Plant Physiol. 1989 Brown 1543 50

8/10/2019 Plant Physiol. 1989 Brown 1543 50

1/8

P l a n t P h y s i o l . ( 1 9 8 9 )

9 1 ,

1 5 4 3 - 1 5 5 0

0 0 3 2 - 0 8 8 9 / 8 9 / 9 1 / 1

5 4 3 / 0 8 / 0 1 . 0 0 / 0

R e c e i v e d

f o r

p u b l i c a t i o n

May 2 3 , 1 9 8 9

a n d i n r e v i s e d f o r m A u g u s t 7 , 1 9 8 9

L e a f

Anatomy o f C 3 - C 4

S p e c i e s a s R e l a t e d

t o E v o l u t i o n

o f

C4 Photosynthesis

R .

H a r o l d B r o w n *

a n d P a u l

W.

H a t t e r s l e y

D e p a r t m e n t

o f A g r o n o m y , U n i v e r s i t y o f

G e o r g i a ,

A t h e n s ,

G e o r g i a 3 0 6 0 2

( R . H . B . ) ;

and 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 l U n i v e r s i t y ,

C a n b e r r a ,

A C T , A u s t r a l i a

( P . W . H . )

ABSTRACT

T h i s

s t u d y

was

u n d e r t a k e n t o e x a m i n e

t h e

d e g r e e o f K r a n z

a n a t o m y d e v e l o p m e n t

i n

t h e

s p e c i e s i n t e r m e d i a t e

t o C 3 a n d C 4

t y p e s ( C 3 - C 4 )

i n

P a n i c u m , N e u r a c h n e , F l a v e r i a ,

a n d

M o r i c a n d i a .

I n

e a c h

g e n u s ,

C 3 a nd / o r C 4 s p e ci e s w e r e u s e d

f o r c o m p a r i s o n .

L e a f t r a n s e c t i o n s

f r o m e a c h s p e c i e s

w e r e e x a m i n e d

b y l i g h t

a n d

t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n

m i c r o s c o p y .

T h e p e r c e n t a g e s

o f l e a f p h o -

t o s y n t h e t i c

c e l l

p r o f i l e s

p a r t i t i o n e d

t o

b u n d le s h e a t h s

were

h i g h e r

i n

C 4

t h a n

i n

C 3

s p e c i e s , w h i l e C 3- C 4 s p e c i e s

t e n d e d

t o

b e

i n

b e t w e e n .

H o w e v e r ,

p e r c e n t a g e s

f o r

C 3 - C 4 s p e c i e s

i n

M o r i c a n d i a

a n d some

C 3 - C 4

F l a v e r i a

s p e c i e s

were

n o t

g r e a t e r

t h a n

C 3 .

W h e n

e x p r e s s e d

o n

a

c e l l

p r o f i l e a r e a

b a s i s ,

C 3 - C 4 s p e c i e s p a r t i t i o n e d

more p h o t o s y n t h e t i c

t i s s u e t o

b u n d l e

s h e a t h s

t h a n

C 3 s pe c i e s

i n

M o r i c a n d ia , b u t

n o t

i n

F l a v e r i a .

N e u r a c h n e

m i n o r

S .

T .

B l a k e

( C 3 -

C 4 ) p a r t i t i o n e d

a

v e r y

s m a l l

p o r t i o n

o f c e l l

p r o f i l e

a r e a t o t h e

i n n e r

b u n d l e

s h e a t h s

( 5 )

c o m p a r e d

t o

N e u r a c h n e

m u n r o i

F .

M u e l l

( C 4 )

( 2 1 ) .

T h e

p e r c e n t a g e o f o r g a n e l l e s p a r t i t i o n e d

t o

b u n d l e

s h e a t h s

was much

g r e a t e r

i n

C 3 - C 4

t h a n

i n

C 3 s p e c i e s .

T h e

a v e r a g e

C 3 p e r c e n t a g e s

f o r m i t o c h o n d r i a

p l u s

p e r o x i s o m e s

were

1 9 , 8 ,

a n d

1 9 . 5 f o r

N e u r a c h n e , F l a v e r i a ,

a n d

M o r i c a n d i a ,

r e s p e c -

t i v e l y , c o m p a r e d

t o

4 1 , 2 9 ,

a n d 4 6 . 5 f o r

t h e C 3 - C 4 s p e c i e s . T h e

C O 2 c o m p e n s a t i o n

c o n c e n t r a t i o n was

n e g a t i v e l y

r e l a t e d

t o t h e

p a r t i t i o n i n g

o f t i s s u e t o b u n d l e

s h e a t h s a n d

t o t h e

p e r c e n t a g e

o f

o r g a n e l l e s

i n

b u n d l e s h e a t h s . I t

i s

c o n c l u d e d

t h a t

a l l

o f

t h e

C 3 C 4

s p e c i e s

e x a m i n e d h a v e

d e v e l o p e d

some

d e g r e e

o f K r a n z a n a t -

o m y

a n d

t h a t

t h i s

a l t e r e d

a n a t o m y

i s

i n v o l v e d

i n

t h e i r

r e d u c e d

a p p a r e n t

p h o t o r e s p i r a t i o n .

