 
of this ratio in breeding programs aiming to increase avoidance of water stress. Because most 
models to estimate gross primary production (GPP) of an ecosystem do not include gm, they are 
incurring an overestimation of GPP particularly under conditions of water stress because more than 
half of An decrease in shade-developed leaves may be due to reduction in gm. Finally, we present an 
analysis of the importance of how estimates of gm under water stress are affected by the refixation 
of CO2 that is emitted from mitochondria via photorespiration and mitochondrial respiration in light. 
 
 
Keywords: mesophyll conductance, stomatal conductance, photosynthesis, photorespiration, 
mitochondrial respiration in the light, water use efficiency, d13C, TEM, metabolomics, osmotic 
adjustment, chlorophyll fluorescence, oxidative stress, leaf hydraulic conductance, sun-shade 
drought, transfer, canopy, forest regeneration. 
 
PhD candidate supports the adoption of the practices specified in "The San Francisco Declaration on 
Research Assessment (DORA)" to improve how results of scientific research are evaluated. 
 
http://am.ascb.org/dora/
http://am.ascb.org/dora/
1 
 
1. INTRODUCCIÓN 
1.1. INTRODUCCIÓN A LA FOTOSÍNTESIS, PROCESO DIFUSIVO Y BIOQUÍMICO EN 
LA FIJACIÓN DE CO 2 
1.1.1. EL CO2 COMO BASE DEL CRECIMIENTO DE LOS VEGETALES 
La visión del tipo de alimento que sustenta el crecimiento y desarrollo de las plantas ha ido 
cambiando desde el concepto clásico de alimento edáfico hasta nuestra actual visión de la 
fotosíntesis. En este apartado se realiza un repaso de los descubrimientos e interpretaciones más 
relevantes en el estudio de la fotosíntesis poniendo especial énfasis en la fijación del CO2 
atmosférico. 
En un principio los clásicos mantenían la opinión mayoritaria de que todo el “alimento” de las 
plantas viene del suelo mineral. Este paradigma lo sostuvieron Aristóteles y sus discípulos al observar 
tallos de parra emergiendo del suelo y creciendo hacia la luz (Arnon 1961). No fue hasta el siglo XVII 
cuando se pudo dar una respuesta experimental diferente. El belga van Helmont cultivó varas de 
sauce en macetas con un peso seco del sustrato conocido y las regó con agua de lluvia durante 5 
años. Al cabo de los mismos cosechó las plantas con cuidado de separar bien las raíces del suelo y 
comparó el peso seco del suelo con el inicial. Los resultados fueron concluyentes: las varas de sauce 
habían experimentado un incremento en masa 164 libras a partir de un peso inicial de 5 libras, 
mientras que de las 200 libras de peso seco del suelo sólo se habían perdido 2 onzas [la libra como 
unidad de masa originalmente usada por van Helmont se debe corresponder con el actual valor de 
453.6 g o quizá con la libra farmacéutica anglosajona equivalente a 373.2 g]. Por lo tanto el aumento 
en peso del vegetal no podía proveer de la materia del suelo y van Helmont lo atribuyó al agua de 
lluvia (en Ortus Medicinae, 1648). Posteriores investigaciones llevaron a Joseph Priestley, en 1771, a 
la demostración de la acción purificante de las plantas sobre el aire necesario para la respiración de 
los animales, incluidos los humanos. La demostración formal consistió en aislar un ratón con una 
planta dentro de probetas de cristal selladas al paso de los gases. Puestos en comunicación, el ratón 
podía respirar normalmente mientras que en ausencia del vegetal el ratón consumía rápidamente el 
volumen de oxígeno del que disponía y esto conllevaba su muerte. De forma similar, también se 
comprobó que la acción del vegetal permitía que no se extinguiera la llama de una vela (Rabinowitch 
1971; Arnon 1982). Estos descubrimientos adquirieron repercusión mundial pues explicaban por 
primera vez cómo tras miles de años de respiración continua de los animales la atmósfera que nos 
envuelve seguía siendo apropiada para nuestra respiración y señalaba a los vegetales como 
causantes de la misma. Sin embargo, repeticiones del mismo experimento llevaron a resultados 
contradictorios y en muchos casos el ratón no llegaba a sobrevivir. 
Introducción 
En 1779, el holandés Jan Ingenhousz aclaró las dudas surgidas al replicar sin éxito el experimento de 
Priestley aportando las siguientes conclusiones: las plantas necesitan la luz del sol para “purificar” el 
aire. Solo las partes verdes del vegetal son capaces de tal acción. El sol, por sí solo, no es capaz de 
purificar el aire. Los descubrimientos de Ingenhousz supusieron la primera evidencia documentada 
de la acción del sol sobre la fotosíntesis. Con el progreso de la química analítica se pudieron aislar a 
finales del siglo XVII los principales gases del aire: oxígeno, nitrógeno y particularmente para el caso 
que nos ocupa el CO2, originalmente llamado “fixed air” por su descubridor, elinglés Joseph Black en 
1754, aunque posteriormente renombrado por Antoine Lavoiser anhídrido carbónico y actualmente 
mejor conocido como dióxido de carbono (Foregger 1957). En 1782 el pastor suizo Jean Senebier 
descubrió que las plantas solo “purifican” el aire si este contiene dióxido de carbono, lo cual 
constituye la primera evidencia experimental de la fijación de CO2 durante la fotosíntesis 
(Rabinowitch 1971). En 1796, Ingenhousz publicó su “Ensayo sobre el alimento de las plantas y la 
renovación del suelo”, en el cual planteaba la hipótesis pionera sobre la función de la luz en la 
fotosíntesis, que suponía la ruptura de la molécula de CO2, liberando el O2 a la atmósfera y fijando el 
carbono para el crecimiento y mantenimiento del vegetal. De esta forma se establecía un punto de 
ruptura con la visión clásica procedente de Aristóteles del suelo como única “fuente alimenticia” 
para los vegetales. Otro suizo, Nicolas Théodore de Saussure, en 1804 publicó “Estudios químicos en 
la vegetación” en el cual y a través del conocimiento de la ley de conservación de la masa (enunciada 
por Lomonosov en Rusia en 1748 y por Lavoisier en Francia en 1770) determinó que el incremento 
en peso del vegetal no se podía deber solamente al CO2 fijado del aire y sugirió que los vegetales 
fijaban el hidrógeno y el oxígeno del agua. Sin embargo, ante la cuestión de qué molécula era la que 
producía el oxígeno durante la fotosíntesis (si era la molécula de CO2 o la de H2O), la respuesta de 
Saussure fue la misma que la dada por van Ingenhousz, el O2 procedía sólo del CO2. Esta visión fue la 
dominante durante todo el siglo XIX (Arnon 1961). 
La conversión de energía lumínica en energía química durante la fotosíntesis fue estudiada por dos 
de los fundadores de la termodinámica: Julius Robert Mayer (1845) y Ludwig Boltzmann (1886). 
Mayer, que había enunciado el principio de conservación de la energía, postula que las plantas no 
son capaces de crear energía sino de convertir la energía solar en la suma de una serie de diferencias 
en energía química. Boltzmann hipotetizaba que la diferencia de temperatura entre la superficie del 
Sol y la de la Tierra se debe a que parte de la energía que llega a la Tierra es usada por las plantas 
para realizar un trabajo (la energía química), aunque también reconoce que para su tiempo es un 
misterio el mecanismo que promueve tal conversión en las plantas. Por tanto en 1845 ya se podía 
disponer de la ecuación general de la fotosíntesis (Rabinowitch 1971): 
𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑙𝑢𝑧 → 𝑂2 + 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑞𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑞. (1) 
, distinta de la ecuación más difundida en los libros de texto, que no suele incluir la energía química 
generada y superior a la energía requerida para reducir el CO2 a una forma orgánica: 
Introducción 
3 
 
6𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂 + 𝑙𝑢𝑧 → 6𝑂2 + 𝐶6𝐻12𝑂6 𝑒𝑞. (2) 
Por entonces, los seres vivos se dividían en dos grupos: las plantas verdes que necesitaban la energía 
radiante del sol para asimilar el CO2 y los organismos sin clorofila que solo podían subsistir 
alimentándose de sustancias orgánicas formadas últimamente por los vegetales fotosintéticos. El 
término y aislamiento de la clorofila (del griego chloros, verde, y phyllos, hojas) lo debemos a los 
químicos franceses Joseph Bienaimé Caventou y Pierre Joseph Pelletier (1818). Dos descubrimientos 
en la década de 1880 pusieron en cuestión la hipótesis de Ingenhousz de la liberación de O2 a partir 
de la partición de la molécula de CO2 por el vegetal en presencia de luz. Winogradsky (1888) 
descubrió las bacterias quimiosintéticas, que no poseían clorofila y asimilaban el CO2 en oscuridad. Y 
Engelmann (1888) descubrió que las bacterias púrpuras realizaban un tipo de fotosíntesis sin emisión 
de oxígeno. Ambos descubrimientos no concordaban con la visión clásica de ruptura del CO2 por 
acción de la luz y la emisión de O2. 
Si la luz no era fundamental para la ruptura del CO2, ¿cuál era su papel en la fotosíntesis tanto de 
plantas como de bacterias? Las reacciones primarias en el mecanismo fotosintético implican un 
proceso cíclico que consiste en una reacción fotoquímica y una reacción sensible a la temperatura 
("fase oscura" o "reacción Blackman"). Este concepto se fundamenta en los efectos de la 
temperatura y la intensidad de la luz sobre la tasa de fotosíntesis, recogidos en "la ley de los factores 
limitantes”, según la cual la reacción más lenta es la que limita la fotosíntesis (Blackman 1905). Los 
estudios realizados por Warburg (1919) demostraron la necesidad de interpretar las propiedades del 
sistema fotosintético como un proceso de dos reacción. El uso de la iluminación intermitente 
contribuyó de forma decisiva a nuestro conocimiento de las reacciones involucradas durante la 
fotosíntesis: una reacción fotoquímica durante la cual la luz es absorbida, y un proceso oscuro que 
lleva a cabo la transferencia de energía para la reducción de CO2 (Emerson & Arnold 1932). La fase 
luminosa constaría de más de una reacción luz, ya que se había demostrado que 4 fotones eran 
necesarios para la reducción de una sola molécula de CO2 (Warburg & Negelein 1923). 
No obstante, Warburg seguía defendiendo la idea de que la emisión de O2 procedía del CO2. Trabajos 
posteriores del holandés Cornelius B. van Niel evidenciaron que la fotosíntesis realizada por 
bacterias anaerobias no producía emisión de O2, y que por tanto la hipótesis de descomposición del 
CO2 en “C” y “O2” no podía mantenerse (van Niel 1932). Más adelante se demostró que los 
cloroplastos aislados emiten oxígeno en presencia de luz y de agentes reductores no naturales como 
el oxalato de hierro, ferricianuro o benzoquinona, lo cual se ha venido a denominar la reacción de 
Hill (Hill 1937; Hill 1939). Samuel Ruben y Martin Kamen utilizaron el isótopo pesado del oxígeno 
(O
18
) para determinar que el oxígeno liberado en la fotosíntesis provenía del agua (Ruben y otros 
1941). van Niel (1949) conjeturó que la acción de la luz tanto en bacterias purpúreas como en 
quimiosintéticas provocaba la fotólisis de la molécula de agua, que resulta en un elemento reductor 
(H
+
) y un oxidante (OH
-
), siendo el último el precursor de la molécula de oxígeno en los vegetales y 
Introducción 
cianobacterias. Sin embargo, la fotólisis del agua por una radiación del nivel de energía próxima a la 
de la luz visible era una reacción desconocida por la química del momento (para más información de 
la molécula de agua en el fotosistema II ver (Tommos & Babcock 1998)). Tampoco se explicaba cómo 
se podía reducir el CO2 hasta constituir una molécula orgánica. 
La hipótesis de reducción del CO2 surgió como un mecanismo antagónico al bien estudiado de la 
glicolisis, es decir, un conjunto de reacciones químicas en oscuridad que en la fotosíntesis 
dependerían únicamente de los productos formados por la reacción en luz, el ATP y el NADPH. Esta 
hipótesis fue formulada por Ruben (1943) y distinguía dos fases llevadas a cabo en oscuridad: la fase 
de carboxilación, dependiente solamente de la energía suministrada por el ATP, y una fase reductiva 
en la que intervienen tanto el NADPH como el ATP. En los años siguientes la visión de Samuel Ruben, 
codescubridor del isótopo radiactivo 
14
C, recibió soporte experimental en el trabajo de Melvin Calvin 
y sus colaboradores Andrew Benson y James Bassham en el también laboratorio de radiación en 
Berkeley, que identificaron el fosofoglicerato (3-PGA), como producto inicial de la fotosíntesis que 
procede de la división de un compuesto de 6 carbonos formado por la unión de Ribulosa difosfato 
(RuBP) y el CO2 (Calvin 1956). Previamente se comprobó experimentalmente que los cloroplastos por 
si solos eran capaces de generar ATP sin la intervención de las mitocondrias (Arnon, Allen & Whatley 
1954), hasta el momento el único orgánulo descubierto capaz de generar ATP mediantefosforilación 
oxidativa. El descubrimiento de la implicación del NADP+ como aceptor de los electrones 
procedentes de las clorofilas centro de reacción y su papel en la fijación de carbono fue anterior 
(Vishniac & Ochoa 1951). 
La enzima capaz de fijar el CO2 fue descubierta por Wildman y Bonner (1947) y Weissbach, Horecker 
y Hurwitz (1956) purificaron la enzima y comprobaron que formaba PGA a partir de RuBP y CO2. 
Inicialmente la denominaron “RuBPC-ase”, debido a su actividad carboxylasa, posteriormente se 
comprobaría que la enzima es capaz de oxidar la RuBP en presencia de oxígeno para producir una 
molécula de PGA y fosfoglicolato. La actividad oxigenasa fue inicialmente propuesta por Ogren y 
Bowes (1971). Mediante marcaje con carbono 14 se confirmó poco tiempo después que el 
fosfoglicolato era producto de la acción oxigenasa de la enzima y que en el proceso se consumía una 
molécula de oxígeno (Andrews, Lorimer & Tolbert 1973; Lorimer, Andrews & Tolbert 1973). Al añadir 
oxígeno 18 se verificaba que el oxígeno se incorporaba a la molécula de fosfoglicolato, pero no al 
PGA (Jensen & Bahr 1977). Todos los organismos fotosintéticos asimilan CO2 para formar 
carbohidratos mediante la acción de la ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa/oxygenasa (EC.4.1.1.39) 
llamada normalmente como Rubisco. Debido a su importancia en el metabolismo de los organismos 
vegetales, a su relativamente baja especifidad por el CO2 y competencia con el O2 y lenta catálisis 
(Tcherkez, Farquhar & Andrews 2006), es la proteína más abundante en ecosistemas terrestres y, 
aunque en ecosistemas acuosos su abundancia puede ser menor, posiblemente también lo sea en 
ecosistemas marinos (Losh, Young & Morel 2013; Raven 2013). Los resultados de un estudio reciente 
llevado a cabo sobre las cinéticas enzimáticas de la Rubisco en distintos organismos 
Introducción 
5 
 
fotosintetizadores, sugiere que la especifidad de la Rubisco por el CO2 no es el principal 
determinante de la eficiencia de la enzima sino el equilibrio entre la velocidad de carboxilación y la 
afinidad por el CO2 (Savir y otros 2010). Por tanto la presencia de O2 tiene un efecto moderado en la 
actividad de la enzima que estaría más directamente relacionada con la concentración de CO2 en el 
lugar de carboxilación (Savir y otros 2010; Galmés y otros 2014b; Galmés y otros 2014c). 
1.1.2. ORIGEN E IMPORTANCIA DE LA FOTOSÍNTESIS. LA COLONIZACIÓN 
TERRESTRE POR LOS PRIMEROS VEGETALES 
En la fotosíntesis oxigénica, el CO2 atmosférico es fijado mediante la energía lumínica del sol con la 
obtención de energía química y liberación de oxígeno (O2) a la atmósfera. La aparición de la 
fotosíntesis supuso un cambio transcendental no sólo para la evolución de la vida en la Tierra sino 
que transformó en sí la propia composición de la atmósfera terrestre. En este apartado se resumen 
los acontecimientos evolutivos más relevantes que permitieron la colonización terrestre por los 
vegetales, con especial hincapié en el origen de los caracteres anatómicos y fisiológicos que 
confieren: tolerancia a la deshidratación, adaptación y competencia por la luz solar y mayores tasas 
fotosintéticas mediante el aumento de la conductancia del CO2 y que son objeto de estudio en la 
presente tesis doctoral. 
Con la aparición de los primeros organismos fotosintéticos oxigénicos, se estima que las 
cianobacterias surgieron hace alrededor de 2700 Ma (Canfield 2005), la vida en la Tierra ha 
cambiado drásticamente. La acción biológica produjo el cambio de una atmósfera primitiva 
débilmente reductora a una oxidante, que a la postre daría origen a la formación de la capa de ozono 
(Kasting 1993). Las formas de vida aeróbicas, debido al mayor rendimiento energético obtenido por 
la oxidación de la materia orgánica, fueron capaces de constituirse en especies multicelulares 
(Halliwell 2006) y, con la protección brindada por la incipiente capa de ozono frente a los rayos 
ultravioleta, la vida dejó de estar constreñida a los océanos para colonizar la tierra emergida. El 
asentamiento de los primeros vegetales motivó el desarrollo del suelo como unidad biogeofísica 
para el desarrollo de la vida en tierra (Algeo & Scheckler 1998) y aumentó, en consecuencia, la 
superficie de ocupación de los vegetales y por tanto la actividad fotosintética. La práctica totalidad 
del oxígeno atmosférico, actual y pasado, procede de la disociación de moléculas de agua realizada 
por los organismos fotosintéticos (Lyons, Reinhard & Planavsky 2014), tanto por las pioneras 
cianobacterias (procariotas) como por modernas algas y plantas eucariontes (reino Plantae), cuya 
existencia se remonta hasta más de 1500 Ma (Yoon y otros 2004). En el transcurso de la evolución y 
expansión biológica, y ligados a ésta, los niveles de O2 en la atmósfera han variado 
considerablemente, experimentando momentos de mayor y menor concentración de O2 en el aire 
(Fig.1). Por ejemplo, el máximo estimado de O2 en la atmósfera fue superior al 30% en volumen hace 
300-280 Ma (al final del Carbonífero), frente al nivel actual de 21%, motivado por la expansión y 
Introducción 
desarrollo de plantas vasculares sobre tierra firme, pertenecientes principalmente a los grupos de 
lycopodios, helechos arborescentes y pteridospermatófitos (DiMichele, Pfefferkorn & Gastaldo 2001; 
Berner 2006). De igual manera, los niveles de CO2 han sufrido importantes variaciones 
paleohistóricas resultando una disminución acusada del CO2 atmosférico al final del Devónico y 
comienzo del Carbonífero (Fig. 1). 
 
Figura 1. Filogenia y evolución de algunas características morfológicas relevantes en las relaciones 
hídricas de los vegetales terrestres durante el Fanerozoico. En el gráfico superior se muestran la 
evolución del CO2 y de la temperatura media terrestre en distintos periodos geológicos (O, 
Ordovícico; S, Silúrico; D, Devónico; C, Carbonífero; P, Pérmico; Tr, Triásico, J, Jurásico; K, Cretácico; 
Pa, Paleógeno; N, Neógeno), reproducido de Sack y Scoffoni (2013) con autorización de © 2013 The 
Authors New Phytologist © 2013 New Phytologist Trust, junto con la concentración estimada de O2 
en la atmósfera según Berner (2006). En gris claro se muestra el posible origen del metabolismo 
CAM en las gnetales (Keeley & Rundel 2003) y en gris oscuro la aparición del metabolismo C4 en 
plantas terrestres (Tipple & Pagani 2007; Sage, Sage & Kocacinar 2012). En el gráfico inferior se 
muestran distintos órdenes filogenéticos, señalándose la abundancia de restos fósiles según el ancho 
O
2
in
 a
tm
o
s
p
h
e
re
(%
)
1
0
2
0
3
0
O2
C
A
M
C
4
Introducción 
7 
 
de la línea negra, y el momento de aparición de los distintos caracteres (reproducido de Pittermann 
(2010) con autorización de © 2010 Blackwell Publishing Ltd.). 
 
Los primeros organismos fotosintéticos que colonizaron las tierras continentales, hace alrededor de 
850 Ma (Knauth & Kennedy 2009), ocuparon probablemente zonas húmedas y sombrías no distantes 
de las fuentes de agua necesarias para su reproducción y mantendrían una estructura ectohídrica, 
con conducción de agua capilar por su superficie (Franks & Brodribb 2005). La conducción de agua 
ectohídrica de los primitivos briófitos les mantenía próximos a las láminas de agua para asegurar un 
estado hídrico adecuado y permitir a su vez la reproducción, ya que los gametos flagelados necesitan 
el medio acuoso para alcanzar el arquegonio femenino (Renzaglia y otros 2000). Las hepáticas, 
posiblemente de la clase Marchantiopsida, supusieron el comienzo de un cambio radical en la 
conducción del agua ligado al desarrollo de una cutícula semi-impermeable tanto al agua como al 
CO2 (Franks & Brodribb 2005). Por un lado desarrollaron poros en el esporofito inicialmente ligados a 
facilitar la liberación de las esporas (Renzaglia y otros 2000), y mediante el desarrollo de la cavidad 
subestomática se facilitó el intercambio gaseoso necesario parala fotosíntesis a la par que 
incrementó la WUE (Edwards, Kerp & Hass 1998; Raven 2002). Por otro lado, la primitiva conducción 
de agua ectohídrica pasa a ser endohídrica (conducción de agua por el interior del vegetal) con el 
desarrollo de células hidroides y posteriormente traqueidas (Fig. 1) (Franks & Brodribb 2005; 
Ligrone, Duckett & Renzaglia 2012). La conducción ectohídrica supone falta de regulación de las 
pérdidas de agua que solo dependen de la condiciones ambientales (temperatura, humedad relativa, 
velocidad del viento,…). Sin embargo, la regulación endohídrica permite la circulación por el interior 
del vegetal desde el suelo húmedo hasta los lugares de evapotranspiración más distales. El cambio 
en la conducción de agua también supuso el cambio de una estrategia poiquilohídrica, en la que la 
falta de control de las pérdidas de agua de la conducción ectohídrica está asociada a un alto grado de 
tolerancia a la desecación de los tejidos, frente a la homeohídrica de los actuales vegetales que 
mantienen un nivel alto y relativamente constante del contenido hídrico; agua obtenida 
generalmente por las raíces, surgidas posiblemente a partir de rizomas (Ligrone y otros 2012). El 
modelo de transporte de agua endohídrico básico ha cambiado relativamente poco con el curso de 
la diversificación vegetal terrestre, ya que a pesar de mayores eficiencias en la conducción de agua, 
resistencia a la cavitación o mejor control estomático, los componentes regulatorios básicos del 
estado hídrico de la planta han seguido siendo la cutícula, los estomas y la conducción endohídrica 
(Franks & Brodribb 2005). 
Una ventaja fundamental de las plantas que fotosintetizan en el aire frente a las acuáticas es que la 
difusión del CO2 es 10000 superior en el aire que en el agua, y por tanto una película de agua de 
1mm de espesor supone una resistencia a la difusión del CO2 equivalente a 10 m en aire. Sin 
embargo, el déficit de saturación de presión de vapor de agua de la atmósfera supone una pérdida 
de agua en los tejidos vegetales. Como hemos visto, un recurso que adquirieron los primeros 
Introducción 
briófitos fue revestir sus órganos aéreos con material antitranspirante, la cutícula (c. 450 Ma). Sin 
embargo, la cutícula ejerce una gran resistencia a la difusión del agua, pero aún mayor a la difusión 
del CO2 (Boyer, Wong & Farquhar 1997). Posteriormente, una clase dentro de las hepáticas, la 
Marchantiopsida, desarrolló poros en la dermis semi-impermeable, que sin tener ni la morfología ni 
la dinámica de apertura y cierre de los modernos estomas facilitó un mayor intercambio de gases 
según gradientes de concentración: el vapor de agua sale del interior de la hoja al igual que el 
oxígeno y el CO2 entra; a la vez que limitaba las pérdidas de agua mediante su cierre cuando el 
estado hídrico del vegetal era bajo (Raven 2002; McAdam & Brodribb 2013). 
En estos momentos habría dos tipos mayoritarios de organismos fotosintéticos, aquéllos que 
realizaban algún tipo de mecanismo de concentración de CO2 (CCM) y otros que mantenían la 
enzima fijadora de CO2 (Rubisco) en mayor contacto con el O2 ambiental (típica fotosíntesis C3). La 
diferencia fundamental entre ambos tipos estriba en la menor fotorrespiración de los primeros, al 
mantener a la enzima Rubisco aislada por una envoltura proteica, conocida como pirenoide, pero a 
costa de mayor demanda energética y por tanto de mayores tasas de transporte electrónico 
tilacoidal, es decir, requieren mayor demanda lumínica ya que resultan menos eficientes en 
condiciones umbrosas. Sin embargo, los primeros vegetales terrestres necesitaron estar en contacto 
con el agua y en condiciones umbrosas para evitar su deshidratación. En estas condiciones, las 
resistencias que ofrecen a la difusión de CO2 tanto la anatomía primigenia del talo como la película 
de agua superficial que la recubre limitaron la fotosíntesis de las primeras briófitas, y el desarrollo de 
estructuras aéreas internas supuso probablemente una ventaja competitiva al disminuir la 
resistencia a la difusión del CO2 por el interior del vegetal (Meyer, Seibt & Griffiths 2008). Meyer y 
otros (2008) demostraron que las hepáticas poseedoras de talo ventilado no sólo incrementarían su 
tasa fotosintética en condiciones umbrosas, sino que especialmente incrementarían la eficiencia en 
el uso de agua (WUE, por sus siglas en inglés), el cociente entre la fijación neta de CO2 y las pérdidas 
de agua asociadas a la transpiración, gracias a incrementar su conductancia del mesófilo (gm). 
Las especies con talo ventilado resultarían más productivas en condiciones umbrosas y húmedas, 
mientras que su mayor WUE disminuye el aislamiento de los primitivos briófitos al contacto 
permanente con las fuentes de agua y permite una expansión hacia ambientes más áridos y 
soleados. Por tanto, el desarrollo del talo ventilado puede considerarse el primer episodio evolutivo 
donde una mayor conductancia del mesófilo favoreció el metabolismo de los actuales vegetales C3 
frente a los otros grupos filogenéticos con metabolismo CCM-pirenoide que resultarían menos 
competitivos y quedarían relegados a los ambientes sombríos y húmedos en que actualmente 
podemos encontrarlos (Meyer y otros 2008). Sin embargo, esta teoría se ha puesto recientemente 
en entredicho al haberse perdido y recuperado la capacidad de CCM vía pirenoide en los antoceros 
en repetidas ocasiones durante los últimos 100 Ma (Villarreal & Renner 2012). No obstante, las 
plantas con metabolismo C3 compensarían la mayor exposición de la Rubisco al O2 mediante un 
incremento en su factor de especifidad (Sc/o), es decir aumentando la afinidad de la Rubisco por el 
Introducción 
9 
 
