Abstract Background Eragrostis plana is the main invasive plant in the Pampa Biome of southern Brazil. This plant is highly competitive, tolerant to abiotic stresses, and very difficult to manage. Plants exposed to abiotic stresses and herbicides develop mechanisms that help alleviate or reduce damage caused by stressors and transmit this ability to the progenies. Objective The study’s objectives were to ascertain whether acclimatization to stress due to drought and sub-lethal doses of glyphosate may decrease plant sensitivity to glyphosate and investigate the possible memory mechanisms involved in this process. Methods A population of E. plana was submitted to drought, glyphosate, or a combination of drought plus glyphosate for two generations. The progenies were analyzed for sensitivity to the herbicide glyphosate and for biochemical, metabolites, and molecular responses. Results When testing sensitivity to glyphosate in the G 2 generations, the DRYxGLY (plants stressed with drought plus glyphosate) was the least sensitive (ED50 443.0 g a.e. ha-1), while CHK (without stresses) was the most sensitive (ED50 278.0 g a.e. ha-1). Evaluating the effects of glyphosate, the CHK population showed a greater accumulation of oxidative damage and shikimic acid. While DRYxGLY had greater antioxidant activity and higher expressions of the EPSPS and ABC-carrier MRP10 genes. Conclusions Recurrent selection with drought stress and sub-lethal rate of glyphosate (DRYxGLY) showed reduced sensitivity to glyphosate in the second generation ( G 2 ). The conjunction of factors, including the upregulation of EPSPS and the ABC MRP10 transporter, antioxidant enzymes seem to decrease the sensitivity of the DRYxGLY population to glyphosate.

Plants in natural environments are subjected to a multitude of environmental cues. However, studies addressing physiological analyzes are usually focused on the isolation of a stress factor, making it difficult to understand plants behavior in their extremely complex natural environments. Herein, we analyzed how environmental variability (noise) may influence physiological processes of Glycine max under water deficit conditions. The plants were kept in a greenhouse (semi-controlled environment - E SC) and in a growth chamber (controlled environment - E C) under two water regime conditions (100 and 30% of replacement of the water lost by evapotranspiration) for 30 days. The environmental variability was daily monitored with automatic sensors to record temperature, humidity, and irradiance. The physiological responses were analyzed by leaf gas exchanges, chlorophyll fluorescence, biomembrane integrity, and growth parameters. The results showed that water deficiency caused significant reductions in the physiological parameters evaluated. However, the environment with high variability (E SC) caused more extensive damages to biomembranes, regardless the water regime likely compromising physiological efficiency. The lower variability of E C promoted higher efficiency of total biomass production in both water regimes compared to the E SC. Therefore, our results support the hypothesis that more variable environmental conditions can limit the growth of Glycine max in response to the fluctuation of resources, therefore amplifying the effect of water deficit.

A assimilação de CO2 (A) em função da densidade de fluxo de fótons fotossintéticos (Q) ou da concentração intercelular de CO2 (Ci), e medidas de fluorescência da clorofila foram realizadas em quatro espécies tropicais arbóreas em uma clareira e um sub-bosque (Bauhinia forficata Link. e Guazuma ulmifolia Lam. como espécies pioneiras, e Hymenaea courbaril L. e Esenbeckia leiocarpa Engl. como espécies não pioneiras). Os dados de fluorescência da clorofila indicaram que ambos os grupos mostraram capacidade similar de aclimatação do aparato fotoquímico independente do ambiente luminoso. A assimilação máxima de CO2 e a eficiência quântica derivadas das curvas A/Q indicaram maior capacidade fotossintéticas das espécies pioneiras do que as não-pioneiras na clareira. Entretanto, sob condições de sub-bosque, as diferenças observadas em relação às curvas A/Q não mostraram uma relação direta com o grupo funcional das espécies. Ambos os grupos da sucessão foram capazes de manter um balanço de carbono positivo sob disponibilidades de luz contrastantes, modificando as características fotoquímicas e bioquímicas da fotossíntese com capacidade de plasticidade fenotípica similar.

