Impacts of drought on coffee: integrating physiological and morphological processes from the leaf to the whole-plant scale

Abstract

The water deficit negatively impacts plant growth and development through morphophysiological alterations, either at the leaf level or at the whole plant level. This study focused on the dynamics of ecophysiological and canopy architecture traits of two coffee cultivars, cv. RUBI MG1192 (Rubi: drought sensitive) and cv. IAPAR59 (I59: drought tolerant). The trials were conducted over two years; three irrigation treatments were applied (irrigated and non-irrigated during the dry seasons, and irrigated during the second dry season only). Samplings and measurements were performed at six times (7- 10 plants per treatment combination, totalling 211 plants). The following parameters were evaluated: relative growth rate, net primary productivity, leaf composition (C, N, and Δ13C), water-use efficiency, phenotypic plasticity, leaf water potential (ΨL), sap flow (SF), canopy conductance (gC), total soil-to-leaf hydraulic conductance (gL), branch setting (number and length), number of phytomers, leaf shedding and renewal, dynamics of leaf area and internode length; in addition, the patterns of light intercepted by the canopy was modelled. The cultivar which retained its leaves under severe drought (I59) proved to be more isohydric and more plastic for hydric functioning (SF, gC, and gL), demonstrating precocious adjustments to drought. In contrast, the leaf-shedding cultivar (Rubi) was more anisohydric and more plastic for late reactions to drought through, e.g. an increased root dry mass-to-leaf area ratio and leaf shedding with faster leaf renewal due to greater number of branches of second order. Despite marked differences in their hydric functioning, the two cultivars expressed similar vegetative growth, yield and recovery. Overall, drought had effects on all of the studied variables but no architectural trait appeared to be specifically responsive to water stress. Rubi displayed a greater proportion of higher order branches allowing a fast recovery of its leaf area from drought. This was associated with a high number of phytomers that in turn supported faster development of axillary buds (leaves and/or floral buds). The fitness of coffee plants submitted to climatic events depends on the adequacy of physiological and organo-morphogenetic features and, consequently, these aspects should be accounted for in breeding programs aimed at improving drought tolerance in coffee.O déficit hídrico impacta negativamente o crescimento e o desenvolvimento vegetal via alterações morfofisiológicas, desde o nível de folhas ao da planta inteira. Neste estudo, avaliaram-se a dinâmica de parâmetros ecofisiológicos e da arquitetura do dossel de duas cultivares (CV) de café, cv. RUBI MG1192 (Rubi: sensível à seca) e cv. IAPAR59 (I59: tolerante à seca). As avaliações foram feitas ao longo de dois anos, impondo-se três tratamentos de irrigação, IRR (irrigado e não irrigado durante as estações secas, e irrigado apenas durante a segunda estação seca). As amostragens foram feitas em seis épocas (7-10 plantas por cada combinação CVxIRR, perfazendo 211 plantas). Foram avaliados os seguintes parâmetros: taxa de crescimento relativo, produtividade primária líquida, composição foliar (C, N e Δ13C), eficiência do uso da água, plasticidade fenotípica, potencial hídrico da folha (ΨL), fluxo de seiva (SF), condutância do dossel (gC), condutância hidráulica total desde o solo à folha (gL), número e comprimento de ramos, número de fitômeros, queda e renovação de folhas, dinâmica de área foliar e comprimento de entrenós; em adição, foi feita uma modelagem do padrão de interceptação de luz pelo dossel. A cultivar que manteve suas folhas sob seca severa (I59) provou-se mais isoídrica e mais plástica em termos de economia hídrica, fato associado a ajustes precoces sob seca (redução significativa de SF, gC e gL durante o período seco). Em contraste, a cultivar com queda de folhas (Rubi) mostrou-se mais anisoídrica e mais plástica, com reações mais tardias à seca, e.g., uma maior razão de massa seca de raiz/área foliar, e queda de folhas com renovação mais rápida devido ao maior número de ramos de segunda ordem. Apesar das diferenças marcantes no que respeita a economia hídrica, as duas cultivares foram similares em termos de crescimento vegetativo, rendimento e recuperação após o período seco. No geral, a seca afetou todas as variáveis estudadas; todavia, nenhuma característica da arquitetura da copa foi especificamente afetada pelo déficit hídrico. Rubi apresentou maior proporção de ramos de ordem superior, permitindo recuperação rápida de sua área foliar após a seca, devido ao fato de seu alto número de fitômeros permitir maior desenvolvimento de brotos axilares (folhas e/ou botões florais). O ajustamento das plantas de café submetidas a eventos climáticos depende da adequação de características fisiológicas e organomorfogenéticas e, consequentemente, ambos os aspectos devem ser igualmente considerados em programas de melhoramento visando à tolerância à seca no cafeeiro.