Mesophyll conductance adaptation and acclimatization by anatomical adjustments

Abstract

[eng] Mesophyll (internal) conductance to CO2 (gm) is a key photosynthetic trait. Despite it has been traditionally considered infinite, gm limits the diffusion of CO2 from the substomatal cavity to the sites of carboxylation in the chloroplast and varies in response to environmental factors, either in the short- (i.e. seconds to minutes) and long-term, along leaf ontogeny and differs between genotypes and phylogenetic groups. However, although several structural and biochemical determinants regulating gm have been identified, the mechanistic basis of gm variability are not fully understood. Among them, the mechanisms explaining the immediate changes of gm to environmental variations are unknown. Moreover, the extent of the effect of such variations on gm is reduced to a few species, notably crops and plant model species, being the information available on gm and its anatomical determinants in important groups of terrestrial plants (such as pteridophytes, lycophytes or bryophytes) very scarce. To determine these mechanistic bases and the different anatomical strategies that exist in photosynthetic organs is crucial for improving photosynthesis models and pinpointing targets for engineering leaf structure to enhance photosynthetic capacity in crops. The objectives of the present thesis are (1) to provide further insights on how the environment modulates the relationship between leaf anatomy and mesophyll conductance to CO2, and (2) to determine the main leaf anatomy traits influencing mesophyll conductance to CO2 across the land plant phylogeny. The results show that typically observed changes in gm in response to short-term variations in ambient CO2 concentrations or light intensity are not explained by anatomical mechanisms in tobacco. Instead, anatomical mechanisms largely explain the acclimation of gm to different light growth conditions in Arabidopsis. Leaves developed under higher irradiances present thicker leaves, allowing space for more mesophyll cells, which improves the mesophyll and chloroplast surface area exposed to intercellular airspaces per leaf area (Sm/S and Sc/S, respectively) and positively affecting gm. The role of cell walls on setting gm increases its relevance along Arabidopsis leaf ageing due to the increase of cell wall thickness (Tcw) regardless of the light intensity. Concerning different phylogenetic groups, the present PhD thesis represents the first exhaustive analysis of gm and the anatomical features that determines it in three of the most primitive embryophyte groups: pteridophytes, lycophytes and bryophytes. These land plant groups are distinguished by their low gm values, generally explained by their low Sc/S and their thick cell walls. These findings demonstrate a phylogenetic trend —whether due to evolutionary adaptation and/or adaptation to different habitats or life forms— towards decreased CO2 diffusion resistance inside photosynthetic organs mainly thanks to increased Sc/S and decreased Tcw along the land plant’s phylogeny. For a deeper understanding of the leaf structural strategies that allow to increase Sc/S, and therefore decrease total CO2 diffusion resistance in the mesophyll, the exceptional nature of Thuja plicata is investigated. T. plicata proves to be able to achieve the highest Sc/S ever reported by developing thick leaves and mesophyll cells, revealing another biologically viable target for manipulating the leaf structure in order to increase plants’ photosynthetic capacity. Finally, the study of physiological traits and cell wall properties in seven conifers reveals that, at least in species with thick cell walls, cell wall chemical properties are strong determinants of gm. Specifically, the pectin fraction content seems to have a crucial role in regulating gm.

[cat] La conductància del mesòfil (interna) al CO2 (gm) és un tret fotosintètic clau. La gm, malgrat haver estat considerada tradicionalment com a infinita, limita la difusió del CO2 des de la cavitat subestomàtica fins als llocs de carboxilació en el cloroplast i, a més, varia en resposta de factors ambientals, tant a curt (és a dir, de segons a minuts) com a llarg termini, durant l’ontogènia foliar, i entre genotips i grups filogenètics. No obstant això, tot i que s’han identificat diversos determinants estructurals i bioquímics que regulen la gm, les bases mecanicistes de la variabilitat de la gm no són completament compreses. Entre aquestes bases, es desconeixen els mecanismes que expliquen els canvis immediats de la gm a variacions ambientals. A més, l’abast de l’efecte d’aquestes variacions sobre la gm es redueix a unes poques espècies, principalment a cultius i espècies de plantes model, de tal manera que és molt escassa la informació disponible sobre la gm i els seus determinants anatòmics en grups importants de plantes terrestres (com els pteridòfits, els licòfits o els briòfits). Determinar aquestes bases mecanicistes i les diferents estratègies anatòmiques que existeixen en els òrgans fotosintètics és crucial per millorar els models fotosintètics i per identificar les dianes per a redissenyar l’estructura de les fulles i millorar la capacitat fotosintètica dels cultius. Els objectius d’aquesta tesi són (1) proporcionar més informació sobre com l’ambient modula la relació entre l’anatomia de les fulles i la conductància del mesòfil al CO2, i (2) determinar els principals trets anatòmics foliars que influencien la conductància del mesòfil al CO2 al llarg de la filogènia de les plantes terrestres. Els resultats mostren que els canvis típicament observats en gm en resposta a variacions a curt termini de les concentracions ambientals de CO2 o de la intensitat lumínica no s’expliquen per mecanismes anatòmics en el tabac. En canvi, els mecanismes anatòmics expliquen en gran mesura l’aclimatació de la gm a diferents condicions lumíniques de creixement en el cas de l’Arabidopsis. Les fulles desenvolupades sota irradiacions superiors presenten fulles més gruixudes, fet que permet més espai per a cèl•lules del mesòfil i augmenta l’àrea de superfície del mesòfil i cloroplàstica exposada als espais aeris intercel•lulars per unitat d’àrea foliar (Sm/S i Sc/S, respectivament). Conseqüentment, això afecta positivament a la gm. El paper de les parets cel•lulars en la determinació de la gm augmenta en rellevància durant l’envelliment de les fulles de l’Arabidopsis a causa de l’augment de la gruixa de la paret cel•lular (Tcw), independentment de la intensitat lumínica de creixement. Pel que fa als diferents grups filogenètics, aquesta tesi doctoral representa el primer anàlisi exhaustiu de la gm i les característiques anatòmiques que la determinen en tres dels grups més primitius d’embriòfits: pteridòfits, licòfits i briòfits. Aquests grups de plantes terrestres es distingeixen per una gm baixa, generalment explicada per la baixa Sc/S i les gruixudes parets cel•lulars. Aquests resultats demostren una tendència filogenètica —ja sigui com a resultat d’una adaptació evolutiva i/o una adaptació a diferents hàbitats o formes de vida— cap a la disminució de la resistència a la difusió del CO2 dins els òrgans fotosintètics al llarg de la diversificació de les plantes terrestres. Això és possible principalment gràcies a l’augment de Sc/S i la disminució de la Tcw. Per tal de comprendre més profundament les estratègies estructurals que permeten assolir majors Sc/S a les fulles i que, per tant, disminueixen la resistència total a la difusió del CO2 en el mesòfil, s’ha investigat el caràcter excepcional de Thuja plicata. Aquesta espècie demostra la capacitat d’aconseguir la Sc/S més elevada que s’ha reportat mai gràcies al desenvolupament de fulles gruixudes i cèl•lules del mesòfil de gran mida, el que identifica una nova estratègia biològicament viable per manipular l’estructura de les fulles i així augmentar la capacitat fotosintètica. Finalment, l’estudi dels característiques fisiològiques i de les propietats de la paret cel•lular a set coníferes demostra que, almenys en espècies amb parets cel•lulars gruixudes, les propietats químiques de la paret cel•lular determinen de forma important la gm. Específicament, la fracció de pectines sembla tenir un rol crucial en la regulació de gm.