Leaf CO2 assimilation (A) as a function of photosynthetic photon flux density (Q) or intercellular CO2 concentration (Ci) and chlorophyll fluorescence measurements were carried out on four tropical woody species growing in forest gap and understorey (Bauhinia forficata Link. and Guazuma ulmifolia Lam. as pioneers, and Hymenaea courbaril L. and Esenbeckia leiocarpa Engl. as non-pioneers). Chlorophyll fluorescence indicated similar acclimation capacities of photochemical apparatus to contrasting light environments irrespective to plant species. Maximum CO2 assimilation and quantum yield derived from A/Q curves indicated higher photosynthetic capacity in pioneer than in non-pioneer species in forest gap. However, the differences among species did not show a straightforward relation with their successional status regarding data derived from A/Q curves under understorey conditions. Both successional groups are able to sustain positive carbon balance under contrasting natural light availabilities, modifying photochemical and biochemical photosynthetic traits with similar phenotypic plasticity capacity.

O grau de conexão entre as trocas gasosas e o potencial hídrico foliar e a autonomia dessas variáveis em relação às condições meteorológicas foram determinados em Coffea arabica, ao longo de dias claros e nublados. Os valores elevados do déficit de pressão de vapor, da temperatura do ar e da densidade do fluxo de fótons fotossinteticamente ativos resultaram em reduzida autonomia no dia claro, independentemente do grau de conexão entre as variáveis fisiológicas foliares. A forte sincronização entre a fisiologia da folha e as variáveis meteorológicas foi considerada uma importante causa da diminuição da fotossíntese líquida (P N) no dia claro. Por outro lado, o valor de P N foi cerca de três vezes maior no dia nublado, quando todos os cultivares apresentaram maior autonomia. A análise de componentes principais corroborou os resultados de autonomia, revelando uma clara oposição entre os vetores fisiológicos e meteorológicos, além de uma menor variabilidade das características fisiológicas da folha ao longo do dia claro. Apesar dessas respostas gerais, ocorreram diferenças significativas entre as cultivares nos dias claro e nublado. A autonomia da folha foi uma importante referência para avaliar o comportamento de C. arabica sob estresse e deve ser levada em consideração na seleção de cultivares sob condições de campo.

The degree of connection between leaf gas exchange and leaf water potential, and the autonomy of these variables in relation to meteorological conditions were determined in three cultivars of Coffea arabica during clear and cloudy days. High values of vapor pressure deficit, air temperature and photosynthetic photon flux density resulted in low leaf autonomy during a clear day, irrespective the degree of connection among leaf physiological variables. Tight synchronization between physiological and meteorological variables was considered one important cause of net photosynthesis (P N) decreasing during a clear day. In contrast, diurnal P N was around three times higher on a cloudy day, when all cultivars presented high autonomy. Principal component analyses corroborated autonomy results revealing unambiguous opposition between leaf physiological and meteorological vectors, besides less leaf physiological variability throughout the clear day. Despite these general responses during clear and cloudy days, there were significant differences among studied cultivars. Leaf autonomy was an important reference to evaluate C. arabica under environmental stress and should be taken into account when selecting cultivars under field conditions.

Em florestas tropicais, a luz é considerada o recurso mais limitante para o crescimento e reprodução das plantas. Além da luz, o déficit hídrico leva invariavelmente à diminuição da fotossíntese. Assim, apesar do indiscutível papel da luz na assimilação de CO2 (A), espera-se que o déficit hídrico afete e limite a utilização da luz pelas plantas. Neste estudo, investigou-se como o déficit hídrico influenciou a indução fotossintética de uma espécie pioneira arbórea, Bauhinia forficata (Fabaceae), e de uma secundária, Esenbeckia leiocarpa (Rutaceae), no sub-bosque e na clareira. As medidas foram feitas em junho e agosto de 2006 em plantas com aproximadamente dois anos. Em agosto, as plantas foram sujeitas a um período de 45 d sem chuva, caracterizando uma situação de déficit hídrico. O potencial hídrico foliar foi significativamente menor em agosto, na clareira e no sub-bosque (-2,5 e -3,8 MPa, respectivamente), do que em junho (-0,6 and -1,6 MPa, respectivamente). Em junho, ambas espécies apresentaram um rápido aumento em A após o pulso de luz saturante na clareira. Contudo, no sub-bosque, o aumento em A foi mais lento em B. forficata do que em E. leiocarpa. Em agosto, o déficit hídrico limitou o aumento em Amax em ambas espécies, indicando que a utilização potencial do aumento da irradiância foi reduzida por condições de déficit hídrico. A restrição em Amax foi menos pronunciada no sub-bosque, onde as plantas ao menos atingiram a irradiância de compensação, enquanto o ganho de carbono pela fotossíntese das plantas desenvolvidas na clareira não compensou a perda de carbono pela respiração.

