Spatial patterns of photosynthesis in thin- and thick-leaved epiphytic orchids: unravelling C3-CAM plasticity in an organ-compartmented way.

BACKGROUND AND AIMS: A positive correlation between tissue thickness and crassulacean acid metabolism (CAM) expression has been frequently suggested. Therefore, this study addressed the question of whether water availability modulates photosynthetic plasticity in different organs of two epiphytic orchids with distinct leaf thickness. METHODS: Tissue morphology and photosynthetic mode (C3 and/or CAM) were examined in leaves, pseudobulbs and roots of a thick-leaved (Cattleya walkeriana) and a thin-leaved (Oncidium 'Aloha') epiphytic orchid. Morphological features were studied comparing the drought-induced physiological responses observed in each organ after 30 d of either drought or well-watered treatments. KEY RESULTS: Cattleya walkeriana, which is considered a constitutive CAM orchid, displayed a clear drought-induced up-regulation of CAM in its thick leaves but not in its non-leaf organs (pseudobulbs and roots). The set of morphological traits of Cattleya leaves suggested the drought-inducible CAM up-regulation as a possible mechanism of increasing water-use efficiency and carbon economy. Conversely, although belonging to an orchid genus classically considered as performing C3 photosynthesis, Oncidium 'Aloha' under drought seemed to express facultative CAM in its roots and pseudobulbs but not in its leaves, indicating that such photosynthetic responses might compensate for the lack of capacity to perform CAM in its thin leaves. Morphological features of Oncidium leaves also indicated lower efficiency in preventing water and CO2 losses, while aerenchyma ducts connecting pseudobulbs and leaves suggested a compartmentalized mechanism of nighttime carboxylation via phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) (pseudobulbs) and daytime carboxylation via Rubisco (leaves) in drought-exposed Oncidium plants. CONCLUSIONS: Water availability modulated CAM expression in an organ-compartmented manner in both orchids studied. As distinct regions of the same orchid could perform different photosynthetic pathways and variable degrees of CAM expression depending on the water availability, more attention should be addressed to this in future studies concerning the abundance of CAM plants.

Evidence of higher photosynthetic plasticity in the early successional Guazuma ulmifolia Lam. compared to the late successional Hymenaea courbaril L. grown in contrasting light environments / Evidências de maior plasticidade fotossintética na pioneira Guazuma ulmifolia Lam. comparada à secundária Hymenaea courbaril L. crescidas em ambientes luminosos contrastantes

The present study investigated changes in photosynthetic characteristics of Guazuma ulmifolia Lam. (early successional species) and Hymenaea courbaril L. (late successional species) grown in contrasting light conditions as a way of assessing photosynthetic plasticity. Early successional species typically inhabit gap environments being exposed to variability in multiple resources, hence it is expected that these species would show higher photosynthetic plasticity than late successional ones. In order to test this hypothesis, light and CO2 response curves and chlorophyll content (Chl) were measured in plants grown in high and low light environments. G. ulmifolia presented the highest amounts of both Chl a and b, especially in the low light, and both species presented higher Chl a than b in both light conditions. The Chl a/b ratio was higher in high light leaves of both species and greater in G. ulmifolia. Taken together, these results evidence the acclimation potential of both species, reflecting the capacity to modulate light harvesting complexes according to the light environment. However, G. ulmifolia showed evidence of higher photosynthetic plasticity, as indicated by the greater amplitude of variation on photosynthetic characteristics between environments shown by more significant shade adjusted parameters (SAC) and principal component analysis (PCA). Thus, the results obtained were coherent with the hypothesis that the early successional species G. ulmifolia exhibits higher photosynthetic plasticity than the late successional species H. courbaril.(AU)

O presente estudo investigou mudanças nas características fotossintéticas de Guazuma ulmifolia Lam. (pioneira) e Hymenaea courbaril L. (secundária) crescidas sob condições luminosas contrastantes, como uma maneira de acessar a plasticidade fotossintética das espécies. Espécies pioneiras geralmente habitam ambientes de clareira, expostas a uma ampla variação em múltiplos recursos, o que indica que essas espécies podem apresentar maior plasticidade fotossintética do que espécies secundárias. A fim de testar essa hipótese, foram feitas curvas de resposta à luz e ao CO2 e medidas do conteúdo de clorofila (Chl) em plantas crescidas em ambientes com alta e baixa luminosidade. G. ulmifolia apresentou os maiores teores de Chl a e b, principalmente em baixa luminosidade, e ambas as espécies apresentaram maior conteúdo de clorofila a do que b em ambas as condições luminosas. A razão Chl a/b foi maior em folhas de sol em ambas as espécies e foi mais elevada em G. ulmifolia. Conjuntamente, esses resultados evidenciam um potencial de aclimatação em ambas as espécies, indicando a capacidade de modular os complexos antena de acordo com o ambiente luminoso. Contudo, G. ulmifolia mostrou evidências de maior plasticidade fotossintética, conforme indicado pela maior amplitude de variação nas características fotossintéticas entre ambientes, maior número de parâmetros significativamente justados à sombra (SAC) e pela análise de componentes principais (PCA). Assim, os resultados obtidos foram coerentes com a hipótese de que a espécie pioneira G. ulmifolia apresenta maior plasticidade fotossintética do que a secundária H. courbaril.(AU)

Evidence of higher photosynthetic plasticity in the early successional Guazuma ulmifolia Lam. compared to the late successional Hymenaea courbaril L. grown in contrasting light environments / Evidências de maior plasticidade fotossintética na pioneira Guazuma ulmifolia Lam. comparada à secundária Hymenaea courbaril L. crescidas em ambientes luminosos contrastantes