P l a n t s w i t h

C 4 p h o t o s y n t h e s i s

h a v e

a

s p e c i a l i z e d

l e a f a n a t -

omy

w h i c h i s

r e q u i s i t e

f o r t h e i r

CO2

m e t a b o l i s m a n d

w h i c h

e f f e c t i v e l y

e l i m i n a t e s

p h o t o r e s p i r a t i o n

a n d i n c r e a s e s t h e c a -

p a c i t y

f o r

CO2

a s s i m i l a t i o n

( 3 , 9 ) .

T h i s

s p e c i a l i z e d

anatomy

i s

c h a r a c t e r i z e d

b y

a

w e l l - d e v e l o p e d

v a s c u l a r

b u n d l e

s h e a t h

w i t h B S C 2 c o n t a i n i n g

l a r g e

q u a n t i t i e s

o f

o r g a n e l l e s ( 4 ) .

T h e

l e a f

m e s o p h y l l

o f

C 4 s p e c i e s

i s

a l s o

r a d i a l l y

a r r a n g e d a r o u n d

t h e

b u n d l e

s h e a t h

a n d MC

are

u s u a l l y

l o c a t e d

no

more

t h a n

o n e c e l l

d i s t a n t

f r o m BSC

( 1 2 ) . T h u s ,

c l o s e

s p a c i n g

o f v e i n s

a n d

r a d i a l

a r r a n g e m e n t

o f

MC

p r o v i d e s

m ax i m u m c o n t a c t

b e t w e e n MC a n d

B S C , f a c i l i t a t i n g

t r a n s p o r t

b e t w e e n c e l l

t y p e s .

R e s e a r c h

s u p p o r t e d

i n

p a r t b y

t h e

G e o r g i a

A g r i c u l t u r a l E x p e r i -

m e n t S t a t i o n a n d t h e 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 ,

A u s t r a -

l i a n

N a t i o n a l

U n i v e r s i t y .

2

A b b r e v i a t i o n s :

B S C ,

v a s c u l a r b u n d l e s h e a t h

c e l l s ; MC, m e s o p h y l l

c e l l s ;

C 3 - C 4 ,

s p e c i e s

i n t e r m e d i a t e t o

C 3

a n d

C 4

t y p e s ;

r , C0 2

c o m p e n -

s a t i o n

c o n c e n t r a t i o n .

E v o l u t i o n

o f

C 4

s p e c i e s u n d o u b t e d l y i n vo l ve d s t e p s i n

w h i c h

a n a t o m i c a l

c h a r a c t e r i s t i c s

w e r e

b e t w e e n

t h o s e

o f C 3 a n d

C 4

s p e c i e s . S p e c i e s

i n t e r m e d i a t e

t o C 3

a n d

C 4

t y p e s

h a v e

b e e n

d e s c r i b e d

i n

s e v e n

g e n e r a 8 ) .

A l t h o u g h C 3 - C 4

s p e c i e s

h a v e

b e e n c h a r a c t e r i z e d m a i n l y b y C O 2

e x c h a n g e

a n d b i o c h e m i c a l

a n a l y s e s , t h e y a l s o

h a v e

a n a t o m i c a l

c h a r a c t e r i s t i c s

b e t w e e n

t h o s e

o f

C 3

a n d

C 4 ( 5 ,

7 , 1 4 , 1 5 , 1 7 , 2 0 ,

2 1 ) .

I t i s n o t

c l e a r

how

much

d e v e l o p m e n t

o f

K r a n z a n a t o m y

i s

r e q u i r e d

t o

r e d u c e

r a n d

0 2

i n h i b i t i o n

a s

o b s e r v e d

i n

C 3 - C 4

s p e c i e s ,

b u t

i t

i s

c e r t a i n t h a t

w e l l

d e v e l o p e d

K r a n z

a n a t o m y

i s

n e c e s s a r y

f o r

C 4

s p e c i e s .

A l t h o u g h

a n a t o m i c a l

o b s e r v a t i o n s

h a v e b e e n made o n

m o s t

s p e c i e s

r e p o r t e d

t o b e

C 3 - C 4

5 , 7 ,

1 3 - 1 7 , 2 1 ) ,

q u a n t i t a t i v e

a s s e s s m e n t o f

K r a n z

a n a t o m y

h a s

n o t

b e e n

r e p o r t e d e x c e p t

i n P a n i c u m

7 ) .

T h i s

r e p o r t

d e s c r i b e s

a q u a n t i t a t i v e s t u d y

o f

t h e

l e a f

a n a t o m y

o f

s e v e r a l

C 3 - C 4 s p e c i e s

i n

d i f f e r e n t

t a x a

t o

r e l a t e a n a t o m i c a l

c h a r a c t e r i s t i c s t o

t h e p h y s i o l o g i c a l

a n d b i o -

c h e m i c a l

t r a i t s

r e p o r t e d

f o r t h e s e

s p e c i e s .

T h e m a i n

e m p h a s i s

i s o n


o f

t h e v a s c u l a r

b u n d l e s h e a t h .

MATERIALS

A ND

METHODS

P l a n t

S e l e c t i o n

a n d

C u l t u r e

S i x t e e n

s p e c i e s

l i s t e d

i n

T a b l e

I r e p r e s e n t i n g

f o u r

g e n e r a ,

w e r e s e l e c t e d . P a n i c u m

m i l i o i d e s

w a s

i n c l u d e d f o r c o m p a r i -

s o n

w i t h

C 3 - C 4

s p e c i e s

i n

t h e

o t h e r

g e n e r a ,

s i n c e i t a n d

o t h e r

C 3 - C 4

a n d

C 3 s p e c i e s

i n

P a n i c u m w e r e e x a m i n e d

q u a n t i t a t i v e l y

f o r

u l t r a s t r u c t u r e e a r l i e r

7 ) .

T h e

p l a n t s w e r e

g r o w n

f r o m s e e d l i n g s , e x c e p t f o r N e u r a c h n e

m u n r o i

a n d

N .

t e n u i f o l i a ,

w h i c h w e r e

p r o p a g a t e d

f r o m

v e g e -

t a t i v e

t i l l e r s .

A l l

p l a n t s

w e r e

g r o w n

i n

a

p o t t i n g

m i x t u r e

c o n t a i n i n g

p e a t ,

s o i l ,

a n d

p e r l i t e

i n

p o t s

r a n g i n g

i n

s i z e

f r o m

1

t o 3

L .

E a c h

s p e c i e s

w a s r e p l i c a t e d

t w i c e .

T h e y w e r e f e r t i l -

i z e d w i t h n u t r i e n t s o l u t i o n

t w i c e w e e k l y .

T h e

p l a n t s

w e r e

g r o w n

u n d e r

f l u o r e s c e n t

l i g h t i n g

i n

a

g r o w t h

c a b i n e t s e t

f o r

a

1 4 - h

l i g h t / 1 0 - h

d a r k

p e r i o d .

T h e

t e m p e r a t u r e

w a s

3 3

1 C

d u r i n g

t h e

l i g h t p e r i o d

a n d 2 4

1 C

i n t h e d a r k . PPFD w a s

m a i n t a i n e d a t 5 0 0

, u m o l

q u a n t a

m - 2

s - '

n e a r t h e

t o p

o f

t h e

p l a n t s

d u r i n g

t h e

p h o t o p e r i o d .

RH

w a s

a p p r o x i m a t e l y

50

d u r i n g

t h e

d a y

a n d 8 0 t o

9 5 a t n i g h t .

Anatomy

L e a v e s w e r e h a r v e s t e d 0 . 5 t o

1

h a f t e r

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 s e c t i o n w a s t a k en f r o m t h e m i d l a m i n a

r e g i o n

o f

y o u n g e s t f u l l y

e x p a n d e d

l e a v e s a n d c u t i n t o s m a l l

p i e c e s

i n

f i x a t i v e .

S p e c i m e n s

w e r e

t a k e n f r o m

e a c h

o f

t h e

t h r e e

p l a n t s

1 5 4 3

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2/8

B R O WN

AND

H A T T E R S L E Y

o f

e a c h s p e c i e s ,

e x c e p t

N .

m u n r o i , N .


a n d

F .

l i n e a r i s , i n

w h i c h c a s e t w o

s p e c i m e n s w e r e t ak en f r o m

o n e

p l a n t a n d o n e

f r o m a n o t h e r

p l a n t .

T h e

p i e c e s f r o m t h e

t h r e e

r e p l i c a t e

l e a v e s

w e r e

f i x e d

s e p a r a t e l y

i n

g l u t a r a l d e h y d e ( 3 0

mL

L - ' )

i n 5 0 mm

p h o s p h a t e b u f f e r ( p H

6 . 8 )

a t

4 0 C f o r

2

h

a n d

p o s t f i x e d

i n

O S 0 4 ( 1 0 g L - ' ) a t

r o o m

t e m p e r a t u r e f o r

2

h .

I n

t h e

c a s e

o f

N .

m i n o r a n d

N .

m u n r o i ,

t h e

O S 0 4

f i x a t i o n

w a s

r e d u c e d t o 3 0

m i n

t o

p r e v e n t

BSC

f r o m s t a i n i n g

t o o

h e a v i l y .

T h e l e a f p i e c e s

w e r e

e m b e d d e d i n

LR

w h i t e e m b e d d i n g

m e d i u m u n d e r

v a c u u m .

T r a n s v e r s e s e c t i o n s

a b o u t

2 - , u m

t h i c k

w e r e c u t a n d

s t a i n e d w i t h

t o l u i d i n e b l u e f o r

l i g h t

m i c r o s c o p y .

S i l v e r

o r g o l d

c o l o r e d

t r a n s v e r s e s e c t i o n s w e r e

c u t f o r e l e c t r o n

m i c r o s c o p y . A f t e r

s t a i n i n g

w i t h

u r a n y l

a c e t a t e

a n d

p o s t s t a i n -

i n g

w i t h l e a d c i t r a t e ,

s e c t i o n s w e r e

v i e w e d a n d

p h o t o g r a p h e d

w i t h a

H i t a c h i 5 0 0 o r H i t a c h i

6 0 0 t r a n s m i s s i o n

e l e c t r o n

m i c r o s c o p e

a t

7 5 k V .

W h o l e c e l l p r o f i l e s

w e r e

p h o t o g r a p h e d

i n

t h e e l e c t r o n

m i -

c r o s c o p e

a t

m a g n i f i c a t i o n s o f

x

1 5 0 0

o r

g r e a t e r .