In tropical forests, light is considered the most limiting resource for plant growth and reproduction. Besides light, water deficit leads invariably to a decrease in photosynthesis. Thus, despite of the unquestionable role of light in CO2 assimilation (A), it is expected that water deficit affects and limits the light utilization by plants. In this study, we investigated how water deficit influenced the photosynthetic induction of the early successional tree Bauhinia forficata (Fabaceae) and the late successional Esenbeckia leiocarpa (Rutaceae) in the understorey and in the forest gap. Field measurements were carried out in June and August 2006 in plants of approximately two-years-old. In August, the plants were subjected to a period of 45 d without rain characterizing a water deficit situation. Leaf water potential was significantly lower in August, both in forest gap and understorey (-2.5 and -3.8 MPa, respectively), than in June (-0.6 and -1.6 MPa, respectively). In June, both species presented a rapid increase in A after a saturating light pulse under gap conditions. However, in the understorey the increase in A was slower in B. forficata than in E. leiocarpa. In August water deficit limited the increase in Amax in both species, indicating that potential utilization of increasing irradiance was reduced by water deficit conditions. The constrain in Amax was less pronounced in the understorey where plants at least reached the irradiance compensation point, whereas carbon gain by photosynthesis of the plants grown in the gap did not compensate the carbon loss by respiration.

A hipótese testada neste estudo foi a de que dinâmicas temporais mais complexas, isto é, mais irregulares, e uma rede com maior conectância global suportariam maior estabilidade de parâmetros relacionados às trocas gasosas (assimilação líquida de CO2 e transpiração) em plantas sob deficiência hídrica. Para tanto, dois genótipos de Phaseolus vulgaris foram submetidos a um período de suspensão da irrigação e subseqüente re-hidratação para avaliar a recuperação das plantas. As trocas gasosas foram medidas em intervalos de 10 segundos durante 6 horas para a obtenção de séries temporais adequadas para os cálculos de complexidade por meio do uso da medida de Entropia Aproximada (ApEn), e conectância da rede de trocas gasosas em cada condição testada. Notavelmente, o genótipo Jalo Precoce mostrou significativa maior estabilidade que o Guarumbé, coincidindo com maior complexidade na dinâmica de cada parâmetro de trocas gasosas e maior conectância global no genótipo Jalo Precoce. Esse resultado foi consistente com outras observações de maior homeostase em redes mais complexas, em um contexto mais amplo, como observado em ritmos cardíacos e dinâmicas respiratórias.

We hypothesized that more complex, i.e. irregular, temporal dynamics and a more interconnected overall network supports greater stability to gas exchange parameters (herein, CO2 net assimilation and transpiration) in plants under water deficit. To test this hypothesis two genotypes of Phaseolus vulgaris were subjected to a period of absence of irrigation, and subsequent rewatering to achieve recovery. Gas exchanges parameters were measured each 10 s during 6 h to obtain time series to evaluate complexity by Approximate Entropy (ApEn) calculations, and network connectance in each water regime. Notably, the Jalo Precoce genotype showed significantly more stability than the Guarumbé genotype under system perturbation, coincident with greater irregularity in each gas exchange parameter and greater overall connectance for Jalo Precoce. This conclusion is consistent with other observations of greater homeostasis in more complex networks, seen in broad contexts such as cardiac rhythms and respiratory dynamics

