TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

LA CONDUCTANCIA HIDRAULICA DE LA HOJA CON TASA DE TRANSPIRACIÓN MINIMIZA LA REDUCCIÓN POTENCIAL DE AGUA DEL TALLO A LA HOJA

Resumen

La conductancia hidráulica de la hoja (kleaf) es un elemento central en la regulación del balance hídrico de la hoja pero las propiedades de incierta. Aquí se evalúa la evidencia para los siguientes dos modelos para kleaf en plantas bien hidratadas: constante (i) kleaf o (ii) kleaf aumenta a medida que aumenta la tasa de transpiración (E). La diferencia entre tallo y hoja del agua potencial (ΔΨstem–leaf), la conductancia estomática (gs), kleaf y E sobre un ciclo diurno para tres especies de angiospermas y gimnospermas, crecen en un jardín común y de Helianthus annuus evaluaron plantas cultivadas bajo un evaluado el ambiente, concentración atmosférica de CO2. Los resultados muestran que plantas bien irrigadas de kleaf es posiblemente dependiente en E. Aquí, esta propiedad se denomina la dinámica conductancia, kleaf (E), que incorpora la kleaf en inherente de cero E, que se distingue como la conductancia de la estática, kleaf (0). Crecimiento bajo diferente manteniendo la concentraciones de CO2 misma relación entre kleaf y E, resultando en kleaf (0) similares, al operar a lo largo de diferentes regiones de la curva debido a la influencia del CO 2 en gs. Los resultados muestran que plantas bien irrigadas de Kleaf es posiblemente dependiente en E. Aquí, esta propiedad se denomina la dinámica conductancia, k leaf (E), que incorpora la kleaf inherente de cero E, que se distingue como la conductancia de la estática, k leaf (0). Crecimiento bajo el diferente mantenimiento de las concentraciones de CO2 misma relación entre kleaf y E, resultando en kleaf (0) similares, al operar a lo largo de diferentes regiones de la curva debido a la influencia del CO2 en gs. La relación positiva entre kleaf y E minimiza variación en (ΔΨstem) – hoja. Esto permite hojas minimizar la variación en la Ψ leaf

y maximizar la gs y la tasa de asimilación de CO2 en el curso diurno de la demanda evaporativa.

Introducción:

La variación conjunta entre el potencial hídrico de la hoja (Ψ leaf), la tasa de transpiración (E), la conductancia estomática (gs) y tasa de asimilación de CO2 (A) en cualquier instante en el tiempo, o integrada sobre la vida de una hoja, se considera para ser influenciada por la permeabilidad de agua de las células que definen la red hidráulica de la hoja (por ejemplo, Sôber, 1997; Francos, 2006; Saco y Holbrook, 2006; Brodribb et al., 2007; Simonin et al., 2012). Los tipos celulares que integran la red hidráulica de la hoja varían grandemente en estructura y función. En un extremo son relativamente rígidas, muerto, las células del xilema que consta únicamente de la pared celular y en el otro extremo están las células de parénquima vivo del tejido extra-xylary. En el nivel hoja de conjunto estos dos tipos celulares en combinación representan, en promedio, ~ 50% de la conductancia total de la fase líquida al agua a lo largo de la corriente de

transpiración entre las raíces y los sitios de evaporación con en las hojas de una planta (Nardini et al., 2005a; Saco et al., 2005). Así, en respuesta a una variación en la disponibilidad de agua o demanda, la conductancia de las vías de xilema y extra-xylary de la hoja influyen fuertemente los cambios en el flujo de líquido.

Modelos utilizados para describir los cambios en la conductancia hidráulica de la hoja (kleaf), en respuesta a una variación en la disponibilidad de agua o demanda, a menudo se basan en dinámicas observados previamente en los tallos haciendo hincapié en la vulnerabilidad de xilema a cavitación como Ψleaf disminuye (e.g. Brodribb y Holbrook, 2006). Según este marco centrado en el xilema, k leaf es un máximo cuando las hojas son bien hidratada (es decir, alta Ψleaf). A medida que aumenta E, kleaf puede estancia relativamente constante, con la disminución de Ψleaf hasta que se alcanza un umbral que resulta en la formación de émbolos de xilema, seguido por un rápido descenso en kleaf con cualquier más disminución de la Ψleaf (e.g. Blackman et al., 2009; Johnson et al., 2009; Martorell et al., 2014). Bajo este escenario, aumentos E incrementaría la conducción gradiente para el flujo de agua a través de una hoja. En otras palabras, por encima del umbral de cavitación se espera una relación lineal positiva entre la diferencia de potencial agua entre tallo y hoja (ΔΨstem – hoja) y E (ej., 1 Fig., línea negra sólida).

Modelos de xilema-centrado han sido extremadamente útiles para caracterizar la medida en que los émbolos inducidos por el estrés hídrico comienzan a limitar el intercambio gaseoso de la hoja y la productividad primaria (e.g. Salleo et al., 2001; Sperry et al., 2002; Cochard et al., 2002; Johnson et al., 2012). Sin embargo, es cada vez más evidente que los cambios en cómo el agua es transportada a través del componente extra-xylary de la corriente de transpiración pueden conducir a cambios grandes y sostenidos en kleaf antes o incluso después del inicio de la cavitación (e.g. Matzner y Comstock, 2001; Lo Gullo et al., 2005; Nardini et al., 2005b; Cochard et al., 2007; Sellin y Kupper, 2007; Sellin et al., 2008; Scoffoni et al., 2008; Pou et al., 2013; Shatil-Cohen et al., 2011). Estas observaciones sugieren un mecanismo adicional conduce a la variación de la CO entre Ψleaf, E, gs y kleaf que no pueden explicarse por los modelos que enfatizan la vulnerabilidad del xilema a cavitación.