I n

s o m e

c a s e s ,

c e l l s

w e r e t o o

l a r g e t o

p h o t o g r a p h a t

x

1 5 0 0 , a n d

p o r t i o n s

o f

t h e

c e l l

w e r e

p h o t o g r a p h e d a n d

a

c o l l a g e

p r e p a r e d

o f t h e

w h o l e

c e l l

p r o f i l e .

I n t h o s e s p e c i e s f o r

w h i c h

a

d i s t i n c t i v e

p a l i s a d e p a r e n c h y m a

w a s

o b s e r v e d , s e p a r a t e

p h o t o g r a p h s

w e r e t a k e n

o f p a l i s a d e

a n d

s p o n g y MC. I n N .

m i n o r

a n d

N .

m u n r o i ,

c e l l s o f

b o t h i n n e r

a n d o u t e r b u n d l e

s h e a t h s

w e r e

p h o t o g r a p h e d .

A t l e a s t t h r e e , a n d

i n

s o m e

c a s e s a s

many a s

1 0 , c e l l

p r o f i l e s o f e a c h

t y p e

w e r e

p h o t o g r a p h e d f o r

e a c h o f

t h e t h r e e

l e a v e s

s a m p l e d .

P h o t o g r a p h s ,

2 0

x

2 5

c m

( m i n i m u m

m a g n i f i c a t i o n

x 3 6 0 0 ) ,

w e r e

p r e p a r e d

a n d

o r g a n e l l e s

w e r e c o u n t e d w i t h t h e

a i d o f a

x 4 . 5

m a g n i f y i n g

l e n s

i n

t h e

c a s e

o f

m i t o c h o n d r i a a n d

p e r o x i s o m e s .

I n

s o m e

p h o t o g r a p h s , m i t o c h o n d r i a

a n d

p e r -

o x i s o m e s

c o u l d

n o t

b e d i f f e r e n t i a t e d a n d

s o a l l c o u n t s f o r

t h e s e

o r g a n e l l e s a r e c o m b i n e d . C e l l

p r o f i l e a r e a s w e r e m e a s -

u r e d o n

t h e

p h o t o g r a p h s

w i t h

a n

e l e c t r o n i c

p l a n i m e t e r

d i g i t i z e r .

T h i c k


p h o t o g r a p h e d a t

m a g n i f i c a t i o n s r a n g -

i n g

f r o m x l O O

t o

x 4 0 0

a n d

p r o f i l e s o f BSC a n d

MC

w e r e

c o u n t e d .

I n

a l l

F l a v e r i a

s p e c i e s

e x c e p t

F .

b r o w n i i ,

p a l i s a d e

a n d

s p o n g y

MC w e r e

c o u n t e d

s e p a r a t e l y .

T h e

p e r c e n t a g e

o f

c e l l

p r o f i l e n u m b e r s

i n

t h e

b u n d l e

s h e a t h s w e r e

c a l c u l a t e d

f r o m

l i g h t

m i c r o g r a p h s . T h e

p e r c e n t a g e o f t o t a l c e l l

p r o f i l e

a r e a

i n

t h e b u n d l e s h e a t h s

w a s c a l c u l a t e d

f r o m c e l l

p r o f i l e

n u m b e r s

i n

l i g h t

m i c r o g r a p h s

a n d c e l l

p r o f i l e

a r e a s f r o m

e l e c t r o n

m i c r o g r a p h s .

T h e

p r o p o r t i o n

o f

o r g a n e l l e s

i n

BSC

w a s c a l c u l a t e d f r o m

t h e

n u m b e r p e r

c e l l

p r o f i l e

a n d

t h e

r a t i o

o f

BSC

t o

MC

p r o f i l e s d e t e r m i n e d f r o m

l i g h t

m i c r o g r a p h s .

C O 2

C o m p e n s a t i o n

C o n c e n t r a t i o n

To

c o n f i r m t h e

p h o t o s y n t h e t i c

t y p e

o f

e a c h

s p e c i e s ,

r w a s

m e a s u r e d

i n

5 0 - m L

g l a s s s y r i n g e s

u s i n g

a m e t h o d

d e s c r i b e d

e a r l i e r

6 ) .

L e a f


i n c u b a t e d

i n

t h e

s y r i n g e s

i n

t h e

s a m e

g r o w t h

c h a m b e r

i n

w h i c h

p l a n t s

w e r e

g r o w n .

T h e

d i s t a n c e o f

t h e

s y r i n g e

f r o m t h e

l a m p s

w a s

a d j u s t e d

s o t h a t

i r r a d i a n c e

i n

t h e

s y r i n g e

w a s

5 0 0

, u m o l

q u a n t a

m - 2

s - ,

a n d

t h e


i n

t h e

s y r i n g e

w a s s e t a t

3 0 C

b y

a d j u s t i n g

t h e


o f

t h e

g r o w t h

c h a m b e r .

F o u r

r e p l i c a t e s o f

e a c h

s p e c i e s

w e r e

m e a s u r e d .

D a t a

A n a l y s i s

A n a l y s i s

o f

v a r i a n c e w a s

p e r f o r m e d

o n d a t a

f r o m a l l

m e a s -

u r e m e n t s

u s i n g

a

c o m p l e t e l y

r a n d o m i z e d

d e s i g n .

