Effect of high temperatures and CO2 concentration on physiological, biochemical and growth traits in Coffea sp.: aspects related to the single leaf and whole canopy

Abstract

The tropical coffee crop has been predicted to be threatened by future climate changes and global warming. However, the real biological effects of such changes remained unknown at both leaf and whole-canopy level. Therefore, we designed a set of experiments in Coffea sp. under both controlled and non-controlled (seasonal fluctuations) conditions. The experiments were related to single and combined effects of the increase in the atmospheric CO2 concentration and temperature on photosynthesis at leaf–scale, as well as related to impacts of rising temperatures on gas exchanges at whole-canopy scale. The first experiment aimed at to evaluate changes at stomatal and photochemical levels in Coffea arabica (cv. Catuaí Amarelo 65) and C. canephora (cv. Emcapa 8111 Clone 02) under mild temperature (spring) and high temperature (summer) exposure. Potted plants were maintained in a greenhouse, watered to field capacity and subject to the natural variations of light, temperature and relative humidity (Chapter 1). In the second experiment, cropped genotypes of C. arabica L. (cv. Icatú and IPR108) and C. canephora cv. Conilon Clone 153 (CL153) were grown for ca. 10 months at 25/20 °C (day/night) and 380 or 700 μL CO2 L-1 . After that they were subjected to a gradual temperature increase (0.5 °C day -1 ) up to 42/34 °C. Leaf impacts related to stomatal traits, gas exchanges, C-isotope composition, chlorophyll a fluorescence parameters, thylakoid electron transport rates and enzyme activities were assessed at 25/20, 31/25, 37/30 and 42/34 °C (Chapter 2). The third experiment evaluated whole-canopy gas exchanges on genotypes from the two main coffee producing species (C.arabica cv. Catuaí Amarelo 65 and C. canephora cv. Emcapa 8111 Clone 02) during two different seasons varying in temperature. Six plants with ca. 1-year-old of each species were grown in a greenhouse and kept well-watered. Data were continuously collected for 10 days during spring (September 2014 - moderate temperature) and summer (February 2015 -high temperature) and micrometeorological variables were monitored inside the greenhouse (Chapter 3). Overall, our results showed under controlled conditions, both coffee genotypes were tolerant up to 37/30 oC, whereas declines in photosynthetic rates were observed at 42/34 oC mainly associated with higher heat sensibility of the photosynthetic enzymes, namely ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) and ribulose 5-phosphate kinase (RuB5PK). However, enhanced [CO2] strongly alleviated the impacts of high temperatures, particularly at 42/34oC, modifying the response of coffee plants to supra-optimal temperatures. Additionally, coffee genotypes grown under elevated [CO2] did not show an acclimation of photosynthesis so that photosynthetic rates and photochemical and biochemical activities were all improved at all temperatures. On the other hand, under a fluctuating environment conditions, supra-optimal temperatures lead to increases in air DPV affecting both leaf and whole-canopy photosynthetic rates in C. arabica plants. Decreases in photosynthetic rates in this specie during summer were linked to declines in both stomatal and canopy conductance, however without an apparent damage to the photochemical pathway. Finally, although C.canephora showed higher heat tolerance than C. arabica, maintaining similar both whole-canopy and leaf CO2 assimilation values in both seasons, its canopy architecture limited whole-canopy gas exchange due to poor light distribution within the canopy.

É previsto que a cultura do café esteja ameaçada pelas mudanças climáticas futuras e pelo aquecimento global. Entretanto, os efeitos biológicos reais de tais mudanças permanecem desconhecidos tanto em nível de folha quanto em nível de planta inteira. Assim, um conjunto de experimentos foi proposto em Coffea sp. sob condições controladas e não controladas (flutuações sazonais). Os experimentos foram relacionados aos efeitos combinados ou não de aumentos na concentração de CO 2 e temperatura nas taxas fotossintéticas em escala de folha, bem como relacionado aos impactos do aumento da temperatura nas trocas gasosas em escala de planta inteira. O primeiro experimento objetivou avaliar mudanças em nível estomático e fotoquímico em Coffea arabica (cv. Catuaí Amarelo 65) and C. Canephora (cv. Emcapa 8111 Clone 02) expostas à temperaturas medianas (primavera) e altas temperaturas (verão). As plantas foram cultivadas em casa de vegetação utilizando vasos, os quais foram mantidos na capacidade de campo. As plantas foram submetidas às variações sasonais de luz, temperatura e umidade relativa (Capítulo 1). No segundo experimento, genótipos de C. arabica L. (cv. Icatú e IPR108) e C. canephora (cv. Conilon CL153) foram cultivados durante aproximadamente 10 meses a 25/20 °C (dia/noite) e 380 ou 700 μL de CO 2 L -1 . Após isto, as plantas foram submetidas à um aumento gradual na temperatura (0,5 oC por dia) até 42/34 oC. Os impactos foliares relacionados às características dos estômatos, trocas gasosas, composição isotópica de carbono, parâmetros de fluorescência da clorofla a, transporte de elétrons nos tilacóides e atividades enzimáticas foram avaliadas a 25/20, 31/25, 37/30 e 42/34 (Capítulo 2). O terceiro experimento avaliou as trocas gasosas de cafeeiros pertencendo a duas espécies de café (C. arabica cv. Catuaí Amarelo 65 e C. canephora cv. Emcapa 8111 Clone 02) durante duas diferentes estações com diferentes temperaturas. Seis plantas com mais de um ano de idade de cada espécie foram cultivadas em estufa, com o solo mantido na capacidade de campo. Os dados foram coletados continuamente por 10 dias durante a primavera (setembro de 2014 - temperaturas moderadas) e verão (fevereiro de 2015 - com alta temperatura) e as variáveis micro meteorológicas foram monitoradas dentro da estufa (Capítulo 3). De maneira geral os resultados mostraram que sob condiçoes controladas, ambos os genótipos de café foram tolerantes até 37/30 oC, porém declínios nas taxas fotossinteticas foram observados a 42/34 oC, principalmente associado com a maior sensibilidade das enzimas fotossintéticas, nomeadamente ribulose-1,5 bisfosfato carboxilase/oxigenase (RuBisCO) e ribulose-1,5 fosfato quinase (RuB5PK). No entanto, elevada concentração de CO2 fortemente aliviou os impactos de elevadas temperaturas, particulamente a 42/34 oC, modificando as respostas de plantas de café para supra-ótimas temperaturas. Adicionalmente, genótpos de café crescidos sob elevada concentração de CO2 não mostraram uma aclimatação da fotossíntese de maneira que as taxas fotossinteticas e as atividades fotosquímicas e bioquímicas foram melhoradas em todas as temperaturas. Por outro lado, sob condições de flutuações ambiente, supra- ótimas temperaturas levou para aumentos no DPV do ar afetando as taxas fotossinteticas das folhas e da planta interia em C. arabica. Decréscimos nas taxas fotossínteticas nesta espécie durante o verão foram relacionados com declínios na condutânica dos estomatos e da copa, no entanto, sem danos aparente à via fotoquímica. Por fim, embora C. canephora mostrou maior tolerância às supra-ótimas temperaturas do que C arabica, sua arquitetura de copa limitou as trocas gasosas da planta interia devido à uma pobre distribuição de luz dentro do dossel.