Modelos de xilema-centrado han sido extremadamente útiles para caracterizar la medida en que los émbolos inducidos por el estrés hídrico comienzan a limitar el intercambio gaseoso de la hoja y la productividad primaria (e.g. Salleo et al., 2001; Sperry et al., 2002; Cochard et al., 2002; Johnson et al., 2012). Sin embargo, es cada vez más evidente que los cambios en cómo el agua es transportada a través del componente extra-xylary de la corriente de transpiración pueden conducir a cambios grandes y sostenidos en kleaf antes o incluso después del inicio de la cavitación (e.g. Matzner y Comstock, 2001; Lo Gullo et al., 2005; Nardini et al., 2005b; Cochard et al., 2007 Sellin y Kupper, 2007; Sellin et al., 2008; Scoffoni et al., 2008; Pou et al., 2013; Shatil-Cohen et al., 2011). Estas observaciones sugieren un mecanismo adicional que conduce la variación conjunta entre Ψleaf, E, gs y kleaf que no pueden explicarse por los modelos que enfatizan la vulnerabilidad del xilema a cavitación. Como ganar la gran mayoría del

carbón y el uso del agua se produce cuando potenciales agua de la hoja están por encima de los umbrales potencial de agua que conducen a la pérdida significativa de la conductancia hidráulica por embolia de xilema, es necesario para una mayor comprensión de los mecanismos que regulan la variación conjunta entre Ψ leaf, E, gs, kleaf

y en definitiva A cuando las hojas están bien hidratadas. Una cuantificación completa de la relación entre kleaf, gs y E es crucial en los modelos de vegetación que incorporan procesos hidráulicos. Aunque los estomas y la red hidráulica de la hoja controlan de dos fases distintas del transporte de agua a través del continuo suelo – planta – atmósfera (es decir, flujo de vapor y líquido), debe existir coordinación entre estos dos sistemas reguladores si las hojas son mantener el contenido de agua fisiológicamente favorables y evitar desecación mientras que maximiza la ganancia de carbono. Si el objetivo es maximizar la ganancia de carbono, entonces hojas necesitan mantener los estomas abiertos sobre una amplia gama diurnal de la demanda evaporativa. El problema para cualquier hoja con fijo kleaf, o en que kleaf sólo disminuye con el aumento de E, es que la reducción potencial de agua (ΔΨstem – hoja) aumenta con la E que, mediante el lazo de regeneración hidráulica, tiende a reducir la gs y la tasa de asimilación de CO2 (Cowan, 1977; Buckley, 2005; Franks et al., 2007). Una solución a este problema es para que hojas variar kleaf positivamente con la E para minimizar el cambio en el tallo – hoja de ΔΨ, mantenimiento de las condiciones de isohydrodynamic. Hojas con este mecanismo se muestran una relación no lineal entre ΔΨstem – hoja y E donde la relación de E a ΔΨstem –

hoja aumenta a medida que aumenta E (Fig. 1, línea discontinua). En otras palabras, una correlación positiva entre kleaf y E reduciría las depresiones durante el día en Ψ leaf y aumentar el máximo potencial gs y para una determinada hoja al aire vapor de diferencia de presión (VPD). Isohydrodynamic comportamiento se ha demostrado para conductancia hidráulica wholeplant (Franks et al., 2007). Informes de ΔΨstem – hoja

relativamente constante (negro, 1979; Brodribb y Holbrook, 2003) sugieren que el mismo mecanismo puede operar en el nivel de hoja. Aquí se prueba la hipótesis de que variación en gs y kleaf están conectados a través de la optimización de la reducción potencial de agua a través de una hoja. En concreto, se prevé que se produce variación en kleaf maximizar el intercambio de gases hoja y reducir al mínimo la variación en ΔΨstem – hoja. Utilizando mediciones in situ de kleaf tomadas en especies cultivadas bajo condiciones de riego en un jardín común y en las plantas cultivadas bajo tres diferentes concentraciones atmosféricas de CO2, se analizan dos posibles modelos que describen la relación mecanicista entre Ψleaf, E, gs y kleaf en plantas bien hidratadas: (i) constante kleaf, versus (ii) aumento de kleaf E aumenta.

Materiales y métodos

COMUNES JARDÍN Cuatro hojas caducas y dos especies de árboles de hoja perenne bosques templados fueron evaluadas; tres de las angiospermas, Acer macrophyllum Pursh (Aceraceae), Populus fremontii Watson (Salicaceae) y Quercus kelloggii Newberry (Fagaceae) y tres gimnospermas, Metasequoia glyptosrtoboides Hu y Cheng (Cupressaceae), Pinus ponderosa P. leyes (Pinaceae) y Sequoia sempervirens D. Don (Cupressaceae). Cuatro o

cinco árboles de cada especie fueron cultivadas desde semillas en macetas de 40 l y transferidos a un solo sitio (jardín común), a pleno sol, en la cima de la cresta en el botánico de la Universidad de California Garden (32 ° 122 52/N ° 14/W, ~ 256 m de altitud) entre 1 y 7 de marzo de 2007. Árboles individuales de cada especie fueron aleatorizados espacialmente a lo largo del jardín común. Plantones de las especies varió de ~1.5–2.5 m de altura. Plantas se mantuvieron bien regadas con riego por goteo. Se recogieron datos cuando hojas se expansión completamente, ~ 1 mes después del comienzo de la emergencia de la hoja, que ocurrió a finales de mayo/principios de junio de 2008 y 2009 por a. macrophyllum, glyptostroboides M., p. fremontii y Q. kelloggii y mediados a finales de julio para p. ponderosa y S. sempervirens. Temperatura del aire y la humedad relativa se miden con un porómetro de estado estacionario de Li-1600 (Licor Inc., Lincoln, NE, USA) en proximidad cercana a las hojas en que intercambio del gas y el agua se midieron potencial. Radiación fotosintéticamente activa interceptada por la superficie adaxial de la hoja se midió con un sensor cuántico (modelo Li-190SB, Licor Inc., Lincoln NE, USA). Variación diurna en la conductancia hidráulica de la hoja (kleaf; mmol m-2 s – 1 MPa-1) de las hojas expuestas al sol se midió en cuatro o cinco individuos de cada especie utilizando el método de flujo por evaporación in situ (in situ EFM), con kleaf calculada como (Brodribb y Holbrook, 2003): kleaf E(1) tallo-hoja donde E es la tasa de transpiración (mmol m-2 s-1) , y la hoja de ΔΨstem – es la diferencia entre el potencial de agua de xilema de tallo (Ψstem; MPa) y potencial hídrico de la hoja (Ψleaf; MPa). Esta técnica in situ requiere dos hojas adyacentes, uno de los cuales fue utilizado para medir la Ψstem mientras que la hoja adyacente fue muestreada para E y Ψleaf de muestreo. Utilizado como un ensayo de Ψstem

de hojas fueron cubiertos en papel aluminio y película plástico la noche antes de la medición para equilibrar entre la Ψleaf cubierta y Ψstem. Tasa de transpiración (E) se midió con el porómetro de Li-1600. Debido a la estructura de corona abierta de los arbolitos, el ancho espacio entre los árboles y la exposición superior de windy ridge del jardín común, fue asumido que conductancia de capa límite de la hoja (gb) fue mucho mayor que la gs. Además, durante cada medición de E, orientación de la hoja, humedad ambiente y radiación interceptación fue conservado. Por lo tanto, E medido por la Li-1600 era probable ser similar a la real E inmediatamente antes de la medición. Mientras E medición, el potencial hídrico de la hoja cubierto adyacente fue muestreado como un proxy para Ψstem. Inmediatamente siguiente determinación de E, la hoja descubierta fue suprimido, envuelto en plástico y colocado en una cámara de presión tipo Scholander para la determinación de Ψleaf (suelo humedad equipo Corp., Santa Barbara CA, USA). Equilibrio de presión se registró cuando savia xilema alcanza la superficie del tallo cortado, comprobado por un disección alcance en.25 de ampliación. E, Ψstem y Ψleaf se midieron cada ~2.5 h a lo largo de un período de 14 a 18 h, comenzando en antes del amanecer (0400, 0500 h). Se utilizó análisis de regresión para evaluar la variación conjunta entre ΔΨstem – hoja, E, gs y kleaf un ciclo diurno de la demanda evaporativa. Se realizaron análisis de regresión utilizando SigmaPlot (versión 11; Systat Software Inc., San Jose, CA, USA). Crecimiento cámara experimental ΔΨstem – hoja, E, gs, A, y kleaf se midieron en dos niveles de luz (509 ± 11.5 y 1310 ± 26.4 µmol m – 2 s – 1) por Helianthus annuus plantas cultivadas en el ambiente (± 194 35 ppm), ambiente (± 450

ppm 46) y elevado CO2 (1027 ± 74 ppm). H. annuus plantas fueron cultivadas en cámaras de crecimiento situados en las instalaciones de ambiente controlado en el centro de carbono, agua y alimentos en la Universidad de Sydney. Diez plantas fueron cultivadas bajo cada concentración de CO2 en 900 ± 50 µmol m – 2 s – 1 de radiación fotosintéticamente activa (PAR). Las concentraciones ambientales de CO2 fueron monitoreadas utilizando un isótopo cociente espectrómetro de infrarrojos (G1101-i, Ringdown, CA, USA) que un ciclo a través de cada habitación cada 10 minutos mediante el método descrito anteriormente, gs y E fueron medidos con un sistema de fotosíntesis portátil dotado de una cubeta de hoja grande que encierra toda la hoja (Walz-USA, Pepperell MA, USA). Potencial hídrico se midió usando una cámara de presión Scholander-estilo (suelo humedad Equipment Co., Santa Barbara CA, USA) y kleaf fue calculada de la ecuación 1. Las medidas fueron tomadas después de las hojas estaban en la cubeta de 40 min en gs estables, E, A y Tleaf. Después del período de 40 min hojas fueron cortadas del tallo, de la cubeta y cubierto en plástico para mediciones potencial agua con la cámara de presión Scholander de estilo como se describió anteriormente. Área foliar proyectada se midió digitalmente usando el programa Image J (nos National Institutes of Health, Bethesda, Md). Dos hojas fueron utilizados como un análisis de Ψstem utilizando el método descrito anteriormente. Se seleccionaron hojas directamente por encima y por debajo de la hoja en la cubeta y la media de las dos mediciones potenciales de agua fue tomada como Ψstem. En todos los casos la hoja distal mostró una Ψstem un poco más negativo, ~0.02–0.04 MPa. Medidas de Ψleaf, E, g, A, y kleaf se hicieron en 450 ppm de CO2 dentro de la cubeta en dos niveles de luz, ~ 500 y 1300 µmol m – 2 s – 1 PAR y una temperatura relativamente constante de la hoja de 24,7 ± 0,2 ° C variando temperatura del aire y humedad ambiental dentro de la cubeta. En total, cinco hojas de cada ambiente de crecimiento del CO2 se midieron en cada nivel de luz (~ 500 y 1300 µmol m – 2 s – 1 PAR), todo en 450 ppm de CO 2. Todos los análisis estadísticos se realizaron utilizando SigmaPlot y JMP (v.4.0.4; SAS Institute, Cary, NC, USA). ANCOVA fue utilizado para pruebas de efectos principales e interactivos de crecimiento CO2 (baja, media y alta), luz (baja, alta) y VPD en gs y A. Un ANCOVA también fue utilizado para la prueba principal e interactivo efectos de CO2 (baja, media y alta), luz (baja, alta) y E (covariable) en k leaf. Ya se realizaron las mediciones en el tratamiento de la luz en la misma planta, las plantas dentro del tratamiento de la luz fueron utilizadas como un factor aleatorio (Quinn y Keough, 2002). Se cumplieron los supuestos de normalidad.

