Differences in the physiological and biochemical response of C3 and C4 crops to high temperature and drought stress

Ing. Emmanuel Opoku

Doctoral thesis

Rozdíly ve fyziologické a biochemické odpovědi C3 a C4 plodin na stres vysoké teploty a sucha

Abstract:

Tato dizertační práce zkoumá, jak C3 a C4 plodiny reagují na vysoké teploty a stres suchem při zvýšené koncentraci CO2. V letech 2021 a 2022 byly provedeny dva experimenty v růstových komorách s použitím modelových plodin C3 (dva genotypy ječmene) a C4 (dva genotypy kukuřice, proso a čirok). V roce 2021 byl u všech 6 druhů simulován stres vysoké teploty (HT) při zvýšeném CO2 (EC). Ječmen a kukuřice měly dva různé genotypy se znaky relevantními pro toleranci stresu. Studie zjistila, že EC a HT měly interaktivní účinky na fyziologické a metabolické procesy v rostlinách. Zvýšená teplota vedla k vyššímu Amax u obou C3 a C4 genotypů s výjimkou genotypu kukuřice Korynt, Ječmen C3 vykazoval zvýšenou průduchovou vodivost GS za EC, ale většinou se snížila u druhů C4. Interakce variant HT a EC měla výrazné účinky na různé druhy, zejména pokud jde o efektivitu využití vody (WUE), která se zvýšila u druhů C4 při zvýšeném CO2, ale klesla díky vysokým teplotám ve srovnání s ječmenem C3. HT ovlivňovala parametry fluorescence chlorofylu rozdílně mezi druhy/genotypy C3 a C4 a vedla k rozdílům v indexech chlorofylu a flavonolu. Obsah specifických aminokyselin, fenolických sloučenin a cukrů se mezi druhy/genotypy lišil. V roce 2022 tato studie zkoumala vliv koncentrace zvšené CO2 (EC), sucha a zvýšené teploty (HT) na fyziologické parametry a metabolismus rostlin u jedné reprezentativní plodiny C3 (ječmen Barke) a jedné C4 (čirok Ruby). Zvýšená teplota snížila parametry, jako je relativní obsah vody (RWC) a asimilace CO2 (Amax). Nejvýznamnější vliv na fyziologické parametry mělo sucho s výraznými interakcemi s teplotou, druhem/genotypem a koncentrací CO2. Při kombinované HT a EC vykazovaly druhy C4 (čirok) lepší produkci biomasy, zatímco ječmen C3 fungoval dobře při nízkých teplotách s menším vlivem sucha a bez významné odezvy na EC. EC ovlivnilo zejména fotosyntetické parametry jako je Amax a WUE. Stres sucha zvýšil akumulaci určitých aminokyselin, cukrů a ABA, zatímco HT ovlivnilo akumulaci metabolitů podobným způsobem jako sucho. Pozorovány byly druhově specifické rozdíly v akumulaci ochranných látek a fenolických sloučenin s rozdíly mezi ječmenem a čirokem.

Abstract:

This Ph.D. thesis investigates how C3 and C4 crops respond to high temperatures and drought stress under elevated CO2. Two growth chamber experiments were conducted in 2021 and 2022, using C3 (two genotypes of Barley) and C4 (two genotypes of maize, foxtail millet, and sorghum) crops as models. In 2021, high-temperature stress (HT) under elevated CO2 (EC) was simulated for all 6 species. Barley and maize had two different genotypes with traits relevant to stress tolerance. The study found that EC and HT had interactive effects on physiological and metabolic processes in plants. Increasing temperature caused an increase in Amax for both C3 and C4 genotypes except for maize genotype Korynt. C3 barley showed increased stomatal conductance GS under EC, but mostly decreased in C4 species. The interaction of HT and CO2 treatments had distinctive effects on different species, especially regarding water use efficiency (WUE), which increased in C4 species under elevated CO2 but declined due to high temperatures compared to C3 barley. HT influenced chlorophyll fluorescence parameters differently between C3 and C4 species/genotypes, and it led to contrasting patterns in chlorophyll and flavonol indexes. The content of specific amino acids, phenolic compounds, and sugars varied among species/genotypes. In 2022, the experiment examined the impact of CO2 concentration, drought, and temperature on physiological parameters and plant metabolism in one representative C3 (barley Barke) and one C4 (sorghum Ruby) crop. HT reduced parameters such as relative water content (RWC) and light-saturated CO2 assimilation (Amax). Drought significantly affected physiological parameters, with notable interactions with temperature, species/genotype, and CO2 concentration. Under combined HT and EC, C4 species (sorghum) showed better biomass production, while C3 barley performed well under low temperatures with less drought impact and no significant response to EC. EC particularly affected photosynthetic parameters like Amax and WUE. Drought stress increased the accumulation of certain amino acids, sugars, and ABA, while HT affected the accumulation of metabolites similarly to drought. Species-specific differences were observed in the accumulation of protective compounds and phenolic compounds, with variations between barley and sorghum.

Keywords

fotosyntéza, stres suchem, stres vysokou teplotou

Keywords

Photosynthesis, drought stress, high temperature stress

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 8. 2023

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Karel Klem, Ph.D.
• Reader: Jana Albrechtová, prof. RNDr., Ph.D., Václav Hejnák, Ph.D., Daniel Vrábl

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Doctoral programme / field:
Plant Production / General Plant Production