Sistemas biológicos são sistemas dinâmicos complexos cujas relações com o ambiente apresentam importantes implicações sobre seus processos de regulação e sobrevivência. A partir destas interações pode emergir uma complexa rede de respostas que raramente são observadas pelas abordagens analíticas clássicas. Desta forma, o objetivo deste estudo foi testar a hipótese de que as respostas fotossintéticas de diferentes espécies arbóreas ao aumento da irradiância estão relacionadas às mudanças na conectância das redes de trocas gasosas e do aparato fotoquímico, assim como mudanças no grau de autonomia entre planta e ambiente. A capacidade de dissipação térmica avaliada por mudanças da temperatura foliar ao longo do dia também foi analisada, indicando que as espécies iniciais da sucessão (Citharexylum myrianthum Cham. e Rhamnidium elaeocarpum Reiss.) foram mais eficientes que a espécie tardia (Cariniana legalis (Mart.) Kuntze) como estruturas dissipativas. Isto sugere que o parâmetro deltaT (T ºCar - T ºCfolha) poderia ser uma ferramenta adicional para auxiliar na identificação das classes sucessionais de espécies tropicais arbóreas. Nossos resultados indicaram a ocorrência de um interessante padrão de resposta das redes e mudanças na autonomia quando as plantas foram submetidas à alta irradiância. Considerando a assimilação diária de CO2, as espécies tolerantes (C. myrianthum e R. elaeocarpum) tenderam a manter a conectância da rede de trocas gasosas estável e aumentar a autonomia em relação ao ambiente. Por outro lado, a espécie susceptível (C. legalis) à alta irradiância tendeu a perder autonomia, diminuindo a conectância da rede das trocas gasosas. Todas as espécies apresentaram menor autonomia e maior conectância da rede do aparato fotoquímico sob alta irradiância.

Biological systems are complex dynamical systems whose relationships with environment have strong implications on their regulation and survival. From the interactions between plant and environment can emerge a quite complex network of plant responses rarely observed through classical analytical approaches. The objective of this current study was to test the hypothesis that photosynthetic responses of different tree species to increasing irradiance are related to changes in network connectances of gas exchange and photochemical apparatus, and alterations in plant autonomy in relation to the environment. The heat dissipative capacity through daily changes in leaf temperature was also evaluated. It indicated that the early successional species (Citharexylum myrianthum Cham. and Rhamnidium elaeocarpum Reiss.) were more efficient as dissipative structures than the late successional one (Cariniana legalis (Mart.) Kuntze), suggesting that the parameter deltaT (T ºCair - T ºCleaf) could be a simple tool in order to help the classification of successional classes of tropical trees. Our results indicated a pattern of network responses and autonomy changes under high irradiance. Considering the maintenance of daily CO2 assimilation, the tolerant species (C. myrianthum and R. elaeocarpum) to high irradiance trended to maintain stable the level of gas exchange network connectance and to increase the autonomy in relation to the environment. On the other hand, the late successional species (C. legalis) trended to lose autonomy, decreasing the network connectance of gas exchange. All species showed lower autonomy and higher network connectance of the photochemical apparatus under high irradiance.

Neste estudo foram avaliadas as respostas fotossintéticas à alta irradiância de sete espécies arbóreas tropicais de diferentes grupos sucessionais, através de alterações nas trocas gasosas e fluorescência da clorofila a. Embora as espécies pioneiras tenham apresentado maiores valores de assimilação de CO2 (A) e transpiração (E), não houve padrão de resposta do curso diário das trocas gasosas entre as espécies estudadas na condição de alta irradiância (FSL). Cariniana legalis (Mart.) Kuntze e Astronium graveolens Jacq. apresentaram reduções significativas na quantidade de CO2 assimilado durante o dia (DIA) quando transferidas da condição de média irradiância (ML) para FSL. A pioneira Guazuma ulmifolia Lam. mostrou aumento significativo de DIA quando exposta a FSL. Já as pioneiras Croton spp. tenderam a apresentar reduções em DIA ao redor de 19%, enquanto Cytharexyllum myrianthum Cham. (pioneira) e Rhamnidium elaeocarpum Reiss. (secundária inicial) mostraram ligeiro incremento de DIA. Sob condição de FSL todas as espécies apresentaram fotoinibição dinâmica, exceto C. legalis que mostrou fotoinibição crônica. Considerando os processos fotossintéticos diários, nossos resultados suportam a hipótese de maior flexibilidade de resposta das espécies pioneiras. A análise de componentes principais indicou que os parâmetros fotoquímicos eficiência quântica efetiva do fotossistema II e a taxa aparente de transporte de elétrons foram mais adequados para a distinção dos grupos sucessionais em ML, ao passo que A e E apresentaram papel determinante na condição de FSL.