ESTIMACIÓN DE KLEAF CUANDO E = 0AS Mostrado por la ecuación 1, utilizando la técnica in situ de la EFM para medir k leaf

requiere un flujo de evaporación y una reducción potencial de agua que a su vez evita el cálculo directo de kleaf cuando E = 0. Sin embargo, teoría predice cuando E = 0, k leaf

tendrá un valor finito. Mediante la medición de kleaf a través de una amplia gama de E un modelo lineal puede utilizarse para extrapolar a kleaf en cero E (es decir, la conductancia de la estática, kleaf (0). Se utilizó regresión lineal para estimar kleaf (0) de gimnospermas y

angiospermas árboles del jardín común y H. annuus plantas del experimento de cámara de crecimiento.

Resultados

JARDIN COMUNUna relación no lineal se observó entre ΔΨstem – hoja y E para las especies de angiospermas de jardín común y gimnospermas. Aunque las tasas de transpiración máxima para las especies de gimnospermas fueron inferiores a las especies de angiospermas, en promedio, la variación conjunta entre ΔΨstem – hoja y E fue similar entre las especies (gimnospermas, y = 0.18 x 0.35, r2 = 0.44, P < 0.001; angiospermas, y = 0.14 x 0.48, r2 = 0,69, P < 0.001), angiospermas logrando mayor general ΔΨstem – hoja y E. líquido suponiendo flujos en la hoja y flujos de fase vapor de la hoja fueron en constante - estado , la correlación observada entre Ψstem – hoja y E fue el resultado de un fuerte acoplamiento entre kleaf y E. Se observó una relación positiva significativa entre k leaf

y E a través de las especies de gimnospermas y angiospermas del jardín común (higos 2, 3, 5). Para cada especie el y-intercepto del modelo lineal que describe la variación conjunta entre k leaf

y E fue mayor que 0. Esta conductancia hidráulica estática hoja cuando E = 0 (k leaf(0)), variada considerablemente entre las especies de angiospermas y gimnospermas, con angiospermas tener una mayor kleaf(0). Para las plantas que crecen en el jardín común, un k leaf(0) más alto se asoció con mayor gs diurnas máximas, kleaf y dkleaf/De baja

Las especies de angiospermas en el jardín común funcionan en un día más del tiempo máximos gs y ΔΨstem – hoja que las especies de gimnospermas. Se observaron tendencias diurnas cualitativamente similares en gs, E, Ψleaf, Ψstem y kleaf para las especies de angiospermas y gimnospermas cultivadas en el jardín común. En general, desde el amanecer hasta el mediodía, Ψleaf y Ψstem disminuyeron mientras gs, E y kleaf mayor (complementario de higos de S1 y S2). Después de mediodía, Ψleaf y Ψstem aumentaron ligeramente, mientras que gs, E y kleaf disminución (complementario de higos de S1 y S2). En general, las plantas en el jardín común fueron bien hidratadas, con Ψstem y Ψleaf mayor de –0.8 y –1.2 MPa, respectivamente. Los cambios diurnos en Ψleaf y Ψstem siguieron un patrón similar que ΔΨstem hojas cambiaron muy poco en el transcurso de un día (complementario de higos de S1 y S2). En promedio las especies de angiospermas mostraron mayor variación diurna en gs, E y kleaf en comparación con las especies de gimnospermas (complementario de higos de S1 y S2).

CÁMARA DE CRECIMIENTO

A través de los tres tratamientos de CO2 un rango de E, VPD, similar A Tleaf y gs, se produjo en cada nivel de luz. En general, PAR tuvieron el mayor efecto significativo sobre g s (F = 31,85, P < 0.001) seguido de VPD (F = 8,55, P = 0.012) y CO2 (F = 7.7281, P = 0.0129) con ninguna interacción significativa entre PAR, CO2 y VPD. A través de tratamientos de CO2, aumento de PAR se asociaron con mayor gs (t = 5.64, P < 0.001; Fig. 7E). En promedio, las plantas cultivadas bajo el ambiente CO2 operado a gs más altos que las plantas de elevado CO2 (t = 3.95, P = 0.002), pero no fueron estadísticamente diferentes de las plantas cultivadas bajo CO 2

ambiente (t = 1,89, P = 0,08). Aunque VPD mostró un efecto principal significativo de gs, las correlaciones entre el gs y VPD dentro de cada tratamiento de CO2 no fueron significativamente diferentes, que era probablemente debido al pequeño rango de VPD y número limitado de mediciones en diferente VPD (n = 5) con un determinado nivel de luz. Tanto PAR (F = 31.49, P