S p e c i e s

m e a n s

w e r e

c o m p a r e d

u s i n g

F i s h e r ' s

p r o t e c t e d

l e a s t

s i g n i f i -

c a n t d i f f e r e n c e

( 2 2 ) .

RESULTS

G e n e r a l

A n a t o m i c a l

O b s e r v a t i o n s

C h a r a c t e r i s t i c s f o r m o s t

o f t h e

s p e c i e s

s t u d i e d

h e r e

h a v e

b e e n

g i v e n

i n

a

g e n e r a l w a y

e a r l i e r

7 , 1 3 - 1 7 ,

2 1 ) ,

a n d

o n l y

a

f e w

q u a l i t a t i v e

o b s e r v a t i o n s

w i t h

p o s s i b l e

p h y s i o l o g i c a l i m -

p l i c a t i o n s

w i l l

b e

m a d e .

I n

t h e t w o

d i c o t y l e d o n o u s

g e n e r a ,

t h e r e w a s l i t t l e

o b v i o u s


o f

K r a n z a n a t o m y

i n

t h e

C 3 - C 4

s p e c i e s c o m p a r e d

t o

C 3

w h e n

o b s e r v e d i n t h e

l i g h t

m i c r o s c o p e ( F i g .

1 , A , D , E ,

a n d

F ) . A l t h o u g h

BSC

o f

C 3

s p e c i e s

a p p e a r e d e s s e n t i a l l y

d e v o i d o f

o r g a n e l l e s

( F i g ,

1 ,

D

a n d

E ) ,

s o m e


o c c u r r e d

i n t h e

C 3 - C 4

s p e c i e s

r e p r e s e n t e d

b y F .

a n o m a l a

( F i g . I A )

a n d

M .

s p i n o s a

( F i g .

I F ) .

I n

C 3

a n d

C 3 - C 4 s p e c i e s

o f F l a v e r i a

a

d i s t i n c t

p a l i s a d e

l a y e r

w a s

o b v i o u s ,

b u t

i t

w a s

much l e s s d i s t i n c t

i n

M o r i c a n d i a .

K r a n z

a n a t o m y

w a s w e l l

d e v e l o p e d

i n

F .

b r o w n i i

( F i g .

l C )

a n d

F . t r i n e r v i a

( F i g . 1 B ) a s h a s

b e e n

d o c u m e n t e d

e a r l i e r

1 ,

1 6 ,

2 1 ,

2 9 ) . F . t r i n e r v i a

p o s s e s s e d a p a l i s a d e

l a y e r ,

a l t h o u g h

n o t a s

d e e p

n o r

a s d i s t i n c t a s i n

t h e C 3 a n d

C 3 - C 4 F l a v e r i a

s p e c i e s . T h e

p a l i s a d e i n

F .

b r o w n i i

w a s a l m o s t a b s e n t

( F i g .

l C ) .

P a n i c u m

m i l i o i d e s h a d

w e l l

d e v e l o p e d BSC

( F i g . l G ) a s

d i d N .

m i n o r

( F i g . l J ) ; h o w e v e r ,

BSC

w e r e

much

l a r g e r t h a n

MC

i n

t h e

f o r m e r

b u t s m a l l e r

t h a n MC

i n

t h e

l a t t e r .

N .

t e n u i f o l i a

p o s s e s s e d

BSC t h a t a p p e a r e d

a l m o s t

e m p t y

a t

t h e

m a g n i f i c a t i o n i n

F i g u r e I I . T h e

c h l o r o p h y l l o u s BSC

i n

N .

m i n o r

( F i g .

l J ) w e r e

s u r r o u n d e d

b y

a n

o u t e r

s h e a t h

w h i c h

a p p e a r e d t o h a v e f e w

o r g a n e l l e s , a n d i n

N .

m u n r o i

( F i g . 1 K )

t h e

s h e a t h s

w e r e

s i m i l a r t o N . m i n o r ,

e x c e p t t h e

o u te r s h e at h

i s

l e s s

d i s t i n c t

a n d

i n c o m p l e t e f o r

many

v e i n s .

T h e

d e g r e e

o f

o r g a n e l l e


i n

BSC

w a s g r e a t l y

d i f f e r e n t i n

C 3 ,

C 3 - C 4 ,

a n d

C 4

s p e c i e s

w h e n v i e w e d a t

e l e c t r o n

m i c r o s c o p e

m a g n i f i c a t i o n s ( F i g . 2 ) , a s i n d i c a t e d

b y

t h e

q u a n -

t i t a t i v e

a n a l y s i s l a t e r . A n o t h e r

f e a t u r e w h i c h

d i f f e r e d

among

s p e c i e s

i s t h e

a r r a n g e m e n t

o f

c h l o r o p l a s t s a n d

m i t o c h o n d r i a

i n B S C .

F o r t h e

C 3 s p e c i e s

i n

M o r i c a n d i a

a n d

F l a v e r i a ,

f e w

o r g a n e l l e s

l i n e d t h e

c e n t r i p e t a l w a l l

( F i g . 2 , A

a n d

E ) .

