Multiple effects of climate change on plants: implications for natural ecosystems and agriculture | Efeitos múltiplos das mudanças climáticas nas plantas: implicações para os ecossistemas naturais e a agrícolas

Nesta tese, exploramos as complexas dinâmicas das respostas das plantas a um clima em rápida mudança, examinando desde alterações nas estratégias funcionais em ecossistemas específicos até a interação entre plantas e microrganismos sob condições climáticas alteradas. No primeiro capítulo, investigamos os efeitos de longo prazo do aumento de temperatura e do déficit hídrico no Campo Rupestre. Postulamos que, independentemente do habitat, as condições ambientais deste ecossistema tendem a favorecer maior alocação de recursos para manter a estratégia de tolerância ao estresse, uma tendência que pode estar sendo intensificada pelas recentes mudanças climáticas. Para testar essa hipótese, empregamos dados de campo sobre estratégias ecológicas das plantas combinados com técnicas de sensoriamento remoto para examinar a reflectância histórica e informações climáticas. No geral, as comunidades vegetais do Campo Rupestre apresentam uma alocação mais pronunciada à estratégia tolerante ao estresse. As tendências observadas nos últimos quarenta anos indicam aumento da temperatura e do déficit hídrico. Essas mudanças estão ligadas a um aumento na alocação de recursos para características de tolerância ao estresse na vegetação. No entanto, em longo prazo, a mudança nas proporções das estratégias funcionais CSR (competitiva, estresse tolerante, ruderal) sugere um favorecimento de espécies mais competitivas em detrimento das tolerantes ao estresse ou mudanças na plasticidade vegetal. Espécies que anteriormente dominavam devido à sua capacidade de resistir a condições adversas estão sendo substituídas por aquelas que são mais eficientes na competição em um ambiente em mudança. No segundo capítulo, avaliamos a influência das elevadas concentrações de dióxido de carbono (eCO2) e temperatura (eT) sobre os fatores limitantes da fotossíntese, examinando como mudanças no metabolismo primário podem afetar a produtividade e os atributos florais que atraem polinizadores. Escolhemos o girassol para este estudo. De modo geral nossos resultados mostraram que a eCO2eT melhorou o desempenho fisiológico dos girassóis, mas isso não foi acompanhado por um aumento no crescimento e na produtividade. A redução na produção de sementes de girassol pode ter impactos negativos na ecologia, na diversidade genética e na economia agrícola. Embora o eCO2eT não tenha afetado o tamanho da inflorescência do girassol, afetou a pigmentação das pétalas e a qualidade do pólen, o que pode ter implicações significativas para a saúde dos polinizadores. No terceiro capítulo, investigamos como o eCO2 e a eT podem influenciar a relação simbiótica entre planta e fungo, selecionando como modelo de estudo o girassol e o fungo Aspergillus flavus. Nossa hipótese central é que uma cepa específica de A. flavus, atuando como um endófito simbiótico, poderia desempenhar um papel crucial na aclimatação do girassol a ambientes de eCO2 e eT, melhorando seu desempenho fisiológico. Nossos resultados mostram que a inoculação do girassol com A. flavus em condições isoladas de eCO2 e temperatura ambiente melhora o nitrogênio foliar, a clorofila e a biomassa. Contudo, a inoculação com A. flavus evitou os efeitos positivos tipicamente associados ao eCO2. Esta inibição pode ser resultado da alteração da capacidade de colonização do fungo e de mudanças na produção de metabólitos secundários da planta sob o eCO2, ambos críticos na dinâmica planta-fungo. Por outro lado, sob condições de eT, A. flavus aumenta a taxa de transporte de nitrogênio e elétrons foliar. Embora A. flavus não afete as trocas gasosas foliares em girassóis, a ausência do fungo sob condições combinadas de eCO2 e eT leva a um aumento na fotossíntese. Em contraste, o eT por si só resulta em maior eficiência no uso da água e redução da condutância estomática. Sob eCO2eT, A. flavus diminui a intensidade de fluorescência da clorofila a, sugerindo um impacto negativo no transporte de elétrons, embora não ocorram danos visíveis nas folhas. Sob condições combinadas de CO2 ambiente e eT, foi observada uma melhoria na eficiência fotossintética em girassóis. Estes estudos destacam a necessidade de abordagens integradas que considerem a complexidade das respostas vegetais e a interdependência entre diferentes organismos, visando a conservação da biodiversidade e a sustentabilidade da produção agrícola diante dos desafios impostos pelas mudanças climáticas.