< 0.001) y CO2 (F = 9.76, P < 0.002) variación significativamente influencia en A. a través de tratamientos, aumentando el PAR tuvo un efecto positivo sobre una (t = 5.612, P < 0.001). Similar a la gs, medido a la misma concentración de CO2 atmosférica (450 ppm), plantas de tratamiento de CO2 del ambiente mostraron mayor A que las plantas de tratamiento de CO2

elevado (t = 4.24, P = 0.001) pero no fueron estadísticamente diferentes del tratamiento con CO2

ambiente (t = 0,89, P = 0,39). Mediante un ANCOVA para probar los efectos principales e interactivos de CO2, luz, y E en kleaf, se encontró que E tenido el efecto significativo sólo en el kleaf (F = 16.1945, P = 0.0027). A través de todos los tratamientos CO2 aumento E fue asociado con una disminución en Ψleaf, aunque la disminuye en Ψleaf era relativamente de menor importancia a pesar de variaciones relativamente grandes en E (Fig. 8A). Similar a las plantas del jardín común, se observó una fuerte relación no lineal entre ΔΨstem – hoja y E a través de todos los tratamientos de crecimiento tres CO2 (y = 0.106.E0.507, r2 = 0.77, P < 0.001; Figura 8B; Suponiendo que cuando E = 0, ΔΨstem – hoja = 0). Este fue el resultado de una relación positiva significativa entre kleaf y E a través de los tres tratamientos de CO2 (y = 9.70 2.36.E, r2 = 0.72; Figura 9B). La falta de efectos interactivos entre E y CO2 en kleaf sugiere que kleaf(0) no fue influenciado significativamente por el aumento de CO2 (tabla 2). Del mismo modo, kleaf por unidad gs y una era relativamente inafectado por PAR, pero fueron significativamente, positivamente correlacionados con VPD (kleaf/g vs VPD: y=0.0281.e(0.5355.VPD), r2 = 0,23, P = 0,009; kleaf/A vs VPD: y=0.4837.e(0.4634.VPD), r2 = 0,30, P = 0.002).

Discusión

Los datos presentados aquí no son compatibles con un modelo de kleaf constante, bajo condiciones de riego y en cambio son consistentes con un mecanismo hidráulico por el que aumenta la kleaf con E. Además, aquí se demuestra que una dependencia positiva del kleaf de E da lugar a un acoplamiento dinámico entre kleaf y gs que en última instancia, reduce al mínimo la reducción potencial de agua a través de la hoja (es decir, ΔΨstem – hoja) que , vía el lazo de regeneración hidráulica, aumenta el máximos potenciales gs y una para un determinado VPD (Fig. 10).

CONDUCTANCIA HIDRÁULICA DE HOJA DINÁMICA VS ESTÁTICA

En estado estacionario, el acoplamiento entre el líquido y vapourphase flujo de agua puede ser descrito como: kleaf (hoja stem) g (wi −wa) g (IE −ea) P (2) donde g es la suma de estomatal (gs) y la conductancia de la capa límite (gb) a vapor de agua en serie, wi y wa son las fracciones del topo del vapor de agua (mol mol – 1) dentro de la hoja y de la atmósfera ambiente , ei y ea son las presiones de vapor de agua dentro de la hoja y en el aire ambiente, y P es la presión atmosférica. El término (IE – ea) /P es comúnmente conocida como 'VPD'. Según esta descripción de estado estacionario, cuando gs << gb, para arriba - o abajo-regulación de E a través de las respuestas de regeneración de estomas a VPD puede ocurrir a través de cambios en ΔΨstem – hoja, kleaf o ambos. Si kleaf es estática o disminuciones sólo como E incrementa entonces cambios en gs y E, antes de embolia del xilema subrayó-causada por el agua requeriría grandes cambios en la hoja de ΔΨstem – y en última instancia una correlación lineal positiva entre ΔΨstem – hoja y g (wi-wa) o E (Fig. 1). De la ecuación 2, kleaf es estática, el cociente g(wi– wa)/ΔΨleaf permanece constante. Eventualmente, incrementos en g(wi–wa) pueden reducir el potencial hídrico de la hoja lo suficiente como para inducir a la cavitación y embolias, reduciendo kleaf y dando lugar a una regeneración positiva en ΔΨstem – hoja (Sperry, 2000).

En este escenario g(wi– wa)/ΔΨleaf se correlaciona negativamente con el E. Debido a aumento de ΔΨstem – hoja reduce g potencial máxima y tasa de asimilación de la extensión CO2 (Buckley, 2005; Franks et al., 2007), un sistema de control que se basa únicamente en un kleaf constante o decreciente limita el aumento de carbono para ocurrir dentro de un rango relativamente estrecho de baja disponibilidad de agua alta y la demanda evaporativa. Una manera de evitar grandes cae en Ψleaf y g sobre una amplia gama de demanda evaporativa es variar kleaf positivamente con E. Este acoplamiento dinámico entre E y la kleaf está representada aquí por el término kleaf(E), que es la conductancia hidráulica de la hoja para una determinada magnitud de E. Aquí, kleaf(E) representa la conductancia hidráulica dinámica. Bajo condiciones relativamente bien regadas no se encontró ninguna ayuda para la hipótesis de que g(wi–wa)/ΔΨleaf es constante o disminuye con el E. De hecho se observó la relación opuesta: como E mayor g(wi–wa)/ΔΨleaf mayor (por ejemplo higos 2, 3 y 8). Como se muestra en la ecuación 2, una dependencia positiva del kleaf de E puede conducir a aumento de g(wi–wa)/ΔΨleaf E aumenta. Por lo tanto, estos resultados proporcionan pruebas sólidas de que la relación entre kleaf, gs y tasa de asimilación de CO2, en respuesta a cambios a corto plazo en la demanda evaporativa (VPD), es el resultado de una dependencia positiva del kleaf de E (Fig. 10).