F o r t h e

C 3 - C 4 a n d

C 4 s p e c i e s

( e x c e p t N .

m i n o r a n d

N .

m u n r o i ) ,

o r g a n -

e l l e s w e r e

c o n c e n t r a t e d

a l o n g

t h e

c e n t r i p e t a l

w a l l ,

w i t h

m i t o -

c h o n d r i a

l y i n g a d j a c e n t

t o

t h e

w a l l a n d

c h l o r o p l a s t s

t e n d i n g

t o

o v e r l a y t h e m i t o c h o n d r i a

( F i g .

2 ) .

T h i s

t e n d e n c y

w a s

v e r y

s t r o n g i n M o r i c a n d i a

( s e e

M .

s p i n o s a , F i g .

2 F ,

a n d

M.

a r v e n s i s

[ 1 7 ] ) ,

b u t

l e s s

i n

P .

m i l i a c e u m

( F i g . 2 G )

i n w h i c h

m i t o c h o n -

d r i a w e r e

a l s o i n t e r s p e r s e d

among

c h l o r o p l a s t s .

I n N .

m i n o r

( F i g . 3 ) a n d

N .

m u n r o i , BSC w e r e m o r e

n e a r l y

f i l l e d

w i t h

o r g a n e l l e s

a n d

m i t o c h o n d r i a w e r e d i s t r i b u t e d

among

c h l o r o -

p l a s t s

( s e e a l s o

r e f .

1 4 ) .

Q u a n t i t a t i v e

A s p e c t s

W i t h i n

a

g i v e n g e n u s , t h e

p e r c e n t a g e

o f


c e l l

p r o f i l e n u m b e r s

o c c u r r i n g

i n t h e

b u n d l e s h e a t h

w a s

l o w e r

i n

C 3

t h a n

i n

C 4 s p e c i e s ,

a n d

t h e

C 3 - C 4

s p e c i e s

t e n d e d

t o b e

i n

1 5 4 4

P l a n t

P h y s i o l .

V o l .

9 1 ,

1 9 8 9


http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/


3/8

A N A T O M Y OF

C 3 - C 4

S P E C I E S

T a b l e

I P e r c e n t a g e

o f

P h o t o s y n t h e t i c

C e l l P r o f i l e s i n

t h e B u n d l e

S h e a t h s

a n d

P e r c e n t a g e

o f

L e a f

C h l o r o p l a s t s

a n d M i t o c h o n d r i a p l u s

P e r o x i s o m e s

i n BSC f o r

S p e c i e s o f

P a n i c u m ,

N e u r a c h n e ,

F l a v e r i a ,

a n d M o r i c a n d i a

C e l l P r o f i l e s

i n O r a e l s i B S

B u n d l e S h e a t h

O r g a n e l l e s

i n

BS C

S p e c i e s

T y p e

M i t o c h o n d n a

N o .

A r e a

C h l o r o p l a s t s

+

P e r o x i s o m e s

P . m i l i o i d e s N e e s e x T r i n .

C 3 - C 4

1 2 3 1

2 5

5 2

P . m i l i a c e u m

L .

C 4

2 3 2 8

2 9

7 4

N . m i n o r S . T . B l a k e a

C 3 - C 4

1 9

5 1 3

4 1

N . m u n r o i F . M u e l l a

C 4

2 3

2 1

3 4

3 7

N .

t e n u i f o l i a

S . T . B l a k e

C 3

1 1

1 3

9

1 9

F . a n o m a l a B . L . R o b i n s o n

C 3 - C 4

1 8

1 7

1 6 2 9

F . f l o r i d a n a

J . R . J o h n s t o n

C 3 - C 4

1 4

1 0

1 4

2 7

F . l i n e a r i s L a g .

C 3 - C 4

1 4 7 1 5

2 5

F .

o p p o s i t i f o l i a ( D C . )

R y d b

C 3 - C 4

1 8

1 1 1 8

3 5

F . b r o w n i i P o w e l l

C 4 - l i k e

2 8

1 7

5 3

6 4

F .

t r i n e r v i a

( S p r e n g . )

C .

M o h r

C 4

2 2

2 0

2 8

3 0

F . p r i n g l e i

G a n d o g e r C 3

1 0

9

6

8

M .

a r v e n s i s L . ) D C .

C 3 - C 4

1 5

1 7

2 0

4 6

M .

s p i n o s a

P o m e l

C 3 - C 4

2 0

1 4 2 0

4 7

M .

f o l e y i i B a t t .

C 3

1 4 8

8

2

M .

m o r i c a n d i o i d e s

( B o i s s . )

H e y -

C 3

1 3

6 1 1 1 8

wood

L S D

( 0 . 0 5 )

5 5

1 0

1 2

a

O u t e r b u n d l e

s h e a t h c e l l s i n c l u d e d

a s

m e s o p h y l l

c e l l s .

b e t w e e n

( T a b l e I ) .

T h e c e l l

p r o f i l e s

i n

b u n d l e

s h e a t h s o f

C 4

s p e c i e s

w e r e a b o u t

23 o f t h e

t o t a l ,

a n d

f o r t h e

C 4 - l i k e

s p e c i e s ,

F .

b r o w n i i ,

t h e

v a l u e

w a s

2 8 .

N e u r a c h n e

m i n o r a l s o

h a d a

s i m i l a r

v a l u e

( 1 9 ) .

