Photoperiod-related changes in plant resource allocation: a physiological view

Abstract

Fabaceae is one of the most consumed botanical families in both human and animal diets, due to its high nutritional value of nitrogen and protein. In fact, about 35 tons of leguminous grains are consumed annually revealing its enormous importance. Contrasting environmental conditions drastically affect the allocation of resources to cultivated plants of agronomic interest. Photoperiod is an environmental condition that plays an essential role in modulating resource allocation being also able to influence plant growth, survival and interactions in the environment. Accordingly, our understanding of the details that govern the flow of nutrients and differential patterns of plant development and growth remains fragmented. The present work was carried out to analyze the impacts on the physiology, metabolism, anatomy and resource allocation of plants of the Fabaceae family (Vigna unguiculata and Pisum sativum) caused by photoperiod variation [short days (8 light/16 dark) or long days (16h light/8h dark)]. Long days negatively affected the growth of both plants and this lower growth was associated with lower photosynthetic rates. By contrast, under short day conditions, high photosynthesis (A N ) was associated with higher stomatal density, as well as higher stomatal conductance (g s ). Significant variations in morphological characteristics in vegetative organs in different photoperiods were observed among the genotypes. Long days culminated in reductions of growth parameters (e.g., dry weight of roots, stems and leaves and the number of leaves) yet root length and leaf area were higher. The different photoperiod conditions also altered the concentration of macro and micronutrients as revealed by an increase of mineral nutrients observed in short days plants. In conclusion, the resource allocation pattern in the investigated plants is strongly modified in response to fluctuations in light supply. Further detailed molecular and metabolic studies are still needed to better understand the effects of photoperiod on differential resource allocation. Keywords: Circadian rhythm. Photoperiodism. Biomass partitioning

Devido ao seu alto valor nutricional de nitrogênio e proteína, Fabaceae é uma das famílias botânicas mais consumidas em dietas humanas e animais. Cerca de 35 toneladas de grãos leguminosos são consumidos anualmente. Com efeito, condições contrastantes afetam drasticamente a alocação de recursos de plantas cultivadas de interesse agronômico. O fotoperíodo é uma condição ambiental que desencadeia um papel essencial na regulação da alocação de recursos, e além disso, influencia o crescimento vegetal, sobrevivência e interação no ambiente. Desta forma, o entendimento preciso dos detalhes que modulam o fluxo de nutrientes e padrões diferenciais de desenvolvimento vegetal é crucial. O presente trabalho foi conduzido com o intuito de analisar os impactos causados pela variação do fotoperíodo sobre a fisiologia, metabolismo, anatomia e alocação de recursos de plantas da família Fabaceae (Vigna unguiculata e Pisum sativum). Os resultados obtidos demonstraram que o aumento do fotoperíodo afetou negativamente o crescimento dessas plantas e este menor crescimento esteve associado a menores taxas fotossintéticas. Não obstante, em dias curtos, a elevