Changes in carbon assimilation and metabolism in soybean at elevated atmospheric CO 2 concentration

Duas linhagens de soja [Glycine max (L.) Merr.], originadas do Programa de Melhoramento da Qualidade da Soja do Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária (BIOAGRO), da Universidade Federal de Viçosa (UFV), foram previamente selecionadas como contrastantes em teores de proteínas nas sementes, taxas fotossintéticas líquidas e produções, com o objetivo de serem avaliadas as alterações na assimilação e no metabolismo do carbono, quando submetidas ao dobro da concentração de CO 2 atmosférico atual (≈720 μmol mol -1 ). As hipóteses testadas foram: (a) plantas sob elevada concentração de CO 2 atmosférico aumentam a taxa fotossintética e a eficiência instantânea no uso da água, (b) o excedente de fotoassimilados, nas plantas crescidas sob 720 μmol mol -1 de CO 2 , contribui para o incremento da biomassa total e da produção de sementes, retarda a senescência foliar e promove maior atividade dos nódulos, incrementando os teores protéicos das sementes e (c) o processo de aclimatação fotossintética depende do tempo de exposição das plantas às elevadas concentrações de CO 2 atmosférico. As plantas foram cultivadas em câmaras de topo aberto, dentro de casa-de-vegetação, sendo que, no interior destas câmaras, as concentrações de CO 2 atmosférico foram permanente monitoradas para que a metade delas permanecesse nas condições atmosféricas atuais e a outra metade, com o dobro da concentração de CO 2 atual. Para atender aos objetivos do trabalho, foram realizadas determinações de intercâmbio gasoso, componentes do rendimento e produção final, teor de carbono e proteína bruta das sementes, teor de carboidratos não estruturais nas folhas, atividade de enzimas do metabolismo do carbono nas folhas e teor de ureídeos na seiva do xilema, em dois experimentos de enriquecimento atmosférico com CO 2 , um a partir da floração, e outro durante todo o ciclo de vida das plantas. Verificou-se que, independentemente da linhagem, as plantas cultivadas sob elevada concentração de CO 2 atmosférico tiveram um incremento na taxa fotossintética da ordem de 75%, na fase de formação das sementes, e de 300%, na fase de início de maturação, quando submetidas aos tratamentos diferenciados de concentração de CO 2 a partir da floração. A eficiência instantânea no uso de água destas plantas aumentou em 142,2%, na fase de formação de sementes, e em 189,2% no início de maturação. Para aquelas plantas mantidas permanentemente sob elevada concentração de CO 2 atmosférico, verificou-se um incremento de 46% na taxa fotossintética, independentemente da linhagem e da etapa de desenvolvimento. Neste caso, a eficiência instantânea no uso de água aumentou em 230,4%, na etapa de completa formação das vagens, e 218,5%, na etapa de formação de sementes. Em ambos experimentos, a maior eficiência instantânea no uso de água foi determinada pelo incremento nas taxas fotossintéticas. Constatou-se que a aclimatação fotossintética foi reversível, que ocorreu somente quando as plantas foram mantidas permanentemente sob elevada concentração de CO 2 e que diferiu entre as linhagens. As plantas cultivadas sob elevada concentração de CO 2 atmosférico apresentaram um incremento na biomassa total e na de sementes da ordem 25,6% e de 30,9%, respectivamente, não apresentando qualquer alteração significativa no índice de colheita, quando os tratamentos diferenciados de CO 2 foram aplicados a partir da floração. Nas plantas que permaneceram todo o ciclo de vida sob o efeito de altas concentrações de CO 2 , esses incrementos foram respectivamente da ordem de 58,0% e 22,1%, porém com redução no índice de colheita que passou de 0,37 para 0,29. O teor de proteína bruta das sementes foi semelhante para as populações de planta, independentemente das linhagens ou dos tratamentos com CO 2 , quando estes foram aplicados a partir da floração, e em média igual a 41,9%. Contudo, as plantas expostas continuamente à elevada concentração de CO 2 atmosférico tiveram reduzido o teor protéico de suas sementes que foi igual a 30,4% em comparação com o controle sob concentração de CO 2 atmosférico atual, que foi igual a 33,7%. Não foi verificado qualquer retardamento na senescência foliar de ambas linhagens sob elevada concentração de CO 2 atmosférico, e tampouco essa condição propiciou qualquer alteração na atividade dos nódulos na etapa de formação de sementes.Two soybean lines [Glycine max (L.) Merr.], developed in the Programa de Melhoramento da Qualidade da Soja of Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária at Universidade Federal de Viçosa, were previously selected based on its contrasting trends in net photosynthetic rate, seed protein content, and yield, in order to evaluate changes on carbon assimilation and metabolism, when plants were submitted to doubling atmospheric CO 2 concentration (≈720 μmol mol -1 ). The tested hypotheses were: (a) plants submitted to elevated CO 2 concentration increase their net photosynthetic rate and instantaneous water use efficiency, (b) in those plants under elevated CO 2 , photosynthates produced in excess can enhance total biomass and yield, delay foliar senescence, increase nolules activity with consequent more seed protein content, (c) photosynthetic acclimation depends on the time length of plant exposition to elevated CO 2 . The plants were grown in open-top chambers inside a greenhouse. The air inside the chamber was constantly monitored assuring the desired atmospheric CO 2 concentration. For half of them, it was applied the actual atmospheric CO 2 concentration (≈360 μmol mol -1 ), and for the other half, doubling that concentration. Two experiments were performed. In the first one, plants were exposed to 360 or 720 μmol mol -1 of CO 2 concentrations only at the reproductive stage of life, and in the other, during all life span. Measurements of gas exchange, yield, seed carbon and protein content, foliar nonstructural carbohydrates, enzymes activities, and xilem sap ureides content were analyzed and used to elucidate those hypotheses. It was found that elevated CO 2 caused an increase on net photosynthetic rate by 75% at seed formation stage and 300% at seed maturation stage, when plants were exposed to elevated CO 2 concentrations during reproductive stage, independently of the soybean lines. Those same plants had instantaneous water use efficiency increased by 142.2 and 189.2% due to high CO 2 . On the other hand, for plants grown in elevated CO 2 concentration during all life span, despite soybean lines and developmental stage, net photosynthetic rate was increased by 46%. In this second experiment, instantaneous water use efficiency increase 230.4% at seed formation stage and 218.5% at seed maturation stage. For both experiment, higher net photosynthetic rate was responsible for higher instantaneous water use efficiency. Photosynthetic acclimation was a reversible phenomenon and occurred only when plants experienced elevated CO 2 concentration during all life span, but differ between the soybean lines. The plants grown under elevated CO 2 during reproductive stage showed an increment on total and seed dry weight up to 25.6 and 30.9%, respectively, with no alteration on harvest index. When exposed to elevated CO 2 during all life span, the increment on total and seed dry weight was up to 58.0 and 22.1%, respectively, but harvest index decreased from 0.37 to 0.29. The crude seed protein content did not differ between soybean lines under both CO 2 treatments, with average value of 41.9%, when CO 2 treatments were applied at the reproductive stage. Plants continuously exposed to elevated CO 2 concentration reduced seed crude protein content from 33.7 to 30.4%. It was found no delay in foliar senescence or enhancement on nodules activity due to elevated CO 2 for both soybean lines.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio