Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phản ứng của khí khổng với CO2 và khả năng quang hợp của các loài cây gỗ nhiệt đới liên quan đến phân loại và các đặc điểm chức năng
Tóm tắt
Khả năng phản ứng với CO2 của khí khổng và khả năng quang hợp thay đổi đáng kể giữa các loài cây, nhưng các yếu tố kiểm soát những đặc điểm sinh lý trên lá này thường không được hiểu rõ. Để khám phá xem các đặc điểm này có liên quan đến danh tính nhóm phân loại và/hoặc đến các đặc điểm chức năng khác của cây hay không, chúng tôi đã nghiên cứu phản ứng ngắn hạn của khí khổng với CO2 và tốc độ tối đa của quá trình carboxyl hóa quang hợp (V
cmax) và vận chuyển electron (J
max) trong một loạt các loài cây gỗ nhiệt đới tiến hóa rộng. Nghiên cứu bao gồm 21 loài đại diện cho bốn nhóm hạt chính: hạt trần, đơn lá, đôi lá và thuộc nhóm asterids. Chúng tôi phát hiện rằng phản ứng đóng khí khổng trước sự gia tăng CO2 mạnh hơn ở thực vật có hoa so với hạt trần, và ở đơn lá so với đôi lá. Phản ứng của khí khổng với CO2 không có liên quan đáng kể đến bất kỳ đặc điểm chức năng nào khác được nghiên cứu, trong khi một tham số mô tả mối quan hệ giữa quang hợp và độ dẫn nước qua khí khổng trong các mô hình trao đổi khí lá (g
1) có liên quan đến độ dẫn thủy lực cụ thể trên diện tích lá của cây. Đối với quang hợp, chúng tôi phát hiện rằng sự biến đổi giữa các loài trong V
cmax và J
max có liên quan đến phân bổ nitơ (N) bên trong lá hơn là tổng lượng N trong lá tính theo diện tích. Sự phân bổ N bên trong lá và việc sử dụng nước được phối hợp chặt chẽ (r
2 = 0.67), theo đó các loài có đầu tư N phần trăm cao vào các hợp chất tối ưu hóa khả năng quang hợp cũng có độ dẫn khí khổng cao. Chúng tôi kết luận rằng trong khi khả năng phản ứng của khí khổng với CO2 của các loài cây gỗ nhiệt đới dường như không liên quan chặt chẽ đến các đặc điểm chức năng khác của cây, thì khả năng quang hợp lại liên quan đến phân bổ N bên trong lá hơn là tổng lượng N trong lá và được phối hợp chặt chẽ với việc sử dụng nước của lá.
Từ khóa
#phản ứng khí khổng #quang hợp #cây gỗ nhiệt đới #phân loại thực vật #đặc điểm chức năngTài liệu tham khảo
Ainsworth EA, Rogers A (2007) The response of photosynthesis and stomatal conductance to rising [CO2]: mechanisms and environmental interactions. Plant, Cell Environ 30:258–270. doi:10.1111/J.1365-3040.2007.01641.X
Ali AA, Xu C, Rogers A et al (2015) Global scale environmental control of plant photosynthetic capacity. Ecol Appl. doi:10.1890/14-2111.1
Ball JT, Woodrow IE, Berry JA (1987) A model predicting stomatal conductance and its contribution to the control of photosynthesis under different environmental conditions. In: Biggins J (ed) Progress in Photosynthesis Research. Springer, Providence, pp 221–224
Beer C, Reichstein M, Tomelleri E et al (2010) Terrestrial gross carbon dioxide uptake: global distribution and covariation with climate. Science 329:834–838. doi:10.1126/science.1184984
Bernacchi CJ, Singsaas EL, Pimentel C et al (2001) Improved temperature response functions for models of Rubisco-limited photosynthesis. Plant, Cell Environ 24:253–259. doi:10.1046/j.1365-3040.2001.00668.x
Bonan GB (2008) Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science 320:1444–1449. doi:10.1126/Science.1155121
Bond BJ, Kavanagh KL (1999) Stomatal behavior of four woody species in relation to leaf-specific hydraulic conductance and threshold water potential. Tree Physiol 19:503–510. doi:10.1093/treephys/19.8.503
Brodribb TJ, Jordan GJ (2008) Internal coordination between hydraulics and stomatal control in leaves. Plant, Cell Environ 31:1557–1564. doi:10.1111/j.1365-3040.2008.01865.x
Brodribb TJ, McAdam SAM, Jordan GJ, Feild TS (2009) Evolution of stomatal responsiveness to CO2 and optimization of water-use efficiency among land plants. New Phytol 183:839–847. doi:10.1111/J.1469-8137.2009.02844.X
Cech PG, Pepin S, Körner C (2003) Elevated CO2 reduces sap flux in mature deciduous forest trees. Oecologia 137:258–268. doi:10.1007/s00442-003-1348-7
Chater C, Gray JE, Beerling DJ (2013) Early evolutionary acquisition of stomatal control and development gene signalling networks. Curr Opin Plant Biol 16:638–646. doi:10.1016/j.pbi.2013.06.013
Choat B, Jansen S, Brodribb TJ et al (2012) Global convergence in the vulnerability of forests to drought. Nature 491:752–755. doi:10.1038/nature11688
Ciais P, Sabine C, Bala G et al (2013) Carbon and other biogeochemical cycles. In: Stocker TF, Qin D, Plattner G-K et al (eds) Climate change 2013: the physical science basis. contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge University Press, Cambridge, New York
Coste S, Roggy J-C, Imbert P et al (2005) Leaf photosynthetic traits of 14 tropical rain forest species in relation to leaf nitrogen concentration and shade tolerance. Tree Physiol 25:1127–1137. doi:10.1093/treephys/25.9.1127
Domec JC, Palmroth S, Ward E, Maier CA, Thérézien M, Oren R (2009) Acclimation of leaf hydraulic conductance and stomatal conductance of Pinus taeda (loblolly pine) to long-term growth in elevated CO2 free-air CO2 enrichment and N-fertilization. Plant Cell Environ 32:1500–1512. doi:10.1111/j.1365-3040.2009.02014.x
Dusenge ME, Wallin G, Gårdesten J et al (2015) Photosynthetic capacity of tropical montane tree species in relation to leaf nutrients, successional strategy and growth temperature. Oecologia 177:1183–1194. doi:10.1007/s00442-015-3260-3
Evans JR, Poorter H (2001) Photosynthetic acclimation of plants to growth irradiance: the relative importance of specific leaf area and nitrogen partitioning in maximizing carbon gain. Plant Cell Environ 24(8):755–767. doi:10.1046/j.1365-3040.2001.00724.x
Evans JR, Seemann JR (1989) The allocation of protein nitrogen in the photosynthetic apparatus: costs, consequences and control. In: Brigs WR (ed) Photosynthesis. Alan R. Liss, New York, pp 183–205
Farquhar GD, von Caemmerer S, Berry JA (1980) A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta 149:78–90. doi:10.1007/BF00386231
Franks PJ, Beerling DJ (2009) Maximum leaf conductance driven by CO2 effects on stomatal size and density over geologic time. Proc Natl Acad Sci USA 106:10343–10347. doi:10.1073/pnas.0904209106
Franks P, Farquhar G (1999) A relationship between humidity response, growth form and photosynthetic operating point in C3 plants. Plant, Cell Environ 22:1337–1349. doi:10.1046/j.1365-3040.1999.00494.x
Franks PJ, Drake PL, Beerling DJ (2009) Plasticity in maximum stomatal conductance constrained by negative correlation between stomatal size and density: an analysis using Eucalyptus globulus. Plant, Cell Environ 32:1737–1748. doi:10.1111/j.1365-3040.2009.002031.x
Frank DC, Poulter B, Saurer M et al (2015) Water-use efficiency and transpiration across European forests during the Anthropocene. Nat Clim Chang 5:579–583. doi:10.1038/NCLIMATE2614
Haworth M, Elliott-Kingston C, McElwain JC (2013) Co-ordination of physiological and morphological responses of stomata to elevated [CO2] in vascular plants. Oecologia 171:71–82. doi:10.1007/S00442-012-2406-9
Houter NC, Pons TL (2014) Gap effects on leaf traits of tropical rainforest trees differing in juvenile light requirement. Oecologia 175:37–50. doi:10.1007/s00442-014-2887-9
Kattge J, Knorr W, Raddatz T, Wirth C (2009) Quantifying photosynthetic capacity and its relationship to leaf nitrogen content for global-scale terrestrial biosphere models. Glob Chang Biol 15:976–991. doi:10.1111/j.1365-2486.2008.01744.x
Keel SG, Pepin S, Leuzinger S, Körner C (2007) Stomatal conductance in mature deciduous forest trees exposed to elevated CO2. Trees 21:151–159. doi:10.1007/s00468-006-0106-y
Keenan TF, Hollinger DY, Bohrer G et al (2013) Increase in forest water-use efficiency as atmospheric carbon dioxide concentrations rise. Nature 499:324–327. doi:10.1038/nature12291
Larcher W (2003) Physiological plant ecology—ecophysiology and stress physiology of functional groups, 4th edn. Springer, Berlin Heidelberg
Leuning R (1995) A critical-appraisal of a combined stomatal-photosynthesis model for C3 plants. Plant, Cell Environ 18:339–355. doi:10.1111/J.1365-3040.1995.Tb00370.X
Lewis SL (2006) Tropical forests and the changing earth system. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:195–210. doi:10.1098/rstb.2005.1711
Lin Y-S, Medlyn BE, Duursma RA et al (2015) Optimal stomatal behaviour around the world. Nat Clim Chang 5:459–464. doi:10.1038/nclimate2550
Maier CA, Palmroth S, Ward E (2008) Short-term effects of fertilization on photosynthesis and leaf morphology of field-grown loblolly pine following long-term exposure to elevated CO2 concentration. Tree Physiol 28:597–606. doi:10.1093/treephys/28.4.597
Medlyn BE, Barton CVM, Broadmeadow MSJ et al (2001) Stomatal conductance of forest species after long-term exposure to elevated CO2 concentration: a synthesis. New Phytol 149:247–264. doi:10.1046/J.1469-8137.2001.00028.X
Medlyn BE, Dreyer E, Ellsworth D et al (2002) Temperature response of parameters of a biochemically based model of photosynthesis. II. A review of experimental data. Plant, Cell Environ 25:1167–1179. doi:10.1046/j.1365-3040.2002.00890.x
Medlyn BE, Duursma RA, Eamus D et al (2011) Reconciling the optimal and empirical approaches to modelling stomatal conductance. Glob Chang Biol 17:2134–2144. doi:10.1111/J.1365-2486.2010.02375.X
Morison JIL (1998) Stomatal response to increased CO2 concentration. J Exp Bot 49:443–452. doi:10.1093/jexbot/49.suppl_1.443
Niinemets U, Tenhunen JD (1997) A model separating leaf structural and physiological effects on carbon gain along light gradients for the shade-tolerant species Acer saccharum. Plant Cell Environ 20(7):845–866. doi:10.1046/j.1365-3040.1997.d01-133.x
Nsabimana D, Klemedtson L, Kaplin BA, Wallin G (2009) Soil CO2 flux in six monospecific forest plantations in Southern Rwanda. Soil Biol Biochem 41:396–402. doi:10.1016/j.soilbio.2008.12.004
Onandia G, Olsson AK, Barth S et al (2011) Exposure to moderate concentrations of tropospheric ozone impairs tree stomatal response to carbon dioxide. Environ Pollut 159:2350–2354. doi:10.1016/j.envpol.2011.06.001
Prentice IC, Dong N, Gleason SM, Maire V, Wright IJ (2014) Balancing the costs of carbon gain and water transport: testing a new theoretical framework for plant functional ecology. Ecol Lett 17:82–91. doi:10.1111/ele.12211
Raaimakers D, Boot RGA, Dijkstra P, Pot S (1995) Photosynthetic rates in relation to leaf phosphorus content in pioneer versus climax tropical rainforest trees. Oecologia 102(1):120–125. doi:10.1007/BF00333319
Rogers A (2014) The use and misuse of Vc, max in Earth System Models. Photosynth Res 119:15–29. doi:10.1007/s11120-013-9818-1
Sack L, Holbrook NM (2006) Leaf hydraulics. Annu Rev Plant Biol 57:361–381. doi:10.1146/annurev.arplant.56.032604.144141
Tor-ngern P, Oren R, Ward EJ et al (2015) Increases in atmospheric CO2 have little influence on transpiration of a temperate forest canopy. New Phytol 205:518–525. doi:10.1111/Nph.13148
Uddling J, Gelang-Alfredsson J, Piikki K, Pleijel H (2007) Evaluating the relationship between leaf chlorophyll concentration and SPAD-502 chlorophyll meter readings. Photosynth Res 91:37–46. doi:10.1007/s11120-006-9077-5
Valladares F, Niinemets Ü (2008) Shade tolerance, a key plant feature of complex nature and consequences. Annu Rev Ecol Evol Syst 39:237–257. doi:10.1146/annurev.ecolsys.39.110707.173506
Van Bodegom PM, Douma JC, Witte JPM et al (2012) Going beyond limitations of plant functional types when predicting global ecosystem-atmosphere fluxes: exploring the merits of traits-based approaches. Glob Ecol Biogeogr 21:625–636
van de Weg MJ, Meir P, Grace J, Ramos GD (2012) Photosynthetic parameters, dark respiration and leaf traits in the canopy of a Peruvian tropical montane cloud forest. Oecologia 168:23–34. doi:10.1007/s00442-011-2068-z
Vårhammar A, Wallin G, Mclean CM et al (2015) Photosynthetic temperature responses of tree species in Rwanda: evidence of pronounced negative effects of high temperature in montane rainforest climax species. New Phytol 206:1000–1012. doi:10.1111/nph.13291
Wong SC, Cowan IR, Farquhar GD (1979) Stomatal conductance correlates with photosynthetic capacity. Nature 282:424–426. doi:10.1038/282424a0
Zaehle S, Sitch S, Smith B, Hatterman F (2005) Effects of parameter uncertainties on the modeling of terrestrial biosphere dynamics. Global Biogeochem Cy 19:GB3020. doi:10.1029/2004GB002395