CICLO DE VARIACIÓN CONJUNTA ENTRE ΔΨSTEM – HOJA, E, GS Y KLEAF SOBRE ADIURNAL DE LA DEMANDA EVAPORATIVA

La investigación anterior ha proporcionado pruebas que variación diurnal en kleaf se puede atribuir parcialmente a la regulación circadiana (Nardini et al., 2005b; Lo Gullo et al., 2005). Aquí la evidencia es siempre que una correlación positiva entre kleaf y E es otro factor que influye en el acoplamiento entre kleaf y gs en un ciclo diurno de la demanda evaporativa. A pesar de relativamente gran variación diurna en gs y E para las especies de gimnospermas y angiospermas que crecen en un jardín común, sólo menor variación se observó en ΔΨstem – hoja a través de una amplia gama en E. Hasta ahora, isohydrodynamic comportamiento o un gradiente potencial agua relativamente constante, sólo ha sido explicada por un mecanismo que ocurre a nivel de planta entera, desde la raíz a la hoja, más cambios estacionales en la disponibilidad de agua del suelo (Franks et al., 2007). Los datos presentados aquí sugieren que, en condiciones de wellwatered, isohydrodynamic comportamiento es común en el nivel de hoja (por ejemplo higos 2, 3, 8b). Según lo descrito por la ecuación 1 y 2, puede ocurrir una variación menor de ΔΨstem – hoja sobre una gama diurnal grande en E y gs, si kleaf depende positivamente e igual a un circuito eléctrico que mantiene una conductancia eléctrica incluso cuando hay no actual, si existe una conexión hidráulica entre las plantas y la atmósfera entonces hojas mantendrá la capacidad para el transporte de agua , incluso Catalu = 0. En otras palabras, si kleaf es dinámicamente acoplados a E (kleaf(E)) o estática, tiene un finito valor cuando E = 0, es decir, kleaf(0) (ver métodos). Aquí se muestra que las gimnospermas bien regado y especies de árboles de angiospermas en el jardín común, esta capacidad inherente para transportar el agua es mayor para las especies de angiospermas de las gimnospermas (Fig. 6) y positivamente correlacionada con la conductancia estomática máxima diurna (Fig. 6A). Estos patrones son consistentes con la bien documentada coordinación de hidráulica y de gas capacidad de intercambio entre especies (p. ej. Meinzer y Grantz, 1990; Meinzer y Grantz, 1991; Sperry y Pockman, 1993; Winkel y Rambal, 1993; Meinzer et al., 1995; Andrade et al., 1998; Maherali et al., 1997; Mencuccini y Comstock, 1999; Mencuccini, 2003; Brodribb et al., 2005).

INFLUENCIA DEL CO2 ATMOSFÉRICO EN LA VARIACIÓN CONJUNTA ENTRE ΔΨSTEM – HOJA, E, GS, A Y KLEAF

A través de todos los tratamientos de crecimiento tres CO2 se observó una fuerte relación no lineal entre ΔΨstem – hoja y E donde g(wi–wa)/ΔΨleaf aumentado e incrementado. Como con las plantas del experimento de jardín común, esta tendencia puede atribuirse a una correlación positiva entre kleaf y de E que fue relativamente desacoplada de la variación de PAR (Fig. 9). Recientes investigaciones basándose en el método de flujo evaporativo proporciona evidencia adicional que kleaf se puede para arriba-regular transpiración aumenta (e.g. Scoffoni et al., 2008; Guyot et al., 2011). En este trabajo previo, a diferencia de la evaluación actual, aumentos en la tasa de transpiración fueron conducidos por una respuesta de luz gs. Como se informó aquí, puede ocurrir una dependencia positiva del kleaf de E independiente de la variación en la disponibilidad de luz. Esto sugiere que un mecanismo alternativo es necesario describir la coordinación entre kleaf y la luz. Por ejemplo, un modelo de isohydroynamic predice kleaf mayor intercepción de luz aumenta si aumenta resultados de absorción de energía en E mayor (véase higos 9 y 10). El modelo lineal positivo que describe la relación entre kleaf y E fue similar en los tratamientos de CO2 tal que kleaf(0) fue relativamente conservada entre tratamientos CO2 (Fig. 9B, cuadro 2). Sin embargo, la variación en crecimiento de CO2 influenciado donde plantas operadas por el modelo lineal que describe la variación de co entre kleaf y E, con una kleaf máxima inferior E a alto CO2 ambiente. Correspondiente con esto, gs promedio fue menor en el tratamiento de CO2 elevado en relación con el tratamiento de CO2 del ambiente, constante con muchos estudios sobre las plantas que crecen bajo diferentes concentraciones de CO2 atmosféricas (Morison y Gifford, 1983; Curación y Acock, 1986; Tolley y cepa, 1985; Morison y Lawlor, 1999). La estabilidad relativa del kleaf(0) a través de tratamientos CO2 del ambientales, ambientales y elevados a pesar de una disminución significativa de gs entre CO2 elevado y el ambiente es consistente con investigaciones anteriores. Entre especies, la sensibilidad de la conductancia estomática máxima (gs(max)) variación de atmosphericCO2 (ca) parece estar fuertemente no lineal, por el que la sensibilidad del gs(max) a los cambios de ca aumenta en baja ca (Beerling y Woodward, 1997; Francos y Beerling, 2009; Franks et al., 2012). La investigación reciente también sugiere que las diferencias relativas en gs entre las plantas cultivadas en el ambiente, ambiente y elevado CO2 menos de especies de plantas que poseen inherentemente altos gs (Franks et al., 2012). Además, a través de especies, hay una fuerte relación no lineal entre gs y kleaf, cuando se mide a un VPD común, por el que dgs/dkleaf aumenta a medida que aumenta de gs (francos, 2006). Tomados en conjunto, esta investigación anterior sugiere que las plantas con un inherentemente hig gs y kleaf mostrarán ajustes relativamente menores en gs(max) y kleaf(0) cuando está expuesto al CO2 elevado, como se muestra aquí con las plantas de H. annuus. Asimismo, la investigación reciente sobre soja sugiere que kleaf es relativamente insensible al CO2 elevado (700 ppm) a pesar de disminuciones de gs en el elevado CO2 (Locke et al., 2013). La investigación adicional, incluyendo más especies y rangos mayores de CO2, es necesaria entender mejor la influencia del elevado CO2 atmosférico en la coordinación entre E, kleaf, gs y A.

EL AUMENTO DE LA HIDRÁULICO, DKLEAF/DE Y LA SENSIBILIDAD DE GS A E

La investigación anterior ha demostrado claramente una base hidromecánica para el movimiento estomático que cambios en la abertura máxima potencial de estomas y por extensión gs están fuertemente influenciados por los cambios de estado de agua de la hoja a granel es decir Ψleaf (ver comentarios de Franks, 2004; Buckley, 2005). Este acoplamiento hidráulico entre el gs

potenciales máximas y resultados Ψleaf en un sistema de control hidromecánico que está fuertemente influenciado por E y kleaf. Por ejemplo, un sistema de control estomático hidromecánico que incluye una dependencia positiva del kleaf de E reducirá la sensibilidad de Ψleaf variación de E, en comparación con una kleaf constante (por ejemplo Fig. 8A) Esto puede ser demostrado matemáticamente por:

Esta amortiguación de la variación en Ψleaf como cambios E se espera que reduzca la sensibilidad de los gs a los cambios en VPD vía el lazo de regeneración hidráulica (Fig. 10). En otras palabras, la velocidad y dirección

del cambio en la proporción de kleaf en E (aquí esto se denomina el hidráulico ganancia; dkleaf/dE) es un buen índice de la sensibilidad del estado hídrico de la hoja (es decir, Ψleaf) y gs a un cambio en E. usando un modelo hidromecánico de gs, originalmente desarrollado por francos y Farquhar (1999) y más modificado por Franks et al (2007) para acomodar el comportamiento de isohydrodynamic (es decir, disminución de la ΔΨstem – hoja/E medida que aumenta la E), el impacto de una conductancia dinámico (kleaf(E)), en comparación con una kleaf estática, en la sensibilidad de los gs a los cambios en VPD fue evaluado. La salida del modelo sugiere que, para plantas bien hidratadas con una Ψstem fija, una dependencia positiva del kleaf de E reduce la sensibilidad de gs variación de VPD en comparación con una kleaf constante (Fig. 11). La investigación anterior ha proporcionado fuertes evidencias empíricas que sensibilidad estomática a VPD se correlacionó positivamente con el día operando gs bajo condiciones bien regadas en baja VPD, i.e.<1kPa (e.g. Oren et al., 1999). Semejantemente, a través de especies del jardín común una fuerte correlación negativa fue observada entre dkleaf/dE y kleaf(0), con kleaf(0) correlacionada positivamente con el gs máximas diurnas (Fig. 6A, C). Tomados en conjunto, el modelo de control de retroalimentación estomática de steadystate propuesto por Franks et al (2007) y la correlación negativa entre dkleaf/dE y kleaf(0) observado aquí proporcionar un marco mecanicista para la evaluación de correlaciones empíricas entre la sensibilidad estomática a VPD y gs bajo condiciones de riego en VPD bajo de funcionamiento durante el día. Se necesitan investigaciones adicionales para caracterizar mejor la coordinación entre kleaf(0), dkleaf/dE, máximos gs y sensibilidad estomática a VPD a través de plantas que abarcan una amplia gama en gs potenciales máximas.

POSIBLES PROCESOS SUBYACENTES A LA VARIABLE KLEAF MECANISMO

Ahora se reconoce bien que kleaf y hoja de cambio de gas están fuertemente influenciadas por la variación en rasgos de vena de hoja (e.g. Brodribb et al., 2007; Blonder et al., 2011; Saco y Scoffoni, 2013). Aunque cambios en xilema estructuran voluntad directamente afectar la inherente capacidad hidráulica de una hoja (por ejemplo, kleaf(0)) es poco probable que aumentos a corto plazo E y kleaf, cuando las hojas están bien hidratadas, son conducidos por para arriba-regulación de conductancia hidráulica xilema solos. Cambios en las concentraciones del ion de la savia del xilema de tallo ha demostrado influir significativamente en conductancia hidráulica de vástago (e.g. Zwieniecki et al., 2001; Nardini et al., 2011). Sin embargo, hasta la fecha, este efecto de iones no se ha encontrado en hojas (Sack et al., 2004). En cambio, conductancia hidráulica del xilema hoja, antes de cualquier tipo de disfunción del xylem, es relativamente constante e independiente de la variación a corto plazo en la demanda