CO2 frente al O2. Así, las algas verdes, con mecanismo CCM, poseen un Sc/o de alrededor de 60 frente 
al valor de las modernas plantas C3 de 80-90 (Jordan & Ogren 1981), que a su vez es similar al de 
diversas especies de helechos (Jordan & Ogren 1983; Gago y otros 2013). Sin embargo, el aumento 
en especifidad de la Rubisco se produce a expensas de una menor tasa de carboxilación de la 
Rubisco (Jordan & Ogren 1981; Tcherkez y otros 2006). No obstante, en la atmósfera en que se 
desarrollaron las primeras briófitas el CO2 era abundante y el factor más limitante para la fotosíntesis 
lo constituye la irradiancia. En este contexto, la aparición de la cavidades subestomáticas ligadas al 
talo ventilado propiciaron mayores tasas fotosintéticas, estando asociadas a su vez a un esporofito 
capaz de alcanzar mayor altura y diseminar las esporas más efectivamente, como en el caso de los 
musgos. Resulta relevante señalar la rápida coevolución de los estomas, células hidroides y 
formación de traqueidas (Fig. 1). Aquellas plantas capaces de absorber más cantidad de luz 
realizarían más fotosíntesis, tendrían mayores crecimientos y alcanzarían por tanto mayor difusión. 
A modo de resumen podemos decir que el metabolismo fotosintético C3, el transporte de agua 
endohídrico y el esporofito como forma vegetal dominante, frente al gametofito de las briófitas, son 
los componentes básicos que darían origen a los modernos vegetales vasculares. La competencia 
creciente por el acceso a la luz en los lugares húmedos, así como la adaptación a medios más xéricos, 
constituyeron importantes fuerzas de presión selectiva que permitieron una progresiva complejidad 
de los órganos fotosintéticos y la diversidad de las especies vegetales. El engrosamiento de la pared 
celular y la acumulación de compuestos fenólicos en la misma darían origen a células hidroides 
especializadas en la conducción de agua. Su evolución en traqueidas confiere además soporte 
mecánico a la biomasa aérea y permite un eficiente sistema hidráulico. El desarrollo de rutas 
metabólicas que confieren tolerancia a la desecación y al aumento térmico permitieron a los 
vegetales primitivos crecer en altura y expandirse sobre terrenos cada vezmás alejados de la fuente 
de agua, y mediante las primitivas raíces fueron creando un sustrato apropiado para el anclaje, 
adsorción de nutrientes y retención de agua. 
En periodos geológicos posteriores, donde el balance entre la carboxilación y la oxigenación 
resultaba poco ventajoso para los organismos con metabolismo C3, nuevas formas de concentrar el 
CO2 en torno a la Rubisco fueron adoptadas por algunos clados vegetales terrestres para disminuir la 
fotorrespiración (plantas con metabolismo C4 y CAM, Crassulacean Acid Metabolism). Así se estima 
que al final del carbonífero, cuando existía una alta concentración de oxígeno atmosférico surgieron 
las plantas CAM (Keeley & Rundel 2003), que acumulan el CO2 principalmente en momentos con 
baja demanda evaporativa (Still y otros 2003; Lüttge 2004). En los últimos 25 My surgieron las 
plantas C4 en una atmósfera empobrecida en CO2 respecto a épocas anteriores (Tipple & Pagani 
2007; Sage y otros 2012) (Fig. 1). En ambientes acuosos donde la difusividad del CO2 es baja 
predominan las algas y cianobacterias con mecanismos para concentrar el CO2 en el lugar de 
carboxilación (CCM). En terreno continental con climas cálidos y con estacionalidad en las 
Introducción 
precipitaciones (zona tropical y desiertos) las pérdidas que se producen por fotorrespiración son 
importantes y las plantas con metabolismo C4 y CAM son abundantes ya que además son más 
eficientes en el uso del agua y los nutrientes inorgánicos. En zonas templadas y ecuatoriales la 
vegetación dominante es de arbórea tipo C3, ya que las temperaturas mésicas y la abundancia de 
agua les hacen ser más competitivas que las herbáceas del tipo C4 o que las plantas CAM. 
Actualmente se está desarrollando un gran número de estudios orientados a tratar de introducir los 
mecanismos de concentración de CO2 de especies C4 en especies tipo C3, como el arroz y el trigo, 
donde el conocimiento de los genes reguladores de las rutas metabólicas del CO2 resultan esenciales 
(von Caemmerer, Quick & Furbank 2012; Price y otros 2013). Sin embargo, el estudio de los 
metabolismos C4 y CAM, al igual que otros mecanismos CCM, está fuera del alcance de la presente 
tesis doctoral. 
1.1.3. LA FOTOSÍNTESIS, DESCRIPCIÓN DEL PROCESO BIOQUÍMICO. 
La tasa de fotosíntesis depende tanto de factores relacionados con la difusión del CO2 hasta el lugar 
de carboxilación como de la bioquímica asociada con la fotoquímica de la membrana tilacoidal. La 
fotosíntesis oxigénica implica la reducción de moléculas inorgánicas de CO2 en el estroma 
cloroplástico por los electrones obtenidos de la disociación de la molécula de agua mediante energía 
luminosa (Blankenship 2014). Las reacciones que llevan a la fijación del CO2 atmosférico en 
moléculas orgánicas se suelen agrupar en aquellas directamente reguladas por la absorción de luz 
(fase luminosa), que suponen la producción de ATP y NADPH, y las catalizadas por enzimas en el 
estroma cloroplástico que usan los productos de la primera en la fijación del CO2 (fase oscura). Sin 
embargo, esta distinción es meramente didáctica, ya que existe una regulación de la fase luminosa 
por las reacciones que ocurren en la conocida como fase oscura, lo que se ha llamado “control 
fotosintético” (Foyer y otros 1990). A continuación se exponen ambos procesos ya que nos 
permitirán interpretar la respuesta fotosintética objeto de esta tesis. 
En la fase luminosa, la energía lumínica genera un transporte de electrones a través de distintas 
proteínas inmersas en los tilacoides del cloroplasto. El flujo de electrones puede ser lineal (los 
electrones pasan) o cíclico a través del fotosistema I (PSI). Los fotones de una determinada longitud 
de onda son capturados por los pigmentos antena (clorofilas y carotenoides) localizados en los 
fotosistemas (PS) de la membrana tilacoidal de los cloroplastos. La transferencia de la energía 
absorbida por los pigmentos de la antena se pasa rápidamente de una a otra molécula mediante 
resonancia en los dobles enlaces que conforman los pigmentos. La excitación energética es 
canalizada hasta una clorofila centro de reacción (P680 en el PSII y P700 en el PSI), que tiene un 
potencial redox ligeramente inferior al de los pigmentos antena que la rodean (Emerson & Arnold 
1932). Según el modelo de Vredenberg-Duysens una antena grande está acoplada a varios centros 
de reacción, de tal suerte que si un centro de reacción no puede recibir la excitación procedente de 
la antena existe una larga probabilidad de que la energía pueda acabar en otro centro de reacción 
Introducción 
11 
 