This study evaluated the photosynthetic responses of seven tropical trees of different successional groups under contrasting irradiance conditions, taking into account changes in gas exchange and chlorophyll a fluorescence. Although early successional species have shown higher values of CO2 assimilation (A) and transpiration (E), there was not a defined pattern of the daily gas exchange responses to high irradiance (FSL) among evaluated species. Cariniana legalis (Mart.) Kuntze (late secondary) and Astronium graveolens Jacq. (early secondary) exhibited larger reductions in daily-integrated CO2 assimilation (DIA) when transferred from medium light (ML) to FSL. On the other hand, the pioneer species Guazuma ulmifolia Lam. had significant DIA increase when exposed to FSL. The pioneers Croton spp. trended to show a DIA decrease around 19%, while Cytharexyllum myrianthum Cham. (pioneer) and Rhamnidium elaeocarpum Reiss. (early secondary) trended to increase DIA when transferred to FSL. Under this condition, all species showed dynamic photoinhibition, except for C. legalis that presented chronic photoinhibition of photosynthesis. Considering daily photosynthetic processes, our results supported the hypothesis of more flexible responses of early successional species (pioneer and early secondary species). The principal component analysis indicated that the photochemical parameters effective quantum efficiency of photosystem II and apparent electron transport rate were more suitable to separate the successional groups under ML condition, whereas A and E play a major role to this task under FSL condition.

A abertura estomática é um fator essencial na regulação da transpiração e fotossíntese. Essa regulação é especialmente importante na resposta das plantas à seca ou ao aumento na diferença de pressão de vapor entre folha e ar (VPD). Tal regulação é parte de um complexo e dinâmico ambiente, sendo associada a múltiplas vias regulatórias. Neste trabalho, estudamos os efeitos do VPD sobre as trocas gasosas de Citrus sinensis mediante duas abordagens analíticas complementares, visando à compreensão das interações no sistema vegetal como um todo. Em primeiro lugar, utilizamos métodos clássicos de estatística, ex. médias, coeficientes de variação e correlação linear. Em seguida, utilizamos a entropia aproximada (ApEn) para avaliar a irregularidade ou complexidade de séries temporais de trocas gasosas, e conectância de rede para avaliar as mudanças nas relações entre parâmetros específicos de trocas gasosas. As análises dos dados coletados sob condições ambientais constantes em cada tratamento de VPD (1, 2 e 3 kPa) mostraram um conjunto de resultados de interesse fisiológico, como diferenças na conectância da rede de trocas gasosas durante o período de medidas na mesma condição de VPD, sugerindo diferentes padrões de regulação das trocas gasosas. Além disso, mudanças no VPD afetaram a dinâmica dessas trocas, alterando a irregularidade das séries temporais. Este estudo destacou os mecanismos endógenos e auto-organizados que são subjacentes aos processos de trocas gasosas com interessantes repercussões teóricas e possíveis aplicações práticas.

Stomatal aperture is an essential factor both in regulation of transpiration and net photosynthesis. This regulation is especially important in the response of plants to drought or to an increase in leaf-to-air vapor pressure difference (VPD); however, such a regulation is part of a complex dynamical environment, associated with multiple regulatory pathways. Accordingly, we studied the effects of VPD on gas exchange of Citrus sinensis via the evaluation of two complementary analytic approaches, to approach an understanding of the full scope of the system interactions. First, we used classical statistical methodologies, e.g., means, coefficient of variation, and linear correlation. Second, we used measures developed for more model-independent applications, Approximate Entropy (ApEn) to evaluate the irregularity or complexity of gas exchange time-series, and network connectance to evaluate changes in the extent of linkage among specified gas exchange parameters. The analyses of experiments carried out under constant environmental conditions in each VPD treatment (1.0, 2.0 and 3.0 kPa) showed a number of relatively subtle results of physiological consequence, such as differences in network connectance during the period of measurements at the same condition showing different patterns of gas exchange regulation. Additionally, VPD changes affect the dynamics of gas exchange by alterations in the irregularity of the time-series. These experiments highlight the endogenous and self-organized mechanisms that underlie the gas exchange process with further theoretical findings and possible practical applications.