A m o n g

t h e o t h e r

C 3 - C 4

s p e c i e s ,

o n l y

F .

a n o m a l a ,

F .

o p p o s i t i f o l i a ,

a n d

M .

s p i n o s a p a r t i t i o n e d

a

s i g -

n i f i c a n t l y h i g h e r

p e r c e n t a g e

o f c e l l

p r o f i l e s

i n t o

b u n d l e

s h e a t h

t h a n

t h e i r

C 3

r e l a t i v e s .

P a n i c u m

m i l i o i d e s

h a d

a

p e r c e n t a g e

1 2 )

s i m i l a r

t o

t h e

C 3

s p e c i e s

i n

t h e

o t h e r

g e n e r a

e x a m i n e d

a n d i d e n t i c a l

t o

a v a l u e c a l c u l a t e d

f o r t h i s

s p e c i e s

f r o m d a t a

o f

B r o w n

e t a l .

7 ) .

E n l a r g e m e n t

o f BSC

r e l a t i v e

t o

MC w o u l d

a l s o t e n d t o

i n c r e a s e

i n v e s t m e n t

o f


t i s s u e

i n

t h e

b u n d l e

s h e a t h

o f

C 4

a n d

C 3 - C 4

s p e c i e s .

T h e r e

w a s ,

h o w e v e r ,

n o c o n -

s i s t e n t

t r e n d

f o r BSC t o

b e

l a r g e r

t h a n

MC s o

t h a t

s i m i l a r o r

l o w e r


o f t o t a l

c e l l

p r o f i l e

a r e a o c c u r r e d

i n

b u n d l e

s h e a t h s

c o m p a r e d

t o

t h e c e l l n u m b e r

( T a b l e I ) .

T h e

n o t a b l e

e x c e p t i o n

w a s

P .

m i l i o i d e s

w h i c h h a d 3 1 o f i t s

c e l l

p r o f i l e

a r e a

i n

t h e

b u n d l e

s h e a t h ,

b u t

o n l y

1 2

o f

c e l l

n u m b e r s ,

b e c a u s e

BSC

p r o f i l e s

w e r e

much

l a r g e r

( 5 0 3

, u m 2 )

t h a n

MC

p r o f i l e s ( 1 4 6 , u m 2 )

( s e e F i g . 1 G ) .

I n

N .

m i n o r t h e

t r e n d

w a s

o p p o s i t e :

BSC

p r o f i l e

a r e a s

( i n n e r

s h e a t h ) a v e r a g e d

5 7

, u m 2

a n d

MC3 5 8

, t m 2 ( F i g .

1 J ) .

T h e

p e r c e n t a g e

o f c e l l

p r o f i l e

a r e a

i n

b u n d l e s h e a t h s

w a s

h i g h e r

i n

C 3 - C 4

t h a n

C 3

s p e c i e s

i n

M o r i c a n d i a ,

b u t

i n F l a v e r i a t h i s

w a s

t r u e

o n l y

f o r

F .

a n o m a l a .

N .

m i n o r h a d a

l o w e r

p e r c e n t a g e

o f c e l l

p r o f i l e

a r e a

i n

b u n d l e

s h e a t h s t h a n

N .


b u t t h i s

i s

b e c a u s e

o f

t h e i n c l u s i o n

o f o u t e r s h e a t h s

w i t h MC

i n

N .

m i n o r .

I n

a d d i t i o n

t o

t h e

g r e a t e r

p a r t i t i o n i n g

o f

c e l l s

t o b u n d l e

s h e a t h s ,

c o n c e n t r a t i o n s

o f

o r g a n e l l e s , e s p e c i a l l y


p l u s p e r o x i s o m e s ,

w e r e

g e n e r a l l y h i g h e r

i n BSC

o f

C 4

a n d

C 3 -

C 4

t h a n

i n C 3

s p e c i e s

( T a b l e I I ) .

T h e

m i t o c h o n d r i a l

p l u s

p e r o x i s o m a l

c o n c e n t r a t i o n

i n

BSC

o f

C 3 - C 4

M o r i c a n d i a

s p e -

c i e s w a s t w i c e , o r m o r e ,

t h a n

t h a t

i n

t h e

r e l a t e d

C 3

s p e c i e s .

T h e

l a r g e s t


o f

o r g a n e l l e s

w a s

i n

t h e

s m a l l ,

i n n e r

BSC o f

N .

m i n o r

w h e r e c h l o r o p l a s t s

a n d


p l u s


n u m b e r e d

7 7

a n d 2 8 0

O m - 2 x

1 0 - 3

c e l l

p r o f i l e

a r e a , r e s p e c t i v e l y .

T h e

BSC/MC


r a t i o s

w e r e

a l s o

h i g h

f o r

t h i s

s p e c i e s , b e i n g

3 . 1

a n d 2 0 . 0

f o r c h l o r o p l a s t s

a n d m i t o c h o n d r i a p l u s p e r o x i s o m e s ,

r e s p e c t i v e l y ( T a b l e

I I ) .