abierto (Vredenberg & Duysens 1963). El potencial redox de los estados excitados de los 
fotosistemas P680* y P700* es muy alto permitiendo la emisión de un electrón a moléculas con 
menor potencial. Cuando se ha producido la disociación de cargas el centro de reacción se denomina 
cerrado, ya que no puede recoger la excitación energética de la antena hasta que por la disociación 
de la molécula de H2O recupere el electrón perdido, y emita dioxígeno (O2) (Yano y otros 2006). 
La excitación lumínica que es absorbida por los pigmentos antena puede seguir la vía fotoquímica y 
generar una cadena de transporte de electrones o una vía no fotoquímica, eliminándose la 
excitación en forma de disipación térmica, generarse un estado de alta excitación de la clorofila que 
deriva en especies reactivas de oxígeno y, en menor medida, re-emitiendo la excitación como 
fluorescencia (Müller, Li & Niyogi 2001). La fluorescencia de la clorofila es la emisión de fotones a 
mayor longitud de onda que los fotones absorbidos y puede ser determinada con un fluorómetro. La 
señal que llega al fluorómetro procede del conjunto de la fluorescencia emitida por los centros de 
reacción abiertos o cerrados que absorben la radiación (Strasser, Srivastava & Tsimilli-Michael 2004), 
y por tanto, el comportamiento de la fluorescencia de la clorofila se fundamenta en la dinámica de 
los centros de reacción en relación a la luz absorbida (Baker, Harbinson & Kramer 2007). Los modelos 
de fluorescencia de clorofila estudian las probabilidades de ocurrencia de una fluorescencia en 
función del tiempo, intensidad y longitud de la luz incidente, la conocida curva de Kautsky (Kautsky & 
Hirsch 1931), y permiten realizar estimas del estado de los fotosistemas y cuantificar la cantidad de 
energía luminosa que sigue la vía fotoquímica o es disipada por los mecanismos anteriormente 
señalados. La clorofila de la fluorescencia será estudiada en diversos experimentos y resulta 
fundamental para la aplicación de algunos de los métodos usados para estimar la conductancia del 
mesófilo. 
Mediante la emisión de electrones en los fotosistemas pasamos de hablar de energía 
electromagnética a energía bioquímica, existiendo flujo de electrones a través de las diversas 
proteínas tilacoidales a favor de gradiente en potencial redox. El flujo de electrones produce 
acumulación de protones en el lumen tilacoidal. Lo cual genera una diferencia de pH con el estroma 
y permite la generación de ATP (quimiosíntesis) por el paso de los H
+
 a través de las ATPasas 
tilacoidales. Existen dos modos predominantes de flujo electrónico: el lineal (LEF), o no cíclico, que 
lleva el electrón del agua al NADP
+
 vía fotosistema II (PSII) al fotosistema I (PSI) en serie 
(representación en Z, al existir dos picos de potencial correspondientes a P680* y P700*) (Hill & 
Bendall 1960; Duysens, Amesz & Kamp 1961), por lo tanto produce NADPH y ATP. El otro flujo de 
electrones es cíclico sobre el PSI (CEF) que no conlleva la producción de NADPH, pero sí de ATP 
(Blankenship 2014). En condiciones normales el flujo de electrones mayoritario es el LEF generando 
ATP y NADPH, sin embargo el CEF se incrementa en determinadas situaciones donde la radiación 
absorbida no puede trasladar al LEF (por ejemplo en situaciones de fuerte irradiación y temperaturas 
bajasque reducen la movilidad de las proteínas tilacoidales) o cuando la demanda de ATP respecto 
Introducción 
al consumo de NADPH es alto (por ejemplo ante estrés hídrico). El CEF permite liberar de excitación 
el PSI, lo cual limita la formación de moléculas reactivas de oxígeno (ROS) y previene la fotoinhibición 
del PSI, mientras que bombea protones al lumen tilacoidal, generando una fuerza protón motriz y la 
síntesis de ATP (Rumeau, Peltier & Cournac 2007). Otras vías alternativas del flujo de electrones 
incluyen la reacción de Mehler, también conocida como ciclo del agua-agua (porque por acción de la 
luz en el fotosistema II se liberan dos electrones de la molécula de H2O que terminan reduciendo el 
oxígeno a H2O2, y posterior conversión de nuevo del H2O2 otra vez a H2O mediante la concurrencia 
de especies reductoras) o la reducción del nitrito (Neyra & Hageman 1974; Heber & Walker 1992). 
Las vías alternativas de electrones actúan disipando rápidamente parte la excitación que no puede 
seguir la vía fotoquímica, y reduciendo la formación de ROS, por ejemplo en una rápida transición de 
oscuridad a luz (Asada 2006). Cuando la radiación excede la capacidad fotosintética de forma 
continuada, otras formas de captación y disipación de la energía electromagnética en forma de 
disipación térmica tienen lugar (especialmente relevantes en la vía no fotoquímica). Entre ellas 
destaca el papel de los carotenoides, pigmentos presentes en los fotosistemas, y especialmente de 
las xantofilas, que mediante sus estados de oxidación son capaces de emitir gran cantidad de energía 
en exceso en forma de radiación de onda larga (Bilger & Björkman 1990; Demmig-Adams & Adams Iii 
1996; Niyogi, Grossman & Björkman 1998). Si el exceso de luz en comparación con la actividad 
fotosintética es prolongado en el tiempo, por ejemplo en condiciones de sequía o de bajas 
temperaturas, otros mecanismos que implican expresión génica tienen lugar, existiendo respuestas 
adquiridas sistémicas a la aclimatación al exceso de irradiancia (Li y otros 2009). 
La fijación del carbono atmosférico (CO2) ocurre en el ciclo reductor de Calvin-Benson en el estroma 
cloroplástico. En la reacción de carboxilación, la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa 
(Rubisco) fija una molécula de CO2 a una molécula de ribulosa-1,5-bisfosfato (RubP) obteniéndose 
dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3-PGA). Las moléculas de 3-PGA serán reducidas a 
gliceroaldehido-3-fosfato (G-3-P), mediante consumo de productos finales del transporte electrónico 
tilacoidal (ATP y NADPH). Las moléculas de G-3-P, son importantes en el crecimiento del vegetal, ya 
que inicia las rutas de síntesis del almidón, sacarosa o de los isoprenoides, liberando de esta forma 
grupos fosforilo (Pi) necesarios para regenerar las triosas fosfato y con ellas la RubP (Sharkey 1985). 
Otras moléculas de G-3-P seguirán en el ciclo de Calvin-Benson para regenerar la RubP, a través de 
las pentosas fosfato que permiten generar moléculas de 5C (ej. RubP) a partir de moléculas de 3C y 
6C. Intermediarios de este ciclo son punto de partida de nuevas rutas del metabolismo secundario, 
como la ruta sintética del ácido sikímico, precursor de ciertos aminoácidos y de la lignina (Raines 
2003). 
El oxígeno compite con el CO2 por el centro activo de la enzima Rubisco, causando que la Rubisco 
catalice la producción de un compuesto oxidado, el fosfoglicolato2-P, y de una molécula de 3-PGA al 
unirse el O2 con la RuBP, fenómeno conocido como fotorrespiración (Bowes, Ogren & Hageman 
1971). A través del ciclo oxidativo del glicolato (también llamado ciclo C2 debido a que el glicolato 
Introducción 
13 
 
tiene dos átomos de carbono) se recupera una molécula de 3-PGA (3 carbonos) por cada dos 
moléculas de glicolato, que será incorporada de nuevo al ciclo de Calvin-Benson para regenerar la 
RuBP, y con la emisión de una molécula de CO2 (Zelitch 1959; Laing, Ogren & Hageman 1974). El ciclo 
del glicolato conlleva una serie de reacciones que tienen lugar en distintas compartimentaciones 
subcelulares: cloroplastos, peroxisomas, mitocondrias y citosol (Kisaki & Tolbert 1969)(ver Fig. 2). El 
ciclo del glicolato está también implicado en el ciclo del nitrógeno y en la formación de aminoácidos 
ya que por cada dos glicinas, en la mitocondria se genera una molécula de serina, y se libera una 
molécula de CO2 y otra de NH4
+
 que se reincorpora al ciclo C2 en forma de glutamina ya en el 
cloroplasto (Woo, Berry & Turner 1978). En consecuencia la fotorrespiración supone una pérdida de 
una molécula de CO2 por cada 2 moléculas de glicolato (emisión del 30% de carbono fijado en el ciclo 
de Calvin-Benson en la mayoría de especies C3) con el gasto añadido de energía metabólica (2 ATP) y 
de poder reductor (dos moléculas de ferredoxina reducida) para recuperar el nitrógeno perdido en la 
mitocondria. No obstante, mediante el ciclo del glicolato se consumen productos finales de la 
cadena de trasporte electrónico (ATP y Fd H
+
) que disminuyen el riesgo de fotoinhibición en 
condiciones de alta irradiancia, temperatura y estrés hídrico. 
Para mayor detalle se recomienda la consulta de popular libro “Molecular Mechanisms of 
Photosynthesis” recientemente actualizada en la segunda edición, Blankenship (2014). 
 
Figura 2. Fotografía con un microscopio electrónico de transmisión (TEM) de una célula del 
parénquima en empalizada de haya (Fagus sylvatica L.) tomada a 30000 aumentos. En la imagen se 
pueden observar una mitocondria y un peroxisoma entre dos cloroplastos. En los tres orgánulos se 
realizan reacciones enzimáticas del ciclo del glicolato. Autor FJ Cano. 
 
Peroxisoma
Mitocondria
C
lo
ro
p
la
st
o
Cloroplasto
Vacuola
Introducción 
1.1.4. FACTORES INTRÍNSECOS QUE AFECTAN A LA FOTOSÍNTESIS NETA A NIVEL 
DE HOJA. 
Debido a que generalmente se representa la fotosíntesis (An) como una tasa de fijación de CO2 por 
unidad de área o masa, las características anatómicas influyen indirectamente en la An, por ejemplo, 
el grosor y la densidad de la lámina foliar condiciona el número de cloroplastos que se encuentran 
por unidad de área, mientras que la fracción de espacios de aire intercelular, el grosor de la pared 
celular y la proporción de tejidos de sostén condicionan largamente la An expresada por unidad de 
masa (Evans & Poorter 2001; Wright, Reich & Westoby 2001; Terashima y otros 2011). 
La mayor parte de la fotosíntesis en los vegetales superiores se realiza en las hojas. La estructura 
general de la lámina foliar consta de los siguientes elementos: una epidermis recubierta por distintas 
capas de compuestos antitranspirantes: la cutícula, donde también suelen encontrarse tricomas; los 
estomas en la epidermis que permiten realizar y controlar el intercambio de gases; un tejido 
parenquimático donde se realiza mayoritariamente la fotosíntesis al estar densamente poblado de 
cloroplastos (por lo que a veces recibe el nombre genérico de clorénquima); haces vasculares para el 
suministro del agua y nutrientes absorbidos por las raíces (el xilema) y tejido de transporte de los 
productos de la fotosíntesis (el floema); y por último un tejido de sostén y protección que 
generalmente recubre los haces vasculares. Sobre este esquema general existen variaciones como la 
anatomía Kranz de algunas plantas C4 o las acículas de las gimnospermas, que están fuera del actual 
estudio. 
El camino que sigue el CO2 desde la atmósfera a los lugares de carboxilación está determinado por 
una serie de resistencias difusivas en serie que comienzan por el aire inmediatamente pegado a la 
hoja (la capa límite). A continuación, el CO2 difunde a través de los canales estomáticos en la 
superficie de la hoja, que gracias a su movimiento de apertura y cierre (ligado a la turgencia de las 
células de guarda), regulan mayoritariamente el intercambio de gases entre el interior foliar y la 
atmósfera (resistencia estomática).Desde la cavidad subestomática al interior de los cloroplastos el 
CO2 difunde a través de fases gaseosa y líquida, debiendo superar la pared celular y las membranas 
lipídicas a su paso (resistencia del mesófilo). El vapor de agua, para difundir a la atmósfera, realiza el 
camino inverso al que realiza el CO2 hasta las paredes celulares, lugar donde se produce la 
evaporación (Buckley 2014). Por tanto el efecto de las interacciones entre el vapor de agua, el CO2 y 
el aire debe tenerse en cuenta al modelizar sus flujos (von Caemmerer & Farquhar 1981; Farquhar & 
Cernusak 2012). Las limitaciones difusivas a la fotosíntesis generalmente se agrupan en tres grandes 
bloques con sus correspondientes resistencias agrupadas en serie: la capa límite, la estomática y la 
del mesófilo (Fig. 3). A modo de ejemplo, los valores más habituales para una hoja de una especie 
arbórea caducifolia y plana serían: 2.3-0.23, 0.25-0.15 y 0.30-0.15 mol CO2 m
-2
 s
-1
 correspondientes a 
la conductancia de la capa límite, conductancia estomática y conductancia del mesófilo al CO2 
(Niinemets y otros 2009a; Nobel 2009). Debido a que la conductancia del mesófilo es con mucho la 
Introducción 
15 
 
menos estudiada y el objeto principal de esta tesis, recibe un tratamiento aparte en otro epígrafe 
(Apartado 1.2) y aquí solamente se describen brevemente las dos primeras. 
 
