Effects of abiotic stress on foliage photosynthetic characteristics and volatile organic compound emissions in tropical agricultural species

Plant species emit a wide varieties of biogenic volatile organic compounds (BVOCs) when they are stressed. Plant stressors can be either biotic such as pathogens, viruses and insect infestations or abiotic such as ozone, high and low temperatures, drought and salinity. Furthermore, volatile organic compound emission is one of the major stress indicators that reveals the magnitude of stress and critical threshold in plants. In addition, photosynthetic characteristics - net assimilation rate, stomatal conductance to water vapour, intercellular CO2 concentration and changes in maximum quantum yield of photosystem II are altered during plant stress episode simultaneously with emission of volatiles. During stress episodes, plant BVOCs play a key role in plant protection by enhancing their ability to withstand stress thereby reducing cellular membrane damage. Extreme temperature is one of the major abiotic stressors negatively affecting plant physiological and biochemical characteristics leading to improper development, reduction in plant growth, yield and quality of crop. Hence, reduced plant productivity and overall yield as a result of high temperatures and heat waves poses as threat to plants in the tropical “hot” regions of the world. In addition, high temperatures lead to alteration in biosynthesis, oxidative stress and emission of BVOCs plants. In particular, negative influence of extreme temperatures is not limited only to global crop yield, but also to global atmospheric chemistry negatively affecting human existence and activities. Furthermore, wounding is a mechanical common mechanical injury on plants caused by wind, piercing or chewing insects, precipitation and falling debris. Wounding causes damage to leaf storage structures resulting in excess water loss, damage to cellular structures and rapid emission of BVOCs. Therefore, exposure of plant to heat and wounding treatments most likely would result in modification of plant major biosynthesis and physiological activities. Tropical agricultural species largely contributes to the world vegetation cover, yet they are underutilized and understudied. There is less information on how tropical plants tolerate and respond to abiotic stress, and the relationship between plant BVOCs emission and atmospheric chemistry. On that account, having a full knowledge and providing important insights on the effects of stress on various tropical plant species through modifications of their eco-physiological activities is necessary. AIMS OF THE STUDY The overall objective of the thesis were to: 1. Investigate the impacts of varying magnitudes of heat stress on foliage photosynthetic characteristics and emission of BVOCs in tropical crop species from stress application through various modifications and recovery in order to show species resistance to heat stress (Papers I, II). 2. Study the modifications of different BVOC groups upon heat stress from major plant biochemical pathways through volatile emission responses and stress recovery (Papers I, II). 3. Assess the effects of heat and wounding stress on leaf constitutive and stress-induced BVOC emission response upon stress through recovery (Papers I, II, III). 4. Study the various modifications in BVOC composition in the studied species in response to heat and wounding stress (Papers I, II, III). MAIN RESULTS In this thesis, a three model system was developed in our laboratory to demonstrate the effect of abiotic stresses on photosynthetic activities and secondary metabolism through recovery in tropical agricultural crop species.  In Amaranthus cruentus, Amaranthus hybridus, Solanum aethiopicum, Telfairia occidentalis and Vigna unguiculata leaves, severe heat stress of 49 °C led to species-specific modification in photosynthetic and BVOC emission rates, and a major inhibition in leaf net assimilation rate. Exposure of species to heat stress resulted in the elicitation of key volatile groups in individual species, hence, species heat resistance and physiological activity largely contributed in variations in volatile emission composition. Species possessing a greater heat stress resistance stand a better chance at photosynthetic recovery and a much lower degree of immediate stress response whereas, species with a lower heat stress resistance were more affected by heat stress exposure, thereby resulting to a greater emission of stress-induced BVOCs. Although the BVOC emissions were generally low, a greater species constitutive BVOC emission capacity was associated with a greater heat stress resistance (Paper I).  In leaves of Carica papaya, varying degrees of heat stress from mild to severe led to a decline in leaf photosynthetic traits with no recovery observed after severe heat treatment, moderate heat stress resulted in partial recovery and full recovery was attained after mild heat treatment. Leaf exposure to moderately severe heat treatment, resulted in enhanced emission of stress-induced volatiles especially oxygen-containing terpenes indicating increased leaf oxidative status. Severe heat stress in comparison with moderately severe heat stress, resulted in decreased BVOC emissions, indicating overall inhibition of leaf physiological activity. Different heat stress treatments resulted in modifications of volatile pool in C. papaya. (Paper II).  In Abelmoschus esculentus, Amaranthus cruentus, Amaranthus hybridus, Solanum aethiopicum and Telfairia occidentalis leaves, wounding stress (12-mm cuts) led in quick emission of major stress volatiles such as methanol (40% of total emissions), hexenal (24%), and acetaldehyde (11%). Hence, interspecific differences in emission rate and emission magnitude was at a great level. However, an inverse relationship scaled between emission strength and emission signal specificity due to negative relationships between LOC and terpenoids and benzenoid and LOX volatiles and terpenoids and benzenoid. Net assimilation rate and stomatal conductance recovered fully after wounding stress although, leaf foliage anatomical and chemical characteristics varied among species. Overall, emission oxygenated volatile organic compounds was more pronounced in the study, hence emissions tropical agricultural crop species are a major contributor of oxygenated volatiles in the atmospheric chemistry (Paper III).

Stressi olukorras emiteerivad taimed palju erinevaid biogeenseid lenduvaid ühendeid. Stressoriteks võivad olla kas biootilised faktorid nagu näiteks patogeenid, viirused ja putukate kahjustused või abiootilised faktorid nagu osoon, kõrged ja madalad temperatuurid, põud ja soolsus. Suurenenud lenduvate orgaaniliste ühendite emissioon on ka üks peamisi stressi indikaatoreid, mis näitab stressi tugevust ja kriitilise taluvusläve ületamist taimedes. Fotosünteesi näitajatest fotosünteesi kiirus, õhulõhede juhtivus, rakusisene CO2 ja fotosüsteem II maksimaalset kvantsaagist muutuvad stressiepisoodi ajal samaaegselt koos lenduvate ühendite emissiooniga. Stressiepisoodide jooksul on taimede poolt emiteeritud lenduvühenditel tähtis roll stressiga toimetulekus, suurendades taimede võimet taluda stressi ning vähendada seeläbi rakumembraani kahjustusi. Äärmuslikud temperatuurid on üks peamisi abiootilisi stressoreid, mis mõjutab negatiivselt taimede füsioloogilisi ja biokeemilisi omadusi, põhjustades taimede ebanormaalset arengut ning kasvu, saagikuse ja saagi kvaliteedi vähenemist. Seega kõrged temperatuurid ja kuumalained ohustavad tootlikkust ja üldist saagikust ka nendel taimedele, mis asuvad troopilises „kuumas“ piirkonnas. Lisaks põhjustavad kõrged temperatuurid muutusi biosünteesis, oksüdatiivse stressi seisundis ja emiteeritavate lenduvühendite emissioonis. Äärmuslike temperatuuride negatiivne mõju ei piirdu ainult globaalse (taime) saagikusega, vaid ka globaalse atmosfääri keemiaga, mis mõjutab omakorda negatiivselt inimeste igapäeva elu ja tegevust. Lisaks eeltoodule on olulised ka mehaanilised vigastused, mida tekitavad tuul, lehte läbistavad või närivad kahjurid, sademed ja muu langev tahke materjal. Mehaanilised vigastused tekitavad liigse veekao, kahjustusi rakustruktuurides ja lenduvühendite emissiooni kiire tõusu. Taime kokkupuude kõrgete temperatuuridega ja mehaaniliste vigastustega toob tõenäoliselt kaasa muutusi taime biosünteesis ning füsioloogilises aktiivsuses. Troopilised põllukultuurid moodustavad märkimisväärse osa maailma taimkattest, kuid neid kasutatakse ja uuritakse vähe. Veel vähem on aga teavet selle kohta, kuidas troopilised põllukultuurid reageerivad abiootilisele stressile ja tulevad sellega toime ning milline on seos nende taimede poolt emiteeritud lenduvühendite emissiooni ja atmosfääri keemia vahel. Seetõttu on vaja täiendavaid ja olulisi teadmisi stressi mõjust erinevatele troopilistele taimeliikidele muutes nende ökofüsioloogilist aktiivsust. Uurimistöö eesmärgid Üleüldised doktoritöö eesmärgid olid: 1. Uurida erineva ulatusega kuumastressi mõju troopiliste põllukultuuride fotosünteesi näitajatele ja lenduvühendite emissioonile alates stressi rakendamisest kuni taastumiseni, et esitada liikide vastupidavust kuumastressile (I, II artikkel) 2. Uurida erinevate lenduvühendite gruppide muutusi läbi iseloomulike biosünteesiradade alates stressi rakendumisest kuni taastusperioodini (I, II artikkel) 3. Hinnata kuumastressi ja mehaanilise vigastuse mõju konstitutiivsete ja stressist tingitud lenduvühendite emissioonile stressi algusest kuni taastumiseni (I-III artikkel) 4. Uurida millised koosseisu muutused toimuvad lenduvühendite emissioonis peale kuumastressi ja mehaanilist vigastust (I-III artikkel) 5. Hinnata mehaanilisest vigastusest tingitud lenduvühendite erinevust, fotosünteesi näitajaid ning iseloomulike struktuuri ja keemilisi näitajaid troopilistes põllukultuurides (III artikkel) Peamised tulemused Doktoritöös on demonstreeritud abiootilise stressi mõju fotosünteesi aktiivsusele ja lenduvühendite emissioonile troopilistes põllukultuurides.  