Photosynthesis and Rubisco kinetics in spring wheat and meadow fescue under conditions of simulated climate change with elevated CO2 and increased temperatures

Abstract

Kevätvehnää (Triticum aestivum L.cv.Polkka)ja nurminataa (Festuca pratensis Hudson cv.Kalevi) kasvatettiin normaalissa ja kohotetussa (700 ml l -1 ) hiilidioksidissa sekä nykyisen keskilämpötilan oloissa että simuloidussa tilanteessa,jossa ilmasto on lämmennyt kolmella asteella. Lämpimämmän ilmaston simulointi tehtiin kasvihuoneessa,joka oli rakennettu koepaikkana toimivalle pellolle. CO2 -pitoisuuksien säätöä varten sekä kohotetun hiilidioksidin (eCO2 )että verrokkina olevat normaalin CO2 :n (aCO 2 )kokeet tehtiin suurissa (lä pimitta 3 m) päältä avoimissa kammioissa. Sekä vehnän että nurminadan fotosynteesinopeus oli 31 37 % isompi eCO2:ssa kuin aCO2:ssa koko kasvukauden ajan, joskin vehnällä ero eCO2:n ja aCO2:n välillä pieneni,kun fotosynteesiteho laski molemmissa käsittelyissä 10 13 päivää ennen keltatuleentumista.Ilmarakojen johtavuus oli molemmilla koekasveilla 23 36 % pienempi eCO2:ssa kuin aCO2:ssa. Ribuloosi-1,5,-bisfosfaatti karboksylaasi-oksygenaasi (Rubisco)-entsyymin määrä ja aktiivisuus laskivat vehnällä eCO2:ssa, paitsi kohotetun lämpötilan oloissa vuonna 1993, jolloin vehnän sato nousi selvästi eCO2:ssa. Nurminadalla Rubiscon määrä ja aktiivisuus eivät riippuneet hiilidioksidi käsittelystä. Tulokset viittaavat siihen,että biokemiallista sopeutumista kohotettuun hiilidioksidiin tapahtuu vain,jos fotosynteesituotteille ei ole tarjolla riittävän suurta nielua (sink).Vehnän nielun kokoa voidaan kasvattaa jalostamalla uusia, runsassatoisia lajikkeita,jotka hyötyvät paremmin tulevaisuuden kohonneesta CO2 -pitoisuudesta.Nurminadan nielukokoa voidaan säädellä leikkaamalla nurmea sen kasvua vastaavasti.

Spring wheat (Triticum aestivum L.cv.Polkka)and meadow fescue (Festuca pratensis Hudson cv. Kalevi)cwere grown in ambient and elevated (700 µl l -1 )carbon dioxide concentration both at present ambient temperatures and at temperatures 3°C higher than at present simulating a future climate.The CO2 concentrations were elevated in large (3 m in diameter)open top chambers and the temperatures in a greenhouse built over the experimental field.The photosynthetic rate of both wheat and meadow fescue was 31 37%higher in elevated carbon dioxide (eCO2 )than in ambient CO 2 (aCO2 )throughout the growing season.The enhancement in wheat photosynthesis in eCO2 declined 10 13 days before yellow ripeness,at which point the rate of photosynthesis in both CO 2 treatments declined.The stomatal conductance of wheat and meadow fescue was 23 36% lower in eCO2 than in aCO2 .The amount and activity of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase (Rubisco) in wheat were lower under conditions of eCO2 ,except at elevated temperatures in 1993 when there was a clear yield increase.There was no clear change in the amount and activity of Rubisco in meadow fescue under eCO2 at either elevated or ambient temperature.This suggests that adaptation to elevated CO2 at biochemical level occurs only when there is insufficient sink for photosynthetic products.While the sink size of wheat can be increased only by introducing new,more productive genotypes,the sink size of meadow fescue can be regulated by fitting the cutting schedule to growth.