Photosynthetic acclimation of coffee in response to water availability and fruiting: a hydraulic and hormonal approach

Abstract

The overall coordination between gas exchanges and plant hydraulics may be affected by the soil availability of water and source-to-sink relationships. Here we evaluated how coffee (Coffea arabica L. cv. Catimor) trees are able to acclimate their photosynthesis in response drought and fruiting. The plants, which were 6-yr- old at the beginning of trials, were grown in the field at full sunlight, and subjected to four treatment combinations: irrigated plants with fruits (I*F); irrigated plants with no fruits (I*NF); non-irrigated plants with fruits (NI*F) and non-irrigated plants with no fruits (NI*NF). A range of traits, encompassing from photosynthesis traits, water relations, growth and hormonal profile, were assessed. Over the course of the experiment, the non-irrigated plants displayed lower averaged values of predawn water potentials (-0.5 MPa) than their irrigated counterparts (-0.2 MPa). We showed that under mild water deficit conditions, irrigation per se did not impact growth rates but could reduce branch death significantly. These findings were unrelated to changes in leaf assimilate pools. We also demonstrated that fruiting provoked a feedforward effect on net photosynthesis rate that was fundamentally coupled to an enhanced stomatal conductance. Indeed both the mesophyll conductance and maximum rate of carboxylation by RuBisCO remained unchanged in response to the applied treatments. The increase in stomatal conductance was unrelated to varying abscisic acid levels or differential sensitivity to abscisic acid, although it was likely associated with a lower stomatal sensitivity to leaf-to-air vapor pressure difference. In parallel, the increases in transpiration rate were supported by coordinated alterations in plant hydraulics which should to a large extent explain the maintenance of plant water status regardless of fruiting-related variations in stomatal conductance and transpiration rate. In summary, we showed that stomatal conductance played a major role in the coordination between source capacity and sink demand regardless of irrigation, with concomitant changes in plant hydraulics. Therefore, these aspects should be considered in breeding programs to improve drought tolerance in coffee in face of the present and ongoing climate changes.

A coordenação geral entre as trocas gasosas e a hidráulica das plantas pode ser afetada pela disponibilidade de água no solo e pelas relações entre a fonte e o dreno. Aqui foi avaliado como árvores de café (Coffea arabica L. cv. Catimor) são capazes de aclimatar sua fotossíntese em resposta a seca e a frutificação. As plantas, com 6 anos de idade no início dos ensaios, foram cultivadas em campo a pleno sol e submetidas a quatro combinações de tratamento: plantas irrigadas com frutos (I*F); plantas irrigadas sem frutos (I*NF); plantas não irrigadas com frutos (NI*F) e plantas não irrigadas sem frutos (NI*NF). Uma série de características, incluindo características fotossintéticas, relações hídricas, crescimento e perfil hormonal, foi avaliada. No decorrer do experimento, as plantas não irrigadas apresentaram menores valores médios dos potenciais hídricos da madrugada (-0,5 MPa) do que suas contrapartes irrigadas (-0,2 MPa). Nós mostramos que, sob condições brandas de déficit hídrico, a irrigação, por si só, não impactou as taxas de crescimento, mas poderia reduzir significativamente a morte dos ramos. Esses achados não foram relacionados às mudanças nos pools de assimilação de folhas. Também demonstramos que a frutificação provocou um efeito de “feedforward” na taxa de fotossíntese líquida que foi fundamentalmente acoplado a uma melhor condutância estomática. De fato, tanto a condutância mesofílica como a taxa máxima de carboxilação pela RuBisCO permaneceram inalteradas em resposta aos tratamentos aplicados. O aumento na condutância estomática não foi relacionado com a variação dos níveis de ácido abscísico ou sensibilidade diferencial ao ácido abscísico, embora tenha sido provavelmente associado a uma menor sensibilidade estomática à diferença de pressão de vapor entre a folha e o ar. Paralelamente, os aumentos na taxa de transpiração foram suportados por alterações coordenadas na hidráulica da planta, o que deve explicar em grande parte a manutenção do “status” hídrico da planta, independentemente das variações relacionadas à frutificação na condutância estomática e na taxa de transpiração. Em resumo, mostramos que a condutância estomática desempenhou um papel importante na coordenação entre a capacidade da fonte e a demanda do dreno, independentemente da irrigação, com mudanças concomitantes na hidráulica da planta. Portanto, esses aspectos devem ser considerados em programas de melhoramento genético para melhorar a tolerância à seca no café frente às atuais e atuais mudanças climáticas