A n

e x c e p t i o n t o

t h e

h i g h


o f

o r g a n e l l e s

i n BSC

o f

C 4

p l a n t s

w a s

t h e

c h l o r o p l a s t

v a l u e

o f 1 8

, u m 2

x

1 0 - 3

r e c o r d e d

f o r P . m i l i a c e u m , a


s i m i l a r t o

t h a t o f

C 3

N e u r a c h n e

a n d

F l a v e r i a

s p e c i e s

a n d

a l s o

s i m i l a r t o t h a t

i n

MC

o f

P . m i l i a c e u m . O n t h e

o t h e r

h a n d ,


p l u s


w e r e

p r e s e n t

i n

BSC

o f P .

m i l i a c e u m

i n

t h e

s e c o n d

h i g h e s t


o f

a n y

s p e c i e s

e x a m i n e d a n d

8 . 4 t i m e s

t h e c o n c e n t r a t i o n

i n

MC.

T h e t r e n d f o r c o n c e n t r a -

t i o n

o f

o r g a n e l l e s

i n

BSC

o f

C 3 - C 4

s p e c i e s

w a s

l e a s t

e v i d e n t

f o r


i n

M o r i c a n d i a

a n d m i to c ho n d r i a

p l u s p e r -

o x i s o m e s

i n

F l a v e r i a , w h e r e

a c t u a l c o n c e n t r a t i o n s

a n d t h e

BSC/MC

c o n c e n t r a t i o n r a t i o

w e r e n o t s i g n i f i c a n t l y h i g h e r

i n

some

C 3 - C 4

t h a n

C 3

s p e c i e s .

T h e

t e n d e n c y

f o r

b o t h

g r e a t e r


o f c e l l p r o f i l e

i n

b u n d l e s h e a t h s

o f

C 3 - C 4

a n d

C 4

s p e c i e s

a n d f o r

g r e a t e r

c o n c e n -

t r a t i o n

o f

o r g a n e l l e s

i n BSC r e s u l t e d

i n a

h i g h e r p e r c e n t a g e

o f

l e a f o r g a n e l l e s p a r t i t i o n e d

t o

BSC

( T a b l e

I ) .

P a r t i t i o n i n g

o f


t o BSC

w a s

m a r g i n a l l y h i g h e r

f o r

C 3 - C 4

t h a n

C 3

s p e c i e s

i n M o r i c a n d i a

a n d F l a v e r i a

a n d

n o

g r e a t e r

i n

N e u -

1

5 4 5


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4/8

B R O W N A ND

HATTERSLEY

A

.,

E A

F i g u r e 1 . L i g h t

m i c r o g r a p h s

o f

l e a f t r a n s v e r s e

s e c t i o n s o f

A ,

F .

a n o m a l a ;

B ,

F .

t r i n e r v i a ;

C ,

F .

b r o w n i i ;

D ,

F .

p r i n g l e i ;

E ,

M . f o l e y i ;

F ,

M .

s p i n o s a ;

G ,

P .

m i l i r i d e s ;

H ,

P .

m i l i a c e u m ; 1

N .

t e n u i f o l i a ;

J ,

N .

m i n o r ;

K ,

N .

m u n r o i . B a r

=

1 0 0

A m .

r a c h n e . H o w e v e r , f o r

P .

m i l i o i d e s ,

t h e C 4 - l i k e s p e c i e s F .

b r o w n i i ,

a n d

t h e t h r e e

C 4

s p e c i e s ,

t h e

p e r c e n t a g e

o f c h l o r o -

p l a s t s i n

BSC

w a s

a t

l e a s t

t h r e e

t i m e s

t h a t i n

t h e

C 3

s p e c i e s .

T h e p a r t i t i o n i n g

o f m i t o c h o n d r i a

p l u s

p e r o x i s o m e s t o

BSC

o f

C 3 - C 4 a n d C 4 s p e c i e s

w a s

e v e n

g r e a t e r

t h a n f o r

c h l o r o p l a s t s .

I n e a c h g e n u s , t h e

C 3 - C 4

s p e c i e s

p a r t i t i o n e d s i g n i f i c a n t l y

m o r e

m i t o c h o n d r i a p l u s p e r o x i s o m e s

t o

BSC

t h a n

i n

t h e

C 3 s p e c i e s .

I n P .

m i l i a c e u m

a n d

t h e

C 4 - l i k e

F .

b r o w n i i , h i g h e r


o f l e a f


p l u s

p e r o x i s o m e s o c c u r r e d

i n

BSC t h a n

i n

t h e i r

C 3 - C 4

c o u n t e r p a r t s , b u t

f o r

F . t r i n e r v i a a n d

N .

m u n r o i

t h e p e r c e n t a g e s

w e r e s i m i l a r

t o

t h o s e o f

t h e

C 3 - C 4

s p e c i e s .

C O 2

C o m p e n s a t i o n

C o n c e n t r a t i o n

T h e

r v a l u e s v a r i e d f r o m

5 2 , u L

L - '

f o r

M.

m o r i c a n d i o i d e s

t o

z e r o

f o r

F . t r i n e r v i a

( T a b l e

I I ) .

T h e r e

w a s

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d i f f e r e n c e

i n

r

among

t h e

C 4

s p e c i e s

a n d

N .

m i n o r

h a d

a

v a l u e

o f

o n l y

4

M u L L - ' ,

w h i c h

w a s

s i g n i f i c a n t l y

h i g h e r

t h a n

o n l y

F . t r i n e r v i a .

T h e f o u r

g r o u p s

o f

C 3 - C 4

s p e c i e s

d i f f e r e d

w i t h N e u r a c h n e

Documents

Plant Physiol. 1989 Brown 1543 50