8/14/2019 Plant Physiol. (1983) 73, 681-686 0032-0889/83/73/0681/06/$00.50/0

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P l a n t P h y s i o l . ( 1 9 8 3 ) 7 3 , 6 8 1 - 6 8 60 0 3 2 - 0 8 8 9 / 8 3 / 7 3 / 0 6 8 1 / 0 6 / $ 0 0 . 5 0 / 0

I n h i b i t i o n o f P h o t o s y n t h e s i s b y C a r b o h y d r a t e s i n W h e a t L e a v e sR e c e i v e d f o r p u b l i c a t i o n M a r c h 9 , 1 9 8 3 a n d i n r e v i s e d f o r m May 2 5 , 1 9 8 3

J O A Q U I N A Z C O N - B I E T O 'D e p a r t m e n t o f E n v i r o n m e n t a l B i o l o g y , R e s e a r c h S c h o o l o f B i o l o g i c a l S c i e n c e s , T h e A u s t r a l i a n N a t i o n a lU n i v e r s i t y , P . O . B o x 4 7 5 , C a n b e r r a C i t y , A . C . T . 2 6 0 1 A u s t r a l i aABSTRACT

T h e r a t e o f n e t C O 2 a s s i m i l a t i o n o f m a t u r e w h e a t ( T r i t i c u m a e s t i v u mL . ) l e a v e s i n a m b i e n t a i r ( 2 1 % 0 2 . 3 4 0 m i c r o b a r s C 0 2 ) d e c l i n e d w i t ht i m e o f i l l u m i n a t i o n a t t e m p e r a t u r e s l o w e r t h a n 2 5 C , b u t n o t a t h i g h e rt e m p e r a t u r e s , a n d t h e r a t e o f d e c l i n e i n c r e a s e d w h e n m a i n t a i n e d i n a i rw i t h h i g h e r CO 2 c o n c e n t r a t i o n ( 7 0 0 4 2 5 m i c r o b a r s ) . I n t h i s l a t t e r c a s e ,t h e d e c l i n e i n t h e r a t e o f n e t C O 2 a s s i m i l a t i o n a l s o o c c u r r e d a t h i g ht e m p e r a t u r e s . S t o m a t a l c o n d u c t a n c e a l s o d e c l i n e d w i t h t i m e i n somec a s e s a n d s t o m a t a b e c a m e m o r e s e n s i t i v e t o C 0 2 , b u t t h i s w a s n o t t h ep r i m a r y c a u s e o f t h e d e c r e a s e i n C O 2 a s s i m i l a t i o n b e c a u s e i n t e r n a l p a r t i a lp r e s s u r e o f C O 2 r e m a i n e d c o n s t a n t . T r e a t m e n t s w h i c h r e d u c e d t h e r a t eo f t r a n s l o c a t i o n ( e . g . l o w e r t e m p e r a t u r e s , c h i l l i n g t h e b a s e o f t h e l e a f )p r o d u c e d a m a r k e d d e c l i n e i n C O 2 a s s i m i l a t i o n o f l e a v e s i n a t m o s p h e r i ca n d h i g h C O 2 c o n c e n t r a t i o n s . T h e d e c r e a s e d n e t C O 2 a s s i m i l a t i o n wasc o r r e l a t e d w i t h c a r b o h y d r a t e a c c u m u l a t i o n i n e a c h c a s e , s u g g e s t i n g e n dp r o d u c t i n h i b i t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s . A n a l y s i s o f C O 2 a s s i m i l a t i o n i nh i g h c a r b o h y d r a t e l e a v e s a s a f u n c t i o n o f i n t e r c e l l u l a r C O 2 p a r t i a lp r e s s u r e s h o w e d r e d u c t i o n i n t h e u p p e r p a r t o f t h e c u r v e . T h e i n i t i a ls l o p e o f t h i s c u r v e , h o w e v e r , w a s n o t a f f e c t e d . P h o t o s y n t h e t i c r a t e s i nt h e u p p e r p a r t o f t h i s c u r v e g e n e r a l l y r e c o v e r e d a f t e r a s h o r t p e r i o d i nd a r k n e s s i n w h i c h c a r b o h y d r a t e s w e r e r e m o v e d f r o m t h e l e a f . T h es t i m u l a t i o n o f n e t C O 2 a s s i m i l a t i o n b y 2% 0 2 ( W a r b u r g e f f e c t ) , a n d t h ea p p a r e n t q u a n t u m y i e l d , d e c r e a s e d a f t e r s e v e r a l h o u r s o f l i g h t .

A c c u m u l a t i o n o f c a r b o h y d r a t e s i n l e a v e s d u r i n g p h o t o s y n -t h e s i s i s a common p h e n o m e n o n w h i c h c a n b e e n h a n c e d b ys e v e r a l m e a n s i n c l u d i n g h i g h p h o t o s y n t h e s i s r a t e s , l o w t r a n s l o -c a t i o n r a t e s , o r l o w s i n k d e m a n d ( 1 6 ) . I t h a s l o n g b e e n h y p o t h -e s i z e d t h a t " t h e a c c u m u l a t i o n o f a s s i m i l a t e s i n a n i l l u m i n a t e dl e a f may b e r e s p o n s i b l e f o r a r e d u c t i o n i n t h e n e t p h o t o s y n t h e s i sr a t e o f t h a t l e a f ' ( B o u s s i n g a u l t , 1 8 6 8 ; s e e 1 6 ) . T h i s h y p o t h e s i sh a s b e e n v a r i o u s l y t e s t e d b y m a n i p u l a t i n g ( a ) p h o t o s y n t h a t es o u r c e , ( b ) t r a n s l o c a t i o n o f p h o t o s y n t h a t e , a n d ( c ) p h o t o s y n t h a t es i n k s ( s e e r e v i e w s b y G u i n n a n d M a u n e y [ 9 ] , H e r o l d [ 1 1 ] , a n dN e a l e s a n d I n c o l l [ 1 6 ] ) . T h e e v i d e n c e o f t h e o c c u r r e n c e o f e n dp r o d u c t i n h i b i t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s f r o m s u c h e xp e r i m e n t sr e m a i n s e q u i v o c a l . T h e c o n c l u s i o n s a r e o f t e n c o m p l i c a t e d b yt h e f a c t t h a t h o r m o n a l , n u t r i t i o n a l , o r o t h e r i n t e r a c t i o n s mayo c c u r f o l l o w i n g d e f o l i a t i o n a n d s i n k m a n i p u l a t i o n , e s p e c i a l l y i nl o n g - t e r m e x p e r i m e n t s . I n w h e a t l e a v e s , B i r e c k a a n d D a k i & cW l o d k o w s k a ( 3 ) a n d K i n g e t a l . ( 1 2 ) w e r e a b l e t o i n h i b i t f l a g l e a fp h o t o s y n t h e s i s b y r e m o v i n g t h e s i n k ( r e m o v a l o f t h e e a r ) a n ds t i m u l a t e f l a g l e a f p h o t o s y n t h e s i s b y s p r a y i n g t h e e a r w i t hDCMU ( w h i c h i n h i b i t e d p h o t o s y n t h e s i s i n t h e e a r , t h e r e b y i n -c r e a s i n g t h e s i n k ) . H o w e v e r , A u s t i n a n d E d r i c h ( 1 ) w e r e u n a b l e

' P r e s e n t a d d r e s s : D e p a r t m e n t o f P l a n t P h y s i o l o g y , F a c u l t y o f B i o l o g y ,U n i v e r s i t y o f B a r c e l o n a , D i a g o n a l 6 3 7 - 6 4 7 , B a r c e l o n a - 2 8 , S p a i n .

t o c o n f i r m t h e e a r r e m o v a l r e s p o n s e . N e v e r t h e l e s s , K i n g e t a l .( 1 2 ) s h o w e d t h a t e a r r e m o v a l c a u s e d a n a c c u m u l a t i o n o f c a r b o -h y d r a t e s i n t h e f l a g l e a f . T h e y w e r e a b l e t o s i m u l a t e t h i s r e s p o n s eb y k e e p i n g p l a n t s i n c o n t i n u o u s l i g h t f o r a w e e k . L e a f c a r b o h y -d r a t e s b u i l t u p a n d p h o t o s y n t h e s i s w a s i n h i b i t e d .A l t h o u g h t h e s e r e s u l t s s u g g e s t t h e o c c u r r e n c e o f e n d p r o d u c ti n h i b i t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s i n w h e a t , t h e t r e a t m e n t s a n d t h em e a s u r e m e n t m e t h o d s u s e d d o n o t e x c l u d e o t h e r f a c t o r s . H o r -m o n a l a n d s t o m a t a l r e s p o n s e s c o u l d b e i n v o l v e d . T h u s , i n t h i sp a p e r w e d e s c r i b e e x p e r i m e n t s w h i c h a r e d e s i g n e d t o a v o i d t h e s ed i f f i c u l t i e s a n d t o d e t e r m i n e i f t h e p h o t o s y n t h e t i c r a t e i s r e l a t e dt o t h e c a r b o h y d r a t e s t a t u s i n w h e a t l e a v e s . C a r b o h y d r a t e s t a t u sw a s i n c r e a s e d b y i n c r e a s i n g t h e r a t e o f p h o t o s y n t h e s i s u n d e ro t h e r w i s e c o m p a r a b l e c o n d i t i o n s , b y i n c r e a s i n g C O 2 c o n c e n t r a -t i o n o r r e d u c i n g 0 2 c o n c e n t r a t i o n . I n o t h e r e x p e r i m e n t s , ap o r t i o n o f t h e l e a f b e l o w t h e r e g i o n i n w h i c h p h o t o s y n t h e s i s w a sm o n i t o r e d w a s c h i l l e d t o r e d u c e t r a n s p o r t o f p h o t o s y n t h a t e ( 8 ,2 1 ) .

MATERIALS AND METHODSP l a n t M a t e r i a l . T r i t i c u m a e s t i v u m L . ( c v G a b o ) p l a n t s w e r eg r o w n f r o m s e e d i n a c o n t r o l l e d e n v i r o n m e n t c a b i n e t i n p o t s o fs o i l . T h e y w e r e w a t e r e d t w i c e a d a y , a n d w e r e f e r t i l i z e d e v e r yo t h e r d a y w i t h n i t r a t e - t y p e H e w i t t ' s s o l u t i o n c o n t a i n i n g : K N O 3 ,

4 mM; C a ( N O 3 ) 2 , 4 mM; M g S O 4 , 1 . 5 m M ; N a H 2 P O 4 , 1 . 3 3 m M ;EDTA F e N a , 6 0 g M ; M n S O 4 , 1 0 u M ; Z n S O 4 , 1 , u M ; C u S O 4 , 1A L M ; H 3 B O 3 , 5 0 u M ; N a 2 M o O 4 , 0 . 5 j i M ; N a C l , 0 . 1 m M ; C o ( N O 3 ) 2 ,0 . 2 u M . T h e pH o f t h e s o l u t i o n w a s 6 . 5 . PPFD2 w a s a b o u t 6 0 0t o 7 0 0 g E _ m 2 - s - ' . T h e d a y / n i g h t t e m p e r a t u r e r e g i m e w a s 2 5 /2 0 C w i t h a d a y l e ng t h o f 1 3 h . RH w a s b e t w e e n 6 0 a n d 8 0 % .G a s E x c h a n g e T e c h n i q u e s . W h e a t p l a n t s w e r e s e l e c t e d f r o mt h e g r o w t h c a b i n e t n e a r t h e e n d o f t h e n i g h t p e r i o d ( 1 0 A M ) . O n eo r t w o a t t a c h e d r e c e n t l y m a t u r e l e a v e s w e r e e n c l o s e d i n a p h o -t o s y n t h e t i c c h a m b e r , w h i c h r e c e i v e d a n i n c i d e n t P P F D o f 1 0 0 0i E -m2 - s - ' . T h e r e s t o f t h e p l a n t , w h i c h w a s k e p t i n t a c t , w a sa l s o i l l u m i n a t e d . C O 2 a n d w a t e r e x c h a n g e s w e r e m e a s u r e d i nl e a v e s u s i n g a n o p e n s y s t e m g a s a n a l y s i s a p p a r a t u s ( 2 ) . C a l c u l a -t i o n s o f g a s e x c h a n g e p a r a m e t e r s w e r e m a d e a s b e f o r e ( 2 0 ) . L e a ft o a i r w a t e r v a p o r p r e s s u r e d i f f e r e n c e s w e r e m a i nt a i n e d a t a b o u t8 t o 1 2 m b a r a t 2 0 t o 2 3 C a n d a t 2 0 t o 2 3 m b a r a t 3 0 C i n m o s te x p e r i m e n t s .L i g h t R e s p o n s e s o f P h o t o s y n t h e s i s . N e t r a t e o f C O 2 a s s i m i l a -t i o n ( A ) w a s m e a s u r e d i n w h e a t l e a v e s f o r 1 h a t a P P F D o f 1 0 0 0j i E * m - 2 . s - ' t o o p e n s t o m a t a . I n c i d e n t P P F D w a s m e a s u r e d w i t ha q u a n t u m s e n s o r ( L a m b d a I n s t r u m e n t s , m o d e l L I - 1 9 0 S R ) .P P F D w a s t h e n d e c r e a s e d b y i n t e r p o s i n g c o p p e r s c r e e n s , a n d Aw a s m e a s u r e d a t e v e r y s t e p . F i n a l l y , d a r k C O 2 e f f l u x w a s m e a s -u r e d . L e a f t e m p e r a t u r e w a s k e p t c o n s t a n t d u r i n g t h e s e p r o c e -d u r e s . T h e s e m e a s u r e m e n t s w e r e r e p e a t e d a f t e r a p e r i o d o f 4 h

2 A b b r e v i a t i o n s : P P F D , p h o t o s y n t h e t i c p h o t o n f l u x d e n s i t y ; A , r a t e o fn e t C O 2 a s s i m i l a t i o n ; p i , i n t e r c e l l u l a r p a r t i a l p r e s s u r e o f C 0 2 ; R u B P ,r i b u l o s e b i s p h o s p h a t e .

6 8 1

8/14/2019 Plant Physiol. (1983) 73, 681-686 0032-0889/83/73/0681/06/$00.50/0

2/6

P l a n t P h y s i o l . V o l . 7 3 , 1 9 8 3

3 CE0 2 5Ec 2 C0

E 1 5V 0

10

S0zn

E0 . 9 E00 . 7 Cc

00.5 -0

00.3 00

2 3 4 5 6T i m e i n t h e l i g h t ( H o u r s )

F I G . 1 . T i m e course o f n e t CO 2 a s s i m i l a t i o n ( 0 , A ) a n d t o t a l l e a fc o n d u c t a n c e t o d i f f u s i o n o f w a t e r vapor ( 0 , A ) i n w h e a t l e a v e s a t twot e m p e r a t u r e s . E x t e r n a l CO 2 p r e s s u r e w a s 3 4 0 , b a r a n d 02 c o n c e n t r a t i o nw a s 2 1 % .

a t a P P F D o f 1 0 0 0 g E * m2 - s ' . Th e l e a f t e m p e r a t u r e a n d CO 2p r e s s u r e w e r e v a r i e d a s i n d i c a t e d i n t h e t e x t . E a c h e x p e r i m e n tw a s r e p l i c a t e d t h r e e t i m e s .CO 2 R e s p o n s e s o f P h o t o s y n t h e s i s . N e t C O 2 a s s i m i l a t i o n ( A )a n d t r a n s p i r a t i o n r a t e s w e r e f i r s t m e a s u r e d i n f l a g w h e a t l e a v e sa t a m b i e n t C O 2 a n d 02 p r e s s u r e s f o r a b o u t 1 h u n t i l s t e a d y s t a t er a t e s w e r e r e a c h e d . M e a s u r e m e n t s w e r e t h e n r e p e a t e d a t s e v e r a lC O 2 c o n c e n t r a t i o n s b e l o w a m b i e n t , a n d f i n a l l y a t CO 2 p r e s s u r e sh i g h e r t h a n a m bi e n t . A f t e r t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e f i r s t curveo f A v e r s u s P i w h i c h t o o k 2 . 5 t o 3 h f r o m t h e s t a r t o f t h e l i g h tp e r i o d , l e a v e s w e r e a l l o w e d t o p h o t o s y n t h e s i z e f o r 5 h a t e x t e r n a lp a r t i a l p r e s s u r e s o f CO 2 o f e i t h e r 8 0 0 u b a r ( E x p . A ) or 5 0 t o 6 0g b a r ( E x p . B ) . T h e curve o f A versus p i w a s t h e n d e t e r m i n e da g a i n over t h e n e x t 1 . 5 t o 2 h . A t t h e e n d o f t h i s t i m e , a p i e c e o ft h e e n c l o s e d l e a f w a s t a k e n f o r c a r b o h y d r a t e a n a l y s i s ( s e e b e l o w )b y c a r e f u l l y s e c t i o n i n g t h e l e a f w i t h a s h a r p razor b l a d e . I n t h ee x p e r i m e n t s w h e r e t h e r a t e o f p h o t o s y n t h e s i s d e c l i n e d w i t h t i m e( E x p . A ) , t h e r e m a i n i n g l e a f f r a g m e n t w a s k e p t i n d a r k n e s s f o r 3h . A t t h e e n d o f t h i s p e r i o d , t h e curve o f A versus p i w a sd e t e r m i n e d a g a i n t o s t u d y r e c o v e r y . T h e r e s t o f t h e l e a f w a s t h e nu s e d f o r c a r b o h y d r a t e a n a l y s i s . E x p e r i m e n t A w a s p e r f o r m e dt h r e e t i m e s a n d e x p e r i m e n t B two t i m e s . L e a f t e m p e r a t u r e sd u r i n g t h e l i g h t a n d d a r k p e r i o d s w e r e 2 0 a n d 1 8 C , r e s p e c t i v e l y .L e a f B a s e C h i l l i n g M e t h o d s . A s m a l l p o r t i o n ( a b o u t 2 c m 2 )o f t h e b a s e o f a w h e a t l e a f , w h o s e upper p a r t w a s e n c l o s e d i n t h ep h o t o s y n t h e t i c c h a m b e r , w a s c h i l l e d b y c i r c u l a t i n g i c y w a t e r

f r o m a b a t h t h r o u g h a s a n d w i c h - t y p e b r a s s j a c k e t i n c l o s e contactw i t h b o t h s i d e s o f t h e l e a f . T h e s u r f a c e o f b o t h s i d e s o f t h e j a c ke tf o r m e d a s qu ar e o f 4 cm 2. T e m p e r a t u r e o f t h e l e a f r e g i o n i nc o n t a c t w i t h t h e j a c k e t w a s 0 t o 2C. T h e s e p r o c e d u r e s d i d no tp r o d u c e a l t e r a t i o n s i n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e e n c l o s e d p o r t i o no f t h e l e a f , w h i c h w a s k e p t a t 2 1 C . No c h a n g e s i n t h e l e a ft u r g i d i t y w e r e a p p a r e n t . Tw o e x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e s werea d o p t e d .( a ) A l e a f w a s a l l o w e d t o p h o t o s y n t h e s i z e f o r 4 h a t e x t e r n a lC O 2 p r e s s u r e s o f e i t h e r 3 5 0 o r 7 0 0 , u b a r . T h e n t h e c h i l l i n gt r e a t m e n t w a s a p p l i e d as d e s c r i b e d a b o v e a n d t h e ga s e x c h a n g e so f t h e e n c l o s e d p a r t o f t h e l e a f w e r e m o n i t o r e d f o r a s u b s e q u e n tp e r i o d o f 4 h . A t t h e e n d o f t h i s p e r i o d , t h e c o o l i n g j a c k e t wasr e m o v e d , a n d t h e l e a f ga s e x c h a n g e s w e r e m e a s u r e d f o r a b o u t ana d d i t i o n a l 1 h .( b ) I n o t h e r e x p e r i m e n t s , l e a v e s w e r e s u b j e c t e d t o t h e c h i l l i n gt r e a t m e n t f r o m t h e s t a r t o f t h e l i g h t p e r i o d , a n d t h e ga s e x c h a n g e sw e r e m o n i t o r e d f o r 5 h . C O 2 pressures i n s i d e t h e c h a m b e r w e r ee i t h e r 3 1 0 or 8 0 0 , a b a r .A l l e x p e r i m e n t s w e r e d u p l i c a t e d .C a r b o h y d r a t e D e t e r m i n a t i o n . F r e e g l u c o s e p l u s f r u c t o s e , i n -v e r t a s e sugars ( m o s t l y s u c r o s e ) , a n d s t a r c h f r a c t i o n s w e r e d e t e r -m i n e d a s d e s c r i b e d b y A z c o n - B i e t o a n d Osmond ( 2 ) .

RESULTSE f f e c t o f P r i o r P h o t o s y n t h e s i s o n S u b s e q u e n t R a t e o f N e t CO 2A s s i m i l a t i o n . U n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s , i n a m b i e n t a i r ( 3 4 0 j b a r

C 0 2 , 2 1 % 0 2 ) A r e a c h e d a m aximum w i t h i n t h e f i r s t f e w h o u r so f i l l u m i n a t i o n a n d s u b s e q u e n t l y d e c l i n e d . T h i s p a t t e r n w a s m o s tf r e q u e n t l y o b s e r v e d i n l e a v e s i l l u m i n a t e d i n a i r a t t e m p e r a t u r e sb e l o w 2 5 C ( e s p e c i a l l y i n l e a v e s w i t h h i g h r a t e s o f p h o t o s y n -t h e s i s ) , a n d w a s n o r m a l l y a b s e n t a t h i g h e r t e m p e r a t u r e s ( F i g . 1 ) .I f w h e a t l e a v e s w e r e a l l o w e d t o p h o t o s y n t h e s i z e a t 2 2 C i na t m o s p h e r e s w i t h e l e v a t e d , a m b i e n t or d e p l e t e d C O 2 p a r t i a lp r e s s u r e , t h e d e c l i n e i n A w a s m o r e d r a m a t i c a t 7 4 0 , u b a r t h a na t 3 5 0 u b a r a n d w a s a b s e n t a t 1 2 5 p b a r ( F i g . 2 A ) . T h i s responsew a s f u r t h e r e x a g g e r a t e d b y i n c r e a s i n g C O 2 p a r t i a l pressure t o 7 4 0, u b a r a n d r e d u c i n g t h e 02 c o n c e n t r a t i o n t o 2 % , r e s u l t i n g i n a35% d e c r e a s e i n A a f t e r 9 h p h o t o s y n t h e s i s ( 2 9 - 1 9 Umol C O 2 .m s ' ) . T h e d e c l i n e i n A a l s o o c c u r r e d a t 3 0 C w h e n t h e C O 2c o n c e n t r a t i o n i n t h e a i r w a s h i g h ( T a b l e I ) .T h e d e c l i n e i n A w a s n o t d u e t o s t o m a t a l c l o s u r e . I n a m b i e n ta i r , t h e d e c l i n i n g C O 2 a s s i m i l a t i o n w a s a c c o m p a n i e d b y n oc h a n g e , or even a s l i g h t i n c r e a s e , i n s t o m a t a l c o n d u c t a n c e ( F i g .1 ) a n d c o r r e s p o n d i n g s m a l l i n c r e a s e s ( f r o m 2 6 0 t o 2 8 0 , b a r ) i np i . A l t h o u g h l a r g e r d e c r e a s e s i n s t o m a t a l c o n d u c t a n c e w e r e o b -s e r v e d f o l l o w i n g p r o l o n g e d exposure t o e l e v a t e d a t m o s p h e r i cC O 2 p a r t i a l p r e s s u r e , t h i s o n l y r e s u l t e d i n s m a l l c h a n g e s i n p i