The present study investigated changes in photosynthetic characteristics of Guazuma ulmifolia Lam. (early successional species) and Hymenaea courbaril L. (late successional species) grown in contrasting light conditions as a way of assessing photosynthetic plasticity. Early successional species typically inhabit gap environments being exposed to variability in multiple resources, hence it is expected that these species would show higher photosynthetic plasticity than late successional ones. In order to test this hypothesis, light and CO2 response curves and chlorophyll content (Chl) were measured in plants grown in high and low light environments. G. ulmifolia presented the highest amounts of both Chl a and b, especially in the low light, and both species presented higher Chl a than b in both light conditions. The Chl a/b ratio was higher in high light leaves of both species and greater in G. ulmifolia. Taken together, these results evidence the acclimation potential of both species, reflecting the capacity to modulate light harvesting complexes according to the light environment. However, G. ulmifolia showed evidence of higher photosynthetic plasticity, as indicated by the greater amplitude of variation on photosynthetic characteristics between environments shown by more significant shade adjusted parameters (SAC) and principal component analysis (PCA). Thus, the results obtained were coherent with the hypothesis that the early successional species G. ulmifolia exhibits higher photosynthetic plasticity than the late successional species H. courbaril.

O presente estudo investigou mudanças nas características fotossintéticas de Guazuma ulmifolia Lam. (pioneira) e Hymenaea courbaril L. (secundária) crescidas sob condições luminosas contrastantes, como uma maneira de acessar a plasticidade fotossintética das espécies. Espécies pioneiras geralmente habitam ambientes de clareira, expostas a uma ampla variação em múltiplos recursos, o que indica que essas espécies podem apresentar maior plasticidade fotossintética do que espécies secundárias. A fim de testar essa hipótese, foram feitas curvas de resposta à luz e ao CO2 e medidas do conteúdo de clorofila (Chl) em plantas crescidas em ambientes com alta e baixa luminosidade. G. ulmifolia apresentou os maiores teores de Chl a e b, principalmente em baixa luminosidade, e ambas as espécies apresentaram maior conteúdo de clorofila a do que b em ambas as condições luminosas. A razão Chl a/b foi maior em folhas de sol em ambas as espécies e foi mais elevada em G. ulmifolia. Conjuntamente, esses resultados evidenciam um potencial de aclimatação em ambas as espécies, indicando a capacidade de modular os complexos antena de acordo com o ambiente luminoso. Contudo, G. ulmifolia mostrou evidências de maior plasticidade fotossintética, conforme indicado pela maior amplitude de variação nas características fotossintéticas entre ambientes, maior número de parâmetros significativamente justados à sombra (SAC) e pela análise de componentes principais (PCA). Assim, os resultados obtidos foram coerentes com a hipótese de que a espécie pioneira G. ulmifolia apresenta maior plasticidade fotossintética do que a secundária H. courbaril.

Evidence of higher photosynthetic plasticity in the early successional Guazuma ulmifolia Lam. compared to the late successional Hymenaea courbaril L. grown in contrasting light environments

The present study investigated changes in photosynthetic characteristics of Guazuma ulmifolia Lam. (early successional species) and Hymenaea courbaril L. (late successional species) grown in contrasting light conditions as a way of assessing photosynthetic plasticity. Early successional species typically inhabit gap environments being exposed to variability in multiple resources, hence it is expected that these species would show higher photosynthetic plasticity than late successional ones. In order to test this hypothesis, light and CO2 response curves and chlorophyll content (Chl) were measured in plants grown in high and low light environments. G. ulmifolia presented the highest amounts of both Chl a and b, especially in the low light, and both species presented higher Chl a than b in both light conditions. The Chl a/b ratio was higher in high light leaves of both species and greater in G. ulmifolia. Taken together, these results evidence the acclimation potential of both species, reflecting the capacity to modulate light harvesting complexes according to the light environment. However, G. ulmifolia showed evidence of higher photosynthetic plasticity, as indicated by the greater amplitude of variation on photosynthetic characteristics between environments shown by more significant shade adjusted parameters (SAC) and principal component analysis (PCA). Thus, the results obtained were coherent with the hypothesis that the early successional species G. ulmifolia exhibits higher photosynthetic plasticity than the late successional species H. courbaril.

O presente estudo investigou mudanças nas características fotossintéticas de Guazuma ulmifolia Lam. (pioneira) e Hymenaea courbaril L. (secundária) crescidas sob condições luminosas contrastantes, como uma maneira de acessar a plasticidade fotossintética das espécies. Espécies pioneiras geralmente habitam ambientes de clareira, expostas a uma ampla variação em múltiplos recursos, o que indica que essas espécies podem apresentar maior plasticidade fotossintética do que espécies secundárias. A fim de testar essa hipótese, foram feitas curvas de resposta à luz e ao CO2 e medidas do conteúdo de clorofila (Chl) em plantas crescidas em ambientes com alta e baixa luminosidade. G. ulmifolia apresentou os maiores teores de Chl a e b, principalmente em baixa luminosidade, e ambas as espécies apresentaram maior conteúdo de clorofila a do que b em ambas as condições luminosas. A razão Chl a/b foi maior em folhas de sol em ambas as espécies e foi mais elevada em G. ulmifolia. Conjuntamente, esses resultados evidenciam um potencial de aclimatação em ambas as espécies, indicando a capacidade de modular os complexos antena de acordo com o ambiente luminoso. Contudo, G. ulmifolia mostrou evidências de maior plasticidade fotossintética, conforme indicado pela maior amplitude de variação nas características fotossintéticas entre ambientes, maior número de parâmetros significativamente justados à sombra (SAC) e pela análise de componentes principais (PCA). Assim, os resultados obtidos foram coerentes com a hipótese de que a espécie pioneira G. ulmifolia apresenta maior plasticidade fotossintética do que a secundária H. courbaril.