[spa] La conductancia del mesófilo (interna) al CO2 (gm) es un rasgo fotosintético clave. La gm, a pesar de haber sido considerada tradicionalmente como infinita, limita la difusión del CO2 desde la cavidad subestomática hasta los sitios de carboxilación en el cloroplasto i, además, varía en respuesta a factores ambientales, tanto a corto (es decir, de segundos a minutos) cómo a largo termino, durante la ontogenia foliar, y entre genotipos y grupos filogenéticos. Sin embargo, pese a que se han identificado diversos determinantes estructurales y bioquímicos que regulan la gm, las bases mecanicistas de la variabilidad de la gm no son completamente comprendidas. Entre estas bases, se desconocen los mecanismos que explican os cambios inmediatos de la gm a variaciones ambientales. Además, el alcance del efecto de estas variaciones sobre la gm se reduce a unas pocas especies, principalmente a cultivos y especies de plantas modelo, de tal manera que es muy escasa la información disponible sobre la gm y sus determinantes anatómicos en grupos importantes de plantas terrestres (cómo los pteridófitos, los licófitos o los briófitos). Determinar estas bases mecanicistas y las diferentes estrategias anatómicas que existen en los órganos fotosintéticos es crucial para mejorar los modelos fotosintéticos y para identificar las dianas para rediseñar la estructura de las hojas y mejorar la capacidad fotosintética de los cultivos. Los objetivos de esta tesis son (1) proporcionar más información sobre cómo el ambiente modula la relación entre la anatomía de las hojas y la conductancia del mesófilo al CO2, y (2) determinar los principales rasgos anatómicos foliares que influencian la conductancia del mesófilo al CO2 a lo largo de la filogenia de las plantas terrestres. Los resultados muestran que los cambios típicamente observados en gm en respuesta a variaciones a corto término de las concentraciones ambientales de CO2 o de la intensidad lumínica no se explican por mecanismos anatómicos en el tabaco. En cambio, los mecanismos anatómicos explican en gran medida la aclimatación de la gm a diferentes condiciones lumínicas de crecimientos en el caso de la Arabidopsis. Las hojas desarrolladas bajo irradiaciones superiores presentan hojas más gruesas, hecho que permite más espacio para células del mesófilo y aumenta el área de superficie del mesófilo y cloroplástica expuesta a los espacios aéreos intercelulares por unidad de área foliar (Sm/S y Sc/S, respectivamente). En consecuencia, esto afecta positivamente a la gm. El papel de las paredes celulares en la determinación de la gm aumenta en relevancia durante el envejecimiento de las hojas de la Arabidopsis a causa del aumento del grosor de la pared celular (Tcw), independientemente de la intensidad lumínica de crecimiento. Por lo que se refiere a los diferentes grupos filogenéticos, esta tesis doctoral representa el primer análisis exhaustivo de la gm y las características anatómicas que la determinan en tres de los grupos de embriófitos más primitivos: pteridofitos, licófitos y briófitos. Estos grupos de plantas terrestres se distinguen por una gm baja, generalmente explicada por la baja Sc/S y las gruesas paredes celulares. Estos resultados demuestran una tendencia filogenética —ya sea cómo resultado de una adaptación evolutiva y/o una adaptación a diferentes hábitats o formas de vida— hacia la disminución de la resistencia a la difusión del CO2 dentro de los órganos fotosintéticos a lo largo de la diversificación de las plantas terrestres. Esto es posible principalmente gracias al aumento de Sc/S y la disminución del Tcw. Para comprender más profundamente las estrategias estructurales que permiten alcanzar mayores Sc/S a las hojas y que, por tanto, disminuyen la resistencia total a la difusión del CO2 en el mesófilo, se ha investigado el carácter excepcional de Thuja plicata. Esta especie demuestra la capacidad de conseguir la Sc/S más elevada que se ha reportado nunca gracias al desarrollo de hojas gruesas y células del mesófilo de gran tamaño, lo que identifica una nueva estrategia biológicamente viable para manipular la estructura de las hojas y así aumentar la capacidad fotosintética. Finalmente, el estudio de las características fisiológicas y de las propiedades de la pared celular en siete coníferas demuestra que, al menos en especies con paredes celulares gruesas, las propiedades químicas de la pared celular determinan de forma importante la gm. Específicamente, la fracción de pectinas parece tener un rol crucial en la regulación de gm.