Taimedes nagu verev rebashein (Amaranthus cruentus), värd-rebashein (Amaranthus hybridus), etioopia baklažaan (Solanum aethiopicum), nigeeria ribikõrvits (Telfairia occidentalis) ja harilik vigna (Vigna unguiculata) põhjutas tugev kuumastress 49 °C juures liigispetsiifilisi muutusi fotosünteesis ja lenduvühendite emissioonis ning pärssis tugevalt fotosünteesi kiirust. Kuumastress põhjustas peamiste lenduvühendite gruppide emissiooni esile tulemist üksikutes liikides, kuid iga liigi vastupidavust kuumastressile ja füsioloogiline aktiivsus mõjutasid lenduvühendite emissiooni koostist. Suurema kuumastressikindlusega liikidel on paremad võimalused fotosünteesi taastumiseks ja palju madalam esmane stressireaktsioon. Küll aga mõjutas madalama kuumastressikindlusega liike kuumastress rohkem, mille tulemuseks oli suurem stressist põhjustatud lenduvühendite emissioon. Kuigi lenduvühendite emissioonid olid üldiselt madalad, seostati suuremat konstitutiivset lenduvühendite emissiooni suurema kuumastressi kindlusega (I artikkel).  Kergemast kuni tugevama iseloomuga kuumastress põhjusta harilikus papaias (Carica papaya) fotosünteesi näitajate langust. Küll aga oli kergema kuumastressi puhul näitajate taastumine täielik, mõõduka kuumastressi puhul aga osaline. Tugevama kuumastressi puhul fotosünteesi taastumist ei toimunud. Mõõdukas stress suurendas stressist tingitud lenduvühendite emissiooni, eriti hapniku sisaldavat terpeenide, viidates suurenenud oksüdatiivsele seisundile. Tugev kuumastress põhjustas lenduvühendite emissiooni langust, mis omakorda viitab aga lehe füsioloogilise aktiivsuse vähenemisele. Erinevad kuumastressi töötlused põhjustasid hariliku papaia lenduvühendite koostises olulisi muutusi. (II artikkel)  Taimedes nagu verev rebashein (Amaranthus cruentus), värd-rebashein (Amaranthus hybridus), etioopia baklažaan (Solanum aethiopicum), nigeeria ribikõrvits (Telfairia occidentalis) ja söödav muskushibisk (Abelmoschus esculentus) põhjustas mehaaniline stress kui lehe haavamine (12 mm lõige) kiirelt selliste stressi näitavate lenduvühendite emissiooni nagu metanool (40% koguemissioonist), heksanaal (24%) ja atseetaldehüüd (11%). Küll aga oli näha suuri liikide vahelisi erinevusi nii emissiooni tasemes kui ka emissiooni tugevuses. Katses tuli välja ka pöördvõrdeline seos emissiooni tugevuse ja lenduvühendite gruppide vahel, mis oli aga tingitud nii LOC kui ka LOX gruppide negatiivsest seosest terpenoidide ja bensenoididega. Fotosünteesi kiirus ja õhulõhede juhtivus taastusid täielikult peale vigastuse teket, kuigi lehe anatoomilised ja keemilised karakteristikud varieerusid liikide lõikes. Hapnikku sisaldavad lenduvühendid olid emissioonis rohkem esindatud, seega troopilised põllukultuurid võivad mõjutada atmosfääri keemiat oma emissioonidega (III artikkel).