Figura 3. Representación del flujo de CO2 desde la atmósfera hasta el lugar de carboxilación en los 
cloroplastos. 
Para entrar o salir de una hoja, las moléculas de CO2, y de otros gases como el O2 y el vapor de agua, 
deben difundirse primeramente a través de la capa límite, es decir, el espacio de aire donde el efecto 
de las turbulencias tiene menor importancia y los gases se mueven por difusión en respuesta a 
diferencias de concentración. En estas condiciones se aplica la primera ley de Fick tal que la 
conductancia de la capa límite para un gas j (g
bl
j) es igual a: 
𝑔𝑗
𝑏𝑙 =
𝐷𝑗
𝛿𝑏𝑙
 𝑒𝑞. (3) 
Donde Dj es un coeficiente de difusión de un gas en un medio dado, dependiente de la temperatura 
y la presión. Por otro lado δ
bl
 representa el grosor de la capa límite y es particular para cada 
situación, ya que el grosor medio de la capa límite depende de la velocidad del viento y el tamaño de 
la hoja, por ejemplo un valor general para δ
bl
 de una hoja de 10 cm en dirección del viento con 
velocidad 0.8 m s
-1
 es de 1.4 mm (Nobel 2009). La conductancia de la capa límite de la hoja al 
movimiento de un gas es dependiente del peso molecular de la molécula, por ejemplo una molécula 
de mayor volumen como el CO2 difunde más despacio que una molécula de H2O. El movimiento de 
los gases por la capa límite que envuelve la hoja no es puramente difusivo sino que también existe 
un componente turbulento, resultando un ratio de difusividad H2O /CO2 de 1.37. Si el movimiento 
CO2
CO2 CO2
CO2
Turbulencias
Capa límite
Mesófilo
Introducción 
fuese puramente difusivo, como ocurre en el canal estomático, se aplicaría la relación de Graham tal 
que el Dj es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de sus masas. Por tanto el ratio de 
difusividad del vapor de agua (peso molecular 18) al CO2 (peso molecular 44) sería de √44 18⁄ =
1.56 consistente con los valores experimentales de 1.6. 
La epidermis cutinizada que recubre las hojas supone una resistencia muy eficaz a la difusión de 
vapor de agua, sin embargo la resistencia que ejerce al paso del CO2 es aún mayor, lo que implica 
una fuerte limitación a la fijación de CO2 (Boyer y otros 1997). Mediante la aparición en el proceso 
evolutivo de los estomas, los vegetales desarrollaron un mecanismo de control activo del 
intercambio de gases con la atmósfera, minimizando las pérdidas de agua por transpiración en 
momentos con fuerte demanda evaporativa (ya que la transpiración es flujo de vapor de agua 
resultante del producto de la conductancia estomática por el déficit de presión de vapor). Los 
estomas son estructuras formadas por dos tipos de células (las células de guarda y subsidiarias) que 
al aumentar de volumen en respuesta a estímulos internos y externos crean un canal a través de las 
células de guarda que permite la difusión de gases a favor de un gradiente de concentraciones. De 
esta forma el CO2 penetra al interior de la hoja y al mismo tiempo el vapor de agua y el oxígeno son 
liberados a la atmósfera (Hetherington & Woodward 2003). La función de los estomas resulta, en 
consecuencia, fundamental no sólo para la regulación del estado hídrico del vegetal, sino también 
para permitir la fotosíntesis. Los principales factores que determinan la capacidad para el 
intercambio de gases en la hoja son el grado de apertura del estoma, su tamaño y su densidad (Fig. 
4). Cabe destacar que los estomas pueden estar presentes tanto en la cara abaxial (envés) como 
también en la cara adaxial (o haz). Cuando los estomas se cierran para controlar las pérdidas de 
agua, también limitan la entrada de CO2 al interior de la hoja, limitando la productividad primaria del 
vegetal. Los movimientos del estoma en respuesta a estímulos ambientales y su mecanismo de 
control aún son poco conocidos, motivo por el cual la mayor parte de los modelos de conductancia 
estomática tienen una base empírica, aunque modelos más mecanicistas están cobrando 
importancia (Damour y otros 2010). Cuando el cierre estomático es importante, la contribución de la 
conductancia cuticular al vapor de agua (gcw), generalmente es muy superior a la del CO2 y debe 
tenerse en cuanta en los modelos fotosintéticos (Boyer y otros 1997). 
Introducción 
17 
 
 
Figura 4. Fotografía de la imagen obtenida con un microscopio electrónico de barrido (SEM) del 
envés de una hoja de roble melojo (Quercus pyrenaica Willd.) magnificada x400. Cortesía de la Dra. 
Victoria Fernández (UPM). 
Las limitaciones bioquímicas a la fotosíntesis vienen determinadas principalmente por las actividades 
de las enzimas que regulan la fijación del CO2 y la regeneración de la RuBP. Especial relevancia para 
la fijación neta de CO2 tienen las enzimas del tipo de la Rubisco ya que presentan actividad 
carboxilasa y oxigenasa, y están presentes en todos los organismos fotosintéticos, incluso en 
bacterias autótrofas anaerobias mantenidas en condiciones aerobias. El balance entre la 
carboxilación y la oxigenación ha revestido gran interés como modelo para elevar la productividad 
vegetal. La actividad (tanto la carboxilación como la oxigenación) de la Rubisco es constante entre las 
plantas C3, aunque puede haber adaptaciones locales (Galmés y otros 2014a); por tanto la capacidad 
máxima de carboxilación de una hoja dependerá de la cantidad y grado de activación de la Rubisco, 
que a su vez es función del tamaño y número de cloroplastos por unidad de hoja (Evans y otros 
1994). Este razonamiento es válido únicamente en el plano bioquímico, ya que las limitaciones 
difusivas constriñen fuertemente la An incluso en condiciones óptimas y, de hecho, incluso se ha 
atribuido a la Rubisco un papel como reservorio de nitrógeno bajo ciertas condiciones y en algunas 
especies (Warren, Adams & Chen 2000; Warren & Adams 2001; Warren, Dreyer & Adams 2003a; 
Warren & Adams 2004). 
La proporción de la RuBP que es oxigenada respecto a la que se carboxila (φ) viene dada por tres 
factores: la cinética enzimática de la Rubisco, la temperatura y la concentración de los sustratos (CO2 
y O2) en el lugar donde se encuentra la Rubisco. La cinética enzimática de la Rubisco presenta poca 
variación entre las plantas C3, aunque recientemente se han encontrado adaptaciones locales en 
perennifolias de climas secos y cálidos (Galmés y otros 2005; Galmés y otros 2014a). La temperatura 
influye en φ en una doble vía: con el aumento de la temperatura aumenta la actividad oxigenasa de 
Introducción 
la Rubisco frente a la carboxilasa, a la vez que la solubilidad relativa