Uma parte da ciência denominada Complexidade vem se desenvolvendo rapidamente durante os últimos 15 anos e as aplicações de tais ferramentas às Ciências Vegetais são iminentes. Na presente revisão, são apresentados conceitos básicos relacionados à Complexidade e dados alguns exemplos de suas aplicações em diferentes áreas da Botânica. O argumento principal deste trabalho é que a melhor compreensão e conseqüente aplicação de tais enfoques à taxonomia, fisiologia, anatomia e ecologia pelos botânicos provavelmente levará a uma ampliação considerável do que se sabe sobre os vegetais.

Part of the science field named Complexity has quickly been developing during the last 15 years and the application of such tools to the Plant Sciences is imminent. In the present review we present some of the basic concepts related to Complexity, and some examples of applications to different areas in Botany are given. The main reasoning of this work is that better understanding and subsequent application by the botanists of this approach to plant taxonomy, physiology, anatomy and ecology will probably lead to a considerable widening of what is known about plants.

Entropia Aproximada (ApEn), um modelo estatístico independente para quantificar irregularidade em séries temporais, foi utilizada para avaliar alterações na dinâmica temporal do fluxo de seiva em duas espécies arbóreas tropicais submetidas à deficiência hídrica. A deficiência hídrica induziu uma grande redução no fluxo de seiva em G. ulmifolia, enquanto que na espécie C. legalis manteve-se estável. A complexidade das séries temporais foi levemente aumentada sob deficiência hídrica. O estudo mostrou que ApEn pode ser usada como um método para detectar pequenas alterações na dinâmica temporal de dados fisiológicos, e revelar alguns padrões de respostas fisiológicas a estímulos ambientais.

Approximate Entropy (ApEn), a model-independent statistics to quantify serial irregularities, was used to evaluate changes in sap flow temporal dynamics of two tropical species of trees subjected to water deficit. Water deficit induced a decrease in sap flow of G. ulmifolia, whereas C. legalis held stable their sap flow levels. Slight increases in time series complexity were observed in both species under drought condition. This study showed that ApEn could be used as a helpful tool to assess slight changes in temporal dynamics of physiological data, and to uncover some patterns of plant physiological responses to environmental stimuli.

As respostas às mudanças de temperatura de plantas aclimatadas e não aclimatadas de E. grandis cultivadas in vitro foram avaliadas considerando alterações dos níveis de prolina e proteínas solúveis totais. Análises de proteínas solúveis através de SDS-PAGE e prolina foram realizadas após 12h a 12ºC (aclimatação ao frio) ou a 33ºC (aclimatação ao calor), e imediatamente depois dos choques térmicos a 41ºC e 0ºC. Análises também foram realizadas após um período de 24h depois dos choques térmicos (período de recuperação). O tratamento de temperatura a 0ºC não alterou o padrão de proteínas nas plantas aclimatadas e não aclimatadas, entretanto a temperatura baixa induziu altos níveis de prolina, que se mantiveram relativamente altos após o período de recuperação. Três novas proteínas (90,5, 75 e 39 kDa), provavelmente HSPs, foram observadas nas plantas aclimatadas e não aclimatadas submetidas às temperaturas altas. As plantas expostas a 41ºC foram capazes de recuperar-se dos choques após o período de recuperação, entretanto não houve recuperação completa das plantas expostas às baixas temperaturas. O efeito da aclimatação sobre a recuperação (homeostasis) pode variar dependendo do parâmetro avaliado, tipo e duração do choque térmico.

Proline content and protein patterns changes in response to temperature shocks of both acclimated and non acclimated E. grandis shoots cultivated in vitro were investigated. Analysis of soluble proteins through SDS-PAGE and proline were carried out after 12h at 12ºC (cold acclimation) or 33ºC (heat acclimation), and immediately after temperature shocks at 41ºC and 0ºC. Analyses were also performed 24h after the temperature shocks (recovery period). Temperature treatment at 0ºC did not change soluble protein patterns both in acclimatized and non acclimatized plants, whereas cold temperature induced high proline levels, which kept relatively high after recovery period. Three novel, probably HSPs, proteins (90.5, 75 and 39 kDa) were observed in both acclimated and non acclimated plants submitted to high temperatures. Plants exposed at 41ºC were able to recover from heat shocks after 24h, whereas they did not recover completely from cold shocks. The effect of the acclimation period on the recovering (homeostasis) varied depending on the parameter evaluated, and type and duration of the temperature shock.