In this thesis, we explore the complex dynamics of plant responses to a rapidly changing climate, examining everything from changes in functional strategies in specific ecosystems to the interaction between plants and microorganisms under altered climatic conditions. In the first chapter, we investigate the long-term effects of increased temperature and water deficit in the Campo Rupestre. We postulate that, regardless of the habitat, the environmental conditions of this ecosystem tend to favour a greater allocation of resources to maintain the stress tolerance strategy, a trend that may be being intensified by recent climate changes. To test this hypothesis, we employed field data on plant ecological strategies combined with remote sensing techniques to examine historical reflectance and climatic information. Overall, the plant communities of the Campo Rupestre show a more pronounced allocation to the stress-tolerant strategy. The trends observed over the last forty years indicate an increase in temperature and water deficit. These changes are linked to an increase in the allocation of resources to stress tolerance characteristics in vegetation. However, in the long term, the change in the proportions of CSR (competitive, stress tolerant, ruderal) functional strategies suggests a preference for more competitive species over stress-tolerant ones or changes in plant plasticity. Species that previously dominated due to their ability to withstand adverse conditions are being replaced by those that are more efficient in competition in a changing environment. In the second chapter, we assess the influence of elevated concentrations of carbon dioxide (eCO2) and temperature (eT) on the limiting factors of photosynthesis, examining how changes in primary metabolism can affect productivity and the floral attributes that attract pollinators. We chose the sunflower for this study. Overall, our results showed that eCO2eT improved the physiological performance of sunflowers, but this was not accompanied by an increase in growth and productivity. The reduction in sunflower seed production may have negative impacts on ecology, genetic diversity, and agricultural economy. Although eCO2eT did not affect the size of the sunflower inflorescence, it affected the pigmentation of the petals and the quality of the pollen, which may have significant implications for the health of pollinators. In the third chapter, we investigate how eCO2 and eT can influence the symbiotic plant-fungus relationship, selecting the sunflower and the fungus Aspergillus flavus as our study model. Our central hypothesis is that a specific strain of A. flavus, acting as a symbiotic endophyte, could play a crucial role in the acclimation of sunflowers to eCO2 and eT environments, improving their physiological performance. Our results show that inoculating sunflowers with A. flavus under isolated conditions of eCO2 and ambient temperature improves foliar nitrogen, chlorophyll, and biomass. However, inoculation with A. flavus avoided the positive effects typically associated with eCO2. This inhibition may result from the alteration of the fungus's colonisation capacity and changes in the production of plant secondary metabolites under eCO2, both critical in plant-fungus dynamics. On the other hand, under eT conditions, A. flavus increases the rate of nitrogen and electron transport in leaves. Although A. flavus does not affect leaf gas exchanges in sunflowers, the absence of the fungus under combined eCO2 and eT conditions leads to an increase in photosynthesis. In contrast, eT alone results in greater water use efficiency and reduced stomatal conductance. Under eCO2eT, A. flavus decreases the chlorophyll a fluorescence intensity, suggesting a negative impact on electron transport, although no visible damage occurs on the leaves. Under combined ambient CO2 and eT conditions, an improvement in photosynthetic efficiency in sunflowers was observed. These studies highlight the need for integrated approaches that consider the complexity of plant responses and the interdependence between different organisms, aiming at the conservation of biodiversity and the sustainability of agricultural production in the face of challenges posed by climate change.

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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

2026-03-27