T a b l e I . T i m e C o u r s e o f N e t CO 2 A s s i m i l a t i o n ( A ) , S t o m a t a l C o n d u c t a n c e t o W a t e r V a p o r ( g j ) , I n t e r c e l l u l a r P a r t i a l P r e s s u r e o f CO 2 ( p , ) andC a r b o h y d r a t e L e v e l s i n W h e a t L e a v e s a t H i g h E x t e r n a l CO 2 P r e s s u r e s ( 8 2 5 , u b a r )C a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o n w a s m e a s u r e d i n l e a f f r a g m e n t s s a m p l e d f r o m t h e l e a f e n c l o s e d i n t h e p h o t o s y n t h e t i c chamber a f t e r 7 h i n t h e l i g h t ,

a n d a f t e r a n a d d i t i o n a l p e r i o d o f 2 h i n d a r k n e s s . Th e v a l u e s shown a r e m e a n s E o f t h r e e e x p e r i m e n t s ( e x c e p t f o r t h e v a l u e s shown i n s e c t i o n C ,w h i c h c o r r e s p o n d t o a s i n g l e e x p e r i m e n t .Period of T e m p e r a t u r e A g 5 P i CarbohydrateExperiment Concn.

c O M O C 2 M m o l C 2 O 2 . m 2 - s I ' m o l . m M 2 S - r I b a r CO 2 mmolC.m2A . I h i n t h e l i g h t 2 0 4 3 . 0 1 . 1 0 . 6 7 . 1 7 1 3 2 4 Notmeasured3 0 5 1 . 0 . 5 0 . 4 5 . 0 1 5 8 8 N o t m e a s u r e dB . 7 h i n t h e l i g h t 2 0 3 4 . 6 . 2 0 . 4 5 . 0 6 690 2 1 526 3 9 . 53 0 4 3 . 3 1 . 1 0.280.02 524 1 5 4 6 3 2 3C . 7 h i n t h e l i g h t p l u s 3 0 4 9 . 4 0 . 3 0 4 9 5 3 2 5

2 h i n t h e d a r k

A 2 2C_ -*------l a 3 0 C

_ 9 3 0 C A a A a-~___2 2 C _____vI

A Z C O N - B I E T O8 2

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END PR ODUCT INHIBITION O F PHOTOSYNTHESIS IN WHEAT- A 0

0"~ 0 - - - - ~ 740 p b o r CO23 5 0 p b a r C O 2

1 2 5 p b a r C O 2II LB--0---- - O ~ ~ O O - . . . . . . . . . . - 1

C0

) o -*--- * In_ o * ' * * *2 340SZ4

1 2 3 4 5 6 Z.

T i m e i n t h e l i g h t ( H o u r s )F I G . 2 . T i m e course o f n e t C O 2 a s s i m i l a t i o n ( A ) a n d i n t e r c e l l u l a rp a r t i a l p r e s s u r e o f C O 2 ( B ) i n w h e a t l e a v e s a t s e v e r a l e x t e r n a l C O 2

p r e s s u r e s . L e a f t e m p e r a t u r e w a s 2 2 C , a n d 02 c o n c e n t r a t i o n w a s 2 1 % .

c0Ea%.

.2_0.0

0

EE=L

100 0 100 2 0 0 3 0 0 0C a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o n

( m m o l C m r nF I G . 4 . R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d e p r e s s i o n o f n e t C O 2 a s s i m i l a t i o na n d s e v e r a l c a r b o h y d r a t e f r a c t i o n s i n w h e a t l e a v e s .

' EE

0 3 0 0-26- 2 0 0

BX * , "

I I * * 0 4-o-o2 4 6 8 1 0 0 2 4

c0-

0

0 E

000Q A4 A

1 0

-8-54E

2

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0C a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o n

( m m o l C m - 2 )

60 0

F I G . 3 . R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d e p r e s s i o n o f n e t C O 2 a s s i m i l a t i o na n d t o t a l c a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o n i n w h e a t l e a v e s . T h i s r e l a t i o n s h i pi n c l u d e s d a t a o b t a i n e d i n e x p e r i m e n t s p e r f o r m e d a t d i f f e r e n t t e m p e r a -t u r e s f r o m 2 0 C t o 3 0 C .w h i c h d i d n o t a f f e c t A ( T a b l e I ; F i g . 2 B ) . F o r e x a m p l e , i n t h e3 0 C t r e a t m e n t a t 8 2 5 A b a r ( T a b l e I ) , s t o m a t a l c o n d u c t a n c ed e c l i n e d b y a b o u t 3 8 % , A b y a b o u t 1 5 % , a n d p i b y a b o u t 11 %a f t e r 7 h p h o t o s y n t h e s i s . A f t e r 2 h r e c o v e r y i n t h e d a r k , s t o m a t a lc o n d u c t a n c e h a d n o t c h a n g e d , A h a d r e t u r n e d t o w i t h i n 3 % o ft h e s t a r t i n g v a l u e , a n d p i d e c l i n e d f u r t h e r . C l e a r l y , A w a s n o tr e s p o n s i v e t o s t o m a t a l l y c o n t r o l l e d p i over t h e range 4 9 5 t o 5 8 8, g b a r CO 2 i n t h i s e x p e r i m e n t .

T i m e i n t h e l i g h t ( h o u r s )F I G . 5 . E f f e c t o f c h i l l i n g t h e b a s e o f a w h e a t l e a f o n t h e r a t e o f n e t

C O 2 a s s i m i l a t i o n a n d p i i n t h e r e s t o f t h a t l e a f . Th e c h i l l i n g t r e a t m e n tw a s a p p l i e d ( a s i n d i c a t e d b y t h e a r r o w s ) e i t h e r a f t e r 4 h o f p h o t o s y n t h e s i s( A ) , or a t t h e b e g i n n i n g o f t h e p h o t o s y n t h e t i c p e r i o d ( B ) . I n A , a nu n c h i l l e d c o n t r o l i s a l s o s h o w n ( 0 ) . E x t e r n a l p a r t i a l p r e s s u r e s o f C O 2w e r e 3 5 0 u b a r ( A ) a n d 3 1 0 u b a r ( B ) . T e m p e r a t u r e w a s 2 1 C .

C a r b o h y d r a t e s a c c u m u l a t e i n w h e a t l e a v e s u n d e r s o m e con-d i t i o n s u s e d i n t h e a b o v e e x p e r i m e n t s and r e s p i r a t o r y r a t e s i nt h e l i g h t i n c r e a s e ( 2 ) . H o w e v e r , t h e i n c r e a s e i n r e s p i r a t i o n i s 1 . 5A m ol CO 2 m . s ' a t m o s t , a n d c a n n o t a c c o u n t f o r t h e l a r g ed e c r e a s e i n p h o t o s y n t h e s i s o b s e r v e d i n F i g u r e s 1 a n d 2 a n d i nT a b l e I . T h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e d e c l i n e i n A a n d t h e t o t a lc a r b o h y d r a t e c o n t e n t ( e x c e p t f r u c t o s a n s ) o f w h e a t l e a v e s a f t e r ap e r i o d o f p h o t o s y n t h e s i s u n d e r a v a r i e t y o f c o n d i t i o n s ( e . g .d i f f e r e n t CO 2 c o n c e n t r a t i o n s a n d t e m p e r a t u r e s ) i s shown i nF i g u r e 3 . T h e r e s e e m s t o b e n o e f f e c t o n A b e l o w 1 0 0 m m o lc a r b o h y d r a t e c a r b o n m2 ( a b o u t 3 . 1 g g l u c o s e eq m - 2 ) . C a r b o -h y d r a t e s a c c u m u l a t e d s i g n i f i c a n t l y l e s s i n l e a v e s p h o t o s y n t h e -s i z i n g a t 3 0 C t h a n a t 2 0 C , i n s p i t e o f t h e m u c h h i g h e r a s s i m i -l a t i o n r a t e s o b s e r v e d a t 3 0C ( T a b l e I ) . T h i s s u g g e s t s t h a t t r a n s -l o c a t i o n o f r e c e n t l y a c c u m u l a t e d a s s i m i l a t e s i s more e f f e c t i v e a th i g h e r t e m p e r a t u r e s . S i m i l a r e f f e c t s o f t e m p e r a t u r e o n t r a n s l o -c a t i o n h a v e b e e n r e p o r t e d ( 8 ) . T h i s i n c r e a s e d t r a n s l o c a t i o n e f f i -c i e n c y may h a v e b e e n t h e re a s o n f o r t h e l o w c a r b o h y d r a t e l e v c l sm e a s u r e d i n l e a v e s p h o t o s y n t h e s i z i n g a t h i g h t e m p e r a t u r e s a n da m b i e n t CO 2 c o n c e n t r a t i o n s , w h i c h w e r e l e s s t h a n 1 0 0 m m o lc a r b o n m2,w h i c h i s t h e c r i t i c a l l e v e l f o r p h o t o s y n t h e s i s ( s e ea b o v e ) . A l l c a r b o h y d r a t e f r a c t i o n s i n c r e a s e d i n a b o u t t h e s a m ep r o p o r t i o n s . A l t h o u g h t h e c o n c e n t r a t i o n s o f f r e e g l u c o s e p l u s

3 5

3 0 F2 5 f

E0E

.-_

Uz

2 0 1

6 8 3

1 5

10

5

6 0 0 _

-ao 4 0

2 C

00S0 *- ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 00

* 0 05.00

A701I1

V I

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P l a n t P h y s i o l . V o l . 7 3 , 1 9 8 3

. 2 I5 3 0 .

v ,;N =;*_.C0OI'-o

E 2 5 - 6~~~0~~~~~

7 0 0- ) 2 0

7 0 0 -400 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

0 0 0 2 4 6 8 0

T i m e i n t h e l i g h t ( h o u r s )F I G . 6 . E f f e c t o f c h i l l i n g t h e b a s e o f a w h e a t l e a f o n t h e r a t e o f n e tC O 2 a s s i m i l a t i o n a n d p , i n t h e r e s t o f t h a t l e a f . E x t e r n a l C O 2 p r e s s u r e sw e r e 7 0 0 t o 7 7 0\barA ) a n d 8 0 0 M b a r ( B ) . O t h e r c o n d i t i o n s a n d s y m b o l sa r e a s i n F i g u r e 5 .

f r u c t o s e a n d o f s t a r c h w e r e l o w e r t h a n t h o s e o f i n v e r t a s e s u g a r s( m o s t l y s u c r o s e ) a t maximum i n h i b i t i o n o f A ( F i g . 4 ) , t h e r e i sn o e v i d e n c e t h a t a n y o n e c o m p o n e n t o f t h e c a r b o h y d r a t e f r a c -t i o n s w a s s p e c i f i c a l l y m o r e i n h i b i t o r y t h a n a n o t h e r .E f f e c t o f C h i l l i n g t h e L e a f B a s e o n N e t C O 2 A s s i m i l a t i o n .C h i l l i n g o f t h e b a s a l p o r t i o n o f w h e a t l e a v e s i s k n o w n t o i n h i b i tt r a n s l o c a t i o n , a n d i n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s i t a c c e l e r a t e d t h er a t e o f d e c l i n e i n p h o t o s y n t h e s i s . I n w h e a t l e a v e s a l l o w e d t op h o t o s y n t h e s i z e i n a m b i e n t a i r , c o o l i n g t h e l e a f b a s e t o n e a r 0 Ca c c e l e r a t e d t h e d e c l i n e i n A m o r e t h a n 2 - f o l d , b u t h a d n o e f f e c to n p i ( F i g . 5 ) . T h a t i s , t h e i n h i b i t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s w a s n o td u e t o s t o m a t a l c l o s u r e . I n l e a v e s k e p t i n t h e l i g h t a t e l e v a t e dC O 2 p a r t i a l p r e s s u r e s , t h e r e s p o n s e t o c h i l l i n g t h e l e a f b a s e w a se v e n m o r e d r a m a t i c ( F i g . 6 ) . I t w a s i m m a t e r i a l w h e t h e r t h ec h i l l i n g w a s a p p l i e d a f t e r 4 h p h o t o s y n t h e s i s o r a l m o s t i m m e d i -a t e l y a f t e r i l l u m i n a t i o n ; i n b o t h c a s e s t h e r a t e o f d e c l i n e i n A ,c o m p a r e d t o a n u n c h i l l e d c o n t r o l , a c c e l e r a t e d f r o m a b o u t l e s s' E 4 - A 3 2 0 O b a r C O 2 X BE 2 0 0 C

B e f o r e *2 0 . 0 6 4.2

0 . 0 5 1C4 1 .

t h a n 1 t o a b o u t 1 . 5 t o 3 u m o l C O 2 . m2. s - ' e a c h h o u r . A b o u t 2h a f t e r t h e c o m m e n c e m e n t o f t h e c h i l l i n g t r e a t m e n t , p i b e g a n t od e c l i n e ( F i g . 6 ) , b u t a g a i n , t h e m a j o r e f f e c t o f c h i l l i n g o n Ao c c u r r e d b e f o r e t h e P i r e s p o n s e . V e r y h i g h c a r b o h y d r a t e l e v e l sw e r e m e a s u r e d i n t h e l e a v e s a f t e r t h e c h i l l i n g t r e a t m e n t s ( n o ts h o w n ) . When t h e c h i l l i n g w a s h a l t e d , t h e i n h i b i t i o n o f A a n dt h e c l o s u r e o f s t o m a t a p e r s i s t e d f o r a t l e a s t 1 h . T h e r e w a s n oe v i d e n c e o f r e c o v e r y .E f f e c t o f P r i o r P h o t o s y n t h e s i s o n t h e P r o p e r t i e s o f P h o t o s y n -t h e s i s . I t w a s r o u t i n e l y f o u n d t h a t t h e a p p a r e n t q u a n t u m y i e l d( t h e i n i t i a l s l o p e o f t h e c u r v e o f A v e r s u s P P F D , e x c l u d i n g t h ep o i n t i n d a r k n e s s ) w a s l o w e r i n l e a v e s a f t e r a p e r i o d o f p h o t o s y n -t h e s i s a t 2 0C ( F i g . 7 , A a n d C ) . I f l e a v e s w e r e a l l o w e d t op h o t o s y n t h e s i z e a t 3 0 C a t a m b i e n t C 0 2 , t h e a p p a r e n t q u a n t u my i e l d w a s s i m i l a r b e f o r e a n d a f t e r t h e p h o t o s y n t h e t i c p e r i o d ( F i g .7 B ) . A p p a r e n t q u a n t u m y i e l d w a s l o w e r a t h i g h e r t e m p e r a t u r ea n d h i g h e r a t h i g h C 0 2 , a s e x p e c t e d i n C 3 p l a n t s ( 5 ) . T h e s ec o m p a r i s o n s i n d i c a t e t h a t l i g h t i t s e l f w a s n o t r e s p o n s i b l e f o r t h ed e c l i n e i n a p p a r e n t q u a n t u m y i e l d , i . e . p h o t o i n h i b i t i o n w a sp r o b a b l y n o t a c o n t r i b u t o r y f a c t o r . No c h a n g e s i n t h e l i g h tt r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e s o f t h e l e a v e s ( 6 - 7 % t r a n s m i s s i o n ) w e r ed e t e c t e d f o l l o w i n g t h e s e p e r i o d s o f p h o t o s y n t h e s i s ; l e a f a b s o r b -a n c e c o u l d n o t b e m e a s u r e d , b u t i t i s u n l i k e l y t h a t c h a n g e s i n

a b s o r b a n c e w e r e l a r g e e n o u g h t o a c c o u n t f o r t h e l a r g e v a r i a t i o n so b s e r v e d i n t h e a p p a r e n t q u a n t u m y i e l d . C a r b o h y d r a t e s w e r en o t m e a s u r e d i n t h i s e x p e r i m e n t , b u t i t i s p r o b a b l e t h a t t h e y a r ea l s o i n v o l v e d i n t h e s e r e s p o n s e s .T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n A a n d p i i n f l a g w h e a t l e a v e s b e f o r ea n d a f t e r a p e r i o d o f p h o t o s y n t h e s i s w h i c h c a u s e d a c c u m u l a t i o no f c a r b o h y d r a t e s i s s h o w n i n F i g u r e 8 A . T h e i n i t i a l s l o p e w a su n a f f e c t e d , b u t t h e s a t u r a t e d r e g i o n o f t h e c u r v e w a s d e p r e s s e d .T h i s d e p r e s s i o n w a s r e l i e v e d b y 3 h i n d a r k n e s s w h i c h a l s or e s u l t e d i n a d e c l i n e i n l e a f c a r b o h y d r a t e s t a t u s . I f l e a v e s w e r et r e a t e d u n d e r t h e s a m e i l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n s , b u t a t l o w C O 2( 6 0 - 7 0 g b a r ) , c a r b o h y d r a t e s d i d n o t a c c u m u l a t e t o t h e s a m ee x t e n t a n d t h e r e w e r e n o c h a n g e s i n t h e s h a p e o f t h e c u r v e o f Av e r s u s p i ( F i g . 8 B ) .T h e 0 2 s e n s i t i v i t y o f C O 2 a s s i m i l a t i o n i n w h e a t l e a v e s a l s od e c l i n e d f o l l o w i n g a n e x t e n d e d p e r i o d o f p h o t o s y n t h e s i s ( F i g . 9 ) ,a n d t h e r e d u c t i o n i n t h e 0 2 s e n s i t i v i t y o f p h o t o s y n t h e s i s w a s l e s si n l e a v e s w i t h l o w e r p h o t o s y n t h e t i c r a t e s ( T a b l e I I ) .S t o m a t a l c o n d u c t a n c e t o w a t e r v a p o r w a s r a t h e r i n s e n s i t i v e t op i c h a n g e s a t t h e b e g i n n i n g o f t h e l i g h t p e r i o d , b u t i t d e c r e a s e da n d s h o w e d s e n s i t i v i t y t o p i a f t e r a h i g h C O 2 l i g h t p e r i o d ( n o t

PPFD ( p E E m 2 s 1 )F I G . 7 . L i g h t r e s p o n s e c u r v e s o f n e t C O 2 a s s i m i l a t i o n i n w h e a t l e a v e s d e t e r m i n e d b e f o r e ( @ ) a n d a f t e r ( 0 ) a p e r i o d o f p h o t o s y n t h e s i s o f 4 h .T h r e e t y p i c a l e x p e r i m e n t s a r e s h o w n . E x t e r n a l p a r t i a l p r e s s u r e s o f C O 2 a n d t e m p e r a t u r e s d u r i n g t h e e x p e r i m e n t s a r e s h o w n . 0 2 c o n c e n t r a t i o n was2 1 % . T h e a p p a r e n t q u a n t u m y i e l d v a l u e s ( m o l C 0 2 E - ' ; w h i c h w e r e c a l c u l a t e d e x c l u d i n g t h e p o i n t i n d a r k n e s s ) a r e a l s o s h o w n , i n t h e f i g u r e s .E x t e r n a l C O 2 p r e s s u r e d u r i n g q u a n t u m y i e l d m e a s u r e m e n t w a s t h e s a m e a s d u r i n g t h e p h o t o s y n t h e t i c p e r i o d .

AZCON-BIETO8 4

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END PR ODUCT INHIBITION O F PHOTOSYNTHESIS I N WHEATT a b l e I I . E f f e c t o f D e c r e a s i n g 0 2 C o n c e n t r a t i o n f r o m 2 1 t o 2 % o n t h e R a t e o f N e t C O 2 A s s i m i l a t i o n ( A ) a tD i f f e r e n t T i m e s d u r i n g t h e L i g h t P e r i o dT e m p e r a t u r e w a s 2 1 C . F o r o t h e r d e t a i l s , s e e l e g e n d t o F i g u r e 9 .

T i m e i n t h e L i g h t ( h )E x p e r i m e n t 1 . 5 - 2 4 - 5

A 2 1 A 2 I n c r e a s e A 2 , A 2 I n c r e a s em o lC O 2 m - 2 . s r ' % O s m o l C O 2 m - 2 . s ' %1 1 9 . 3 2 5 . 2 3 1 1 8 . 8 2 1 1 22 2 1 . 9 2 9 . 0 3 2 1 9 . 9 2 1 63 1 2 . 5 1 9 . 2 5 4 1 3 . 5 1 8 3 3

2 0 0 4 0 0 6 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0I n t e r c e l l u l a r C O 2 p a r t i a l pressure ( p b a r )

F I G . 8 . E f f e c t o f a p e r i o d o f p h o t o s y n t h e s i s o n t h e curve o f A versusp i i n f l a g w h e a t l e a v e s . A , T h e curve w a s d e t e r m i n e d a t t h e b e g i n n i n g o ft h e l i g h t p e r i o d ( 0 ) , a f t e r 5 h i n t h e l i g h t a t 8 0 0 s b a r C O 2 ( 0 ) , a n d a f t e ra f u r t h e r 3 h i n t h e d a r k ( A ) . T h e c a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s el e a v e s i n c r e a s e d f r o m 1 2 t o 2 6 0 ( 4 0 ) mmolC _ m - 2 a f t e r 5 h i n t h e l i g h t ,a n d d e c l i n e d t o 1 9 7 ( 1 1 ) a f t e r 3 h i n t h e d a r k . B , T h e curve o f A versusp i w a s d e t e r m i n e d a t t h e b e g i n n i n g o f t h e l i g h t p e r i o d ( 0 ) a n d a f t e r 5 hi n t h e l i g h t a t 5 0 t o 6 0 , b a r C O 2 ( 0 ) . T h e c a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d t o o n l y 9 9 ( 1 0 ) mmolC . m2 a f t e r 5 h i n t h e l i g h t . T h e arrowsi n d i c a t e t h e d i r e c t i o n i n w h i c h t h e p i l e v e l w a s c h a n g e d ( i . e . i n c r e a s e d ord e c r e a s e d ) .s h o w n ) . I n c o n t r a s t , t h e s t o m a t a l r e s p o n s e s t o p i w e r e n o t a f f e c t e db y a p e r i o d o f p h o t o s y n t h e s i s a t low C O 2 p r e s s u r e s .

DISCUSSIONT h e s e r e s u l t s a n d t h o s e o b t a i n e d b y B i r e c k a a n d D a k i c - W I o d -k o w s k a ( 3 ) a n d K i n g e t a l . ( 1 2 ) a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e occurrence

o f e n d p r o d u c t i n h i b i t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s i n w h e a t l e a v e s . T h ed e c l i n e i n t h e r a t e o f n e t CO 2 a s s i m i l a t i o n w i t h t i m e o f i l l u m i -n a t i o n w a s g r e a t e s t u n d e r c o n d i t i o n s o f r e d u c e d e x p o r t ( l e a f b a s ec h i l l i n g , l o w t e m p e r a t u r e s ) or h i g h e r r a t e s o f p h o t o s y n t h e s i s ( h i g hC O 2 a n d low 0 2 p r e s s u r e s i n t h e a i r ) . T h e d e c l i n e i n C O 2a s s i m i l a t i o n was r e l a t e d t o c a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o n a b o v e ac e r t a i n c r i t i c a l l e v e l . T h e i n c r e a s e i n r e s p i r a t i o n w a s n o t l a r g ee n o u g h t o a c c o u n t f o r t h i s d e c l i n e ( 2 ) . O n t h e o t h e r h a n d , CO 2a s s i m i l a t i o n r e c o v e r e d s u b s t a n t i a l l y a f t e r a s h o r t p e r i o d o f d a r k -ness i n w h i c h l e a f c a r b o h y d r a t e l e v e l s d e c l i n e d . F a c t o r s s u c h ass t o m a t a l c l o s u r e , p h o t o i n h i b i t i o n a n d e n d o g e n o u s r h y t h m s d on o t s e e m t o b e i n v o l v e d i n t h e s e r e s p o n s e s . S i m i l a r o b s e r v a t i o n sh a v e b e e n r e p o r t e d i n o t h e r s p e c i e s ( 4 , 1 3 , 1 5 , 1 8 ) . I n c o n t r a s t ,G e i g e r ( 7 ) c h i l l e d t h e p r i m a r y l e a f p e t i o l e a n d n o d e o f a b e a np l a n t b u t no e f f e c t o n t h e r a t e o f n e t p h o t o s y n t h e s i s o f t h a t l e a f

E0E0

0VI

uz

3 0

2 5

2 0

T i m e i n t h e l i g h t ( H o u r s )F I G . 9 . C h a n g e s i n t h e 02 s e n s i t i v i t y o f p h o t o s y n t h e s i s i n w h e a t l e a v e sw i t h t i m e . N e t C O 2 a s s i m i l a t i o n w a s i n i t i a l l y m e a s u r e d i n a i r ( 3 3 0 M b a r

C O 2 ; 2 1% 0 2 ) ; b u t , a t i n t e r v a l s , t h e 02 c o n c e n t r a t i o n w a s t e m p o r a r i l yr e d u c e d t o 2 % . T h e a r r o w s i n d i c a t e t r a n s f e r t o 2 % 02 o r 21% 02 , a n dt h e d o t t e d l i n e s r e p r e s e n t t h e p e r i o d s a t 2 % 02 d u r i n g w h i c h m e a s ure-ments w e re n o t t a k e n . T e m p e r a t u r e w a s 2 1 Cw a s o b s e r v e d . H o w e v e r , a s s i m i l a t i o n w a s very l o w i n t h i s s t u d y( a b o u t 2 Amol C02m s - ' ) a n d a l a r g e c a r b o h y d r a t e b u i l d - u pi s n o t e x p e c t e d u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s . T h e i n h i b i t i o n o f p h o -t o s y n t h e s i s i n w h e a t i s c o r r e l a t e d w i t h a c c u m u l a t i o n o f s o l u b l es u g a r s . S t a r c h a l s o a c c u m u l a t e d i n w h e a t l e a v e s , b u t t o a muchl e s s e x t e n t t h a n s o l u b l e s u g a r s . A c c u m u l a t i o n o f s t a r c h i n l e a v e so f o t h e r s p e c i e s h a s a l s o b e e n n e g a t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h t h e r a t eo f p h o t o s y n t h e s i s ( 9 , 1 8 ) .T h e c h a n g e s i n p h o t o s y n t h e t i c p r o p e r t i e s f o l l o w i n g c a r b o h y -d r a t e a c c u m u l a t i o n i n w h e a t l e a v e s ca n b e i n t e r p r e t e d i n t e r m so f m a j o r b i o c h e m i c a l p r o c e s s e s i n l e a v e s o f C 3 p l a n t s , as o u t l i n e db y F a r q u h a r a n d v o n C a e m m e r e r ( 6 ) . R e d u c e d quantum y i e l ds u g g e s t s t h a t c a r b o h y d r a t e a c c u m u l a t i o n i m p a i r s t h e p r o d u c t i o nor c o n s u m p t i o n o f ATP/NADPH i n p h o t o s y n t h e s i s i t s e l f . R e -d u c t i o n o f t h e C O 2 - s a t u r a t e d r a t e o f p h o t o s y n t h e s i s ( F i g . 8 A )i m p l i e s t h a t c a r b o h y d r a t e a c c u m u l a t i o n l e a d s t o i m p a i r e d regen-e r a t i o n o f t h e c a r b o x y l a t i o n s u b s t r a t e R u B P . I t h a s b e e n sug-g e s t e d t h a t s o l u b l e s u g a r a c c u m u l a t i o n may r e d u c e t h e r a t e o fRuBP r e g e n e r a t i o n b y d e c r e a s i n g a v a i l a b l e s t r o m a l P i ( I 1 ) . V e r yl o w p h o s p h a t e l e v e l s i n s i d e t h e c h l o r o p l a s t s c a n r e s t r i c t t h e r a t e so f p h o t o p h o s p h o r y l a t i o n a n d e l e c t r o n t r a n s p o r t , p r o b a b l y v i a ad e c r e a s e d ATP/ADP r a t i o a n d d e p r e s s i o n o f 3 - p h o s p h o g l y c e r a t er e d u c t i o n ( 1 7 ) . T h e use o f m a n n o s e a n d g l u c o s a m i n e , w h i c hs e q u e s t e r c y t o s o l i c p h o s p h a t e , p r o d u c e s a d e c l i n e i n a s s i m i l a t i o na n d ATP l e v e l s w h i c h i s c o n s i s t e n t w i t h t h i s h y p o t h e s i s o fp h o s p h a t e l i m i t a t i o n ( 1 l , 1 4 , 1 7 ) .T h i s i n t e r p r e t a t i o n r e c e i v e s some s u p p o r t f r o m t h e o b s e r v a t i o nt h a t t h e 02 response o f C 3 p h o t o s y n t h e s i s i s a l s o i m p a i r e d w h e nc a r b o h y d r a t e a c c u m u l a t e ( F i g . 9 ) . A s i m i l a r d e s e n s i t i v i t y o f C O 2

6 8 5

3 0

2 0 [E0EC0

0. )z n

A B/,/, - - - - - - - --O

O S /

1 I I1

B

o /l 1f 0

.

1 0

2 1 % 0 2 2 1 % 0 2 2 1 % 0 2

v~~~~~~j~~~~~~

/0I - -

2 % 0 2 2 % 0 2 2 % 0 21 1 ~ ~n I 1) A r t0

a

8/14/2019 Plant Physiol. (1983) 73, 681-686 0032-0889/83/73/0681/06/$00.50/0

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6 8 6 A Z C O N - B I E T Of i x a t i o n t o 0 2 h a s b e e n o b s e r v e d i n s p i n a c h l e a v e s i n f i l t r a t e dw i t h m a n n o s e ( 1 0 ) , a n d U s u d a a n d E d w a r d s ( 1 9 ) h a v e d i s c u s s e dt h e s p a r i n g e f f e c t o f RuBP o x g e n a t i o n o n p h o s p h a t e d e f i c i e n c yi n e x p e r i m e n t s w i t h i s o l a t e d c h l o r o p l a s t s . I t i s p o s s i b l e t h a t t h er a t e o f p h o t o s y n t h e s i s b e c o m e s i n s e n s i t i v e t o t h e r a t i o o f c a r b o x -y a t i o n t o o x y g e n a t i o n w h e n p h o s p h a t e i s s e q u e s t e r e d i n t h ec y t o p l a s m b y m a n n o s e ( 1 0 ) o r b y t h e a c c u m u l a t i o n o f c a r b o h y -d r a t e s i n t h e l e a f c e l l s , b e c a u s e u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s t h e r a t eo f C O 2 a s s i m i l a t i o n may b e c o n t r o l l e d b y t h e r a t e o f r e l e a s e o fp h o s p h a t e i n t h e c y t o s o l ( 6 , 1 0 , 1 1 ) . T h e s e d a t a e s t a b l i s h ac o r r e l a t i o n b e t w e e n i n h i b i t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s a n d c a r b o h y -d r a t e b u i l d - u p , a n d s u g g e s t c o n t r o l o f t h e r e g e n e r a t i o n o f R u B P .T h e p h o s p h a t e l i m i t a t i o n h y p o t h e s i s p r o v i d e s o n e f r a m e w o r kf o r f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n o f t h e m e c h a n i s m s i n v o l v e d .

A c k n o w l e d g m e n t s - I am v e r y g r a t e f u l t o P r o f e s s o r C . B . O s m o n d f o r h i s h e l pa n d e n c o u r a g e m e n t . I a l s o t h a n k D r . S . C . Wong f o r h i s a s s i s t a n c e i n t e c h n i c a l a n de x p e r i m e n t a l m a t t e r s , a n d D r s . D . A . W a l k e r , G . D . F a r q u h a r , a n d D . A . D a y f o ru s e f u l c o m m e n t s .LITERATURE CITED

1 . A U S T I N R B , J E D R I C H 1 9 7 5 E f f e c t s o f e a r r e m o v a l o n p h o t o s y n t h e s i s , c a r b o -h y d r a t e a c c um ul a t i on a n d o n t h e d i s t r i b u t i o n o f a s s i m i l a t e d " 4 C i n w h e a t .An n B o t 3 9 : 1 4 1 - 1 5 22 . A z c 6 N - B I E T o J , CB O S M O N D 1 9 8 3 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n p h o t o s y n t h e s i s a n dr e s p i r a t i o n . T h e e f f e c t o f c a r b o h y d r a t e s t a t u s o n t h e r a t e o f C O 2 p r o d u c t i o nb y r e s p i r a t i o n i n d a r k e n e d a n d i l l u m i n a t e d w h e a t l e a v e s . P l a n t P h y s i o l 7 1 :5 7 4 - 5 8 13 . B I R E C K A H , L D A K I C - W L O D K O W S K A 1 9 6 3 P h o t o s y n t h e s i s , t r a n s l o c a t i o n , a n da c c u m ul a t i o n o f a s s i m i l a t e s i n c e r e a l s d u r i n g g r a i n d e v e l o p m e n t . I I I . S p r i n gw h e a t - p h o t o s y n t h e s i s a n d t h e d a i l y a c c u m u l a t i o n o f p h o t o s y n t h a t e s i n t h eg r a i n . A c t a S o c B o t P o l 3 2 : 6 3 1 - 6 5 04 . C H A T T E R T O N N J 1 9 7 3 P r od u c t i n h i b i t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s i n a l f a l f a l e a v e s a sr e l a t e d t o s p e c i f i c l e a f w e i g h t . C r o p S c i 1 3 : 2 8 4 - 2 8 55 . E H L E R I N G E R J , 0 B j O R K M A N 1 9 7 7 Q u a n t u m y i e l d s f o r C O 2 u p t a k e i n C 3 a n dC 4 p l a n t s . D e p e n d e n c e o n t e m p e r a t u r e , C O 2 a n d 0 2 c o n c e n t r a t i o n s . P l a n tP h y s i o l 5 9 : 8 6 - 9 06 . F A R Q U H A R G D , S VON C A E M M E R E R 1 9 8 2 M o d e l l i n g o f p h o t o s y n t h e t i c r e s p o n s e

P l a n t P h y s i o l . V o l . 7 3 , 1 9 8 3t o e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s . I n O L L a n g e , P S N o b e l , CB O s m o n d , HZ i e g l e r , e d s , P h y s i o l o g i c a l P l a n t E c o l o g y , V o l B , W a t e r R e l a t i o n s a n d P h o -t o s y n t h e t i c P r o d u c t i v i t y . S p r i n g e r - V e r l a g , H e i d e l b e r g , p p 5 4 9 - 5 8 77 . G E I G E R DR 1 9 7 6 E f f e c t s o f t r a n s l o c a t i o n a n d a s s i m i l a t e d e m a n d o n p h o t o s y n -t h e s i s . C a n J B o t 5 4 : 2 3 3 7 - 2 3 4 58 . G E I G E R D R , SA S O V O N I K 1 9 7 5 E f f e c t s o f t e m p e r a t u r e , a n o x i a a n d o t h e rm e t a b o l i c i n h i b i t o r s o n t r a n s l o c a t i o n . I n M Z i m m e r m a n n , J A M i l b u r n , e d s ,E n c y c l o p e d i a o f P l a n t P h y s i o l o g y , Ne w S e r i e s V o l 1 , P h l o e m T r a n s p o r t .S p r i n g e r - V e r l a g , B e r l i n , p p 2 5 6 - 2 8 69 . G U I N N G , JR MAUNEY 1 9 8 0 A n a l y s i s o f C O 2 e x c h a n g e a s s u m p t i o n s : f e e d b a c kc o n t r o l . I n JD H e s k e t h , J W J o n e s , e d s , P r e d i c t i n g P h o t o s y n t h e s i s f o r E c o -s y s t e m M o d e l s , V o l 2 . CRC P r e s s , B o c a R a t o n , F L , p p 1 - 1 61 0 . H A R R I S G C , JK C H E E S B R O U G H , DA WALKER 1 9 8 3 E f f e c t o f m a n n o s e o np h o t o s y n t h e t i c g a s e x c h a n g e i n s p i n a c h l e a f d i s c s . P l a n t P h y s i o l 7 1 : 1 0 8 - 1 1 11 1 . H E R O L D A 1 9 8 0 R e g u l a t i o n o f p h o t o s y n t h e s i s b y s i n k a c t i v i t y - t h e m i s s i n gl i n k . Ne w P h y t o l 8 6 : 1 3 1 - 1 4 41 2 . K I N G RW , I F WARDLAW, LT E V A N S 1 9 6 7 E f f e c t o f a s s i m i l a t e u t i l i z a t i o n o np h o t o s y n t h e t i c r a t e i n w h e a t . P l a n t a 7 7 : 2 6 1 - 2 7 61 3 . K u S B , GE E D W A R D S , D S M I T H 1 9 7 8 P h o t o s y n t h e s i s a n d n o n s t r u c t u r a lc a r b o h y d r a t e c o n c e n t r a t i o n i n l e a f b l a d e s o f P a n i c u m v i r g a t u m a s a f f e c t e db y n i g h t t e m p e r a t u r e . C a n J B o t 5 6 : 6 3 - 6 81 4 . M I G I N I A c - M A S L O W M , A HOARAU 1 9 8 2 V a r i a t i o n s i n t h e a d e n y l a t e l e v e l sd u r i n g p h o s p h a t e d e p l e t i o n i n i s o l a t e d s o y b e a n c e l l s a n d w h e a t l e a f f r a g -m e n t s . Z P f l a n z e n p h y s i o l 1 0 7 : 4 2 7 - 4 3 61 5 . M I L N E R HW, WM H I E S E Y 1 9 6 4 P h o t o s y n t h e s i s i n c l i m a t i c r a c e s o f M i m u l u l t s .I I . E f f e c t o f t i m e a n d C O 2 c o n c e n t r a t i o n o n r a t e . P l a n t P h y s i o l 3 9 : 7 4 6 - 7 5 01 6 . N E A L E S T F , LD I N C O L L 1 9 6 8 T h e c o n t r o l o f l e a f p h o t o s y n t h e s i s r a t e b y t h el e v e l o f a s s i m i l a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e l e a f : a r e v i e w o f t h e h y p o t h e s i s . B o tR e v 3 4 : 1 0 7 - 1 2 5

1 7 . R O B I N S O N S P , DA WALKER 1 9 8 1 P h o t o s y n t h e t i c c a r b o n r e d u c t i o n c y c l e . I nMD H a t c h , NK B o a r d m a n , e d s , T h e B i o c h e m i s t r y o f P l a n t s . A C o m p r e h e n -s i v e T r e a t i s e , V o l 8 , P h o t o s y n t h e s i s . A c a d e m i c P r e s s , Ne w Y o r k , p p 1 9 3 -2 3 61 8 . U P M E Y E R D J , HR K O L L E R 1 9 7 3 D i u r n a l t r e n d s i n n e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e a n dc a r b o h y d r a t e l e v e l s o f s o y b e a n l e a v e s . P l a n t P h y s i o l 5 1 : 8 7 1 - 8 7 41 9 . USUDA H , GE EDWARDS 1 9 8 2 I n f l u e n c e o f v a r y i n g C O 2 a n d o r t h o p h o s p h a t ec o n c e n t r a t i o n s o n r a t e s o f p h o t o s y n t h e s i s , a n d s y n t h e s i s o f g l y c o l a t e a n dd i h y d r o x y a c e t o n e p h o s p h a t e b y w h e a t c h l o r o p l a s t s . P l a n t P h y s i o l 6 9 : 4 6 9 -4 7 32 0 . V O N C A E M M E R E R S , GD F A R Q U H A R 1 9 8 1 S o m e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h eb i o c h e m i s t r y o f p h o t o s y n t h e s i s a n d t h e g a s e x c h a n g e o f l e a v e s . P l a n t a 1 5 3 :3 7 6 - 3 8 72 1 . WARDLAW I F 1 9 6 8 T h e c o n t r o l a n d p a t t e r n o f m o v e m e n t o f c a r b o h y d r a t e s i np l a n t s . B o t R e v 3 4 : 7 9 - 1 0 5