evaporativa, excluyendo los efectos de la temperatura en la viscosidad. En contraste con la del xilema de la hoja, hay creciente evidencia de que la conductancia hidráulica de la rampa de pathwaycan extra-xilema hacia arriba o hacia abajo en el relativamente corto tiempo escalas en respuesta a cambios en una particular localización ambiental, tales como luz, la disponibilidad de agua o temperatura (e.g. Kikuta et al., 1997; Sobrio, 1997; Matzner y Comstock, 2001; Lo Gullo et al., 2005; Sellin y Kupper, 2005a, b; Cochard et al., 2007; Sellin y Kupper, 2007; Scoffoni et al., 2008; Sellin et al., 2008; Johnson et al., 2009; Pantin et al., 2012). Sin embargo, como cambios de luz y temperatura pueden tener efectos directos sobre la E, los datos presentados aquí sugieren que debería mantenerse una gama similar de E cuando la prueba para efectos de luz y temperatura sobre la conductancia hidráulica de la vía extra-xilema independiente de la variación de E. Hasta la fecha, la contribución relativa de agua transcelular y simplástica y apoplástica transporte a través de los tejidos extra-xylary está siendo objeto de debate (Tyree y Cheung, 1977; Tyree et al., 1981; Johansson et al., 1996; Morillon y Chrispeels, 2001; Aasamaa et al., 2005; Aroca et al., 2006; Cochard et al., 2004; Cochard et al., 2007; Kim y Steudle, 2007; Sellin et al., 2008; Baaziz et al., 2012; Rockwell et al., 2014), como es el grado en que los diferentes tejidos vivos de una hoja (por ejemplo, empalizada y mesófilo esponjoso, envoltura del paquete, epidermis) participan en la corriente de transpiración (e.g. Zwieniecki et al., 2007; Canny et al., 2012). Claramente una de las piezas perdidas del rompecabezas es la ubicación del sitio de evaporación dentro de la hoja (Pieruschka et al., 2010; Pico y Mott, 2011). Es difícil evaluar el transporte de agua a través de las vías extra-xylary de la hoja si no hay ninguna comprensión clara de donde termina la ruta de flujo de líquido y si la ubicación de estos sitios de evaporación varía con los cambios en la tasa absoluta de pérdida de agua de la hoja (por ejemplo, E). Por ejemplo, la investigación reciente sugiere que transporte de vapor a través de los espacios intercelulares de aire puede explicar una gran cantidad de transporte de agua entre las células del mesófilo y así la conductancia hidráulica del componente extra-xylary (Rockwell et al., 2014; Buckley, 2014). Además, cambios en E pueden cambiar la profundidad del frente de evaporación dentro de hojas (Rockwell et al., 2014; Buckley, 2014) y alterar la contribución relativa del líquido y de vapor de transporte a través de estas vías paralelas en el mesófilo. Donde los sitios de evaporación se producen en la hoja la caracterización es necesario comprender cómo transporte de agua a través del mesófilo se reparte entre estos caminos paralelos (es decir, líquido – apoplástica simplástica, transcelular; espacios aéreos intercelulares – vapor).

Conclusiones

Los resultados presentados aquí sugieren que cuando las plantas son wellhydrated, kleaf no permanecen fijos o disminuir E aumenta, pero aumenta bastante con la E. Aquí, esta dinámica kleaf se denomina kleaf(E), que incorpora la kleaf inherente en cero E, kleaf(0). Esta dependencia positiva de kleaf E tiende a minimizar o reducir los gradientes de potencial de agua en el continuo suelo – planta – atmósfera. Minimizar variación en ΔΨstem – hoja sobre una gama amplia de E (es decir, manteniendo condiciones de isohydrodynamic) y por lo tanto maximizar el contenido de agua de la hoja (LWC), tienen muchas implicaciones potenciales para el balance de carbono de toda la planta. Bien se reconoce que disminuye Ψleaf y LWC puede aumentar estomáticos y bioquímicos limitaciones a la tasa de asimilación de CO2 (A) y así disminuir A potenciales para condiciones ambientales (Lawlor, 2002; Lawlor y Cornic, 2002). Una dependencia positiva del kleaf de E, en definitiva, aumentará el rango de potenciales de agua del tallo donde hojas pueden mantener agua potencial por encima del punto de pérdida de turgencia, apoyo alta LWC, gs y A. Este mecanismo se domina solamente mientras que el

xilema permanece intacto hidráulicamente, es decir, en hojas bien hidratados. Ψleaf cae por debajo del umbral de cavitación dominará la gota subsecuente en kxylem como la hoja exhibe el patrón clásico de caída E con disminución de la kleaf. Minimizar ΔΨstem hoja evita otras consecuencias negativas de gradientes potencial excesiva de agua como tasas reducidas de exportación de fotoasimilados desde las hojas (Nikinmaa et al., 2013; Turgeon, 2010; Holtta et al., 2009; Holtta et al., 2006; Thompson y Holbrook, 2004). La naturaleza dinámica de la kleaf por lo tanto es parte integral de muchos aspectos de la productividad y uso de agua de la planta y se debe considerar en los modelos mecanicistas de la vegetación.

Datos complementarios

Datos complementarios están disponibles en JXB en línea. Figura S1. Variación diurna en la radiación fotosintéticamente activa (PAR, µmol m – 2 s – 1), la conductancia estomática (gs, mol m-2 s-1), tallo y hoja de agua potencial (Ψstem y Ψleaf, MPa), hoja de la conductancia hidráulica (kleaf, mmol m-2 s-1) y la tasa de transpiración (E de mmol m-2 s-1) de tres especies de angiospermas crecen en un jardín común. Figura S2. Variación diurna de la radiación fotosintéticamente activa (PAR, µmol m – 2 s – 1), conducatance estomatal (gs, mol m-2 s-1), tallo y hoja agua potencial (Ψstem y Ψleaf, MPa), hoja de conductancia hidráulica (kleaf, mmol m-2 s-1) y tasa de transpiración (E de mmol m-2 s-1) de tres especies de gimnospermas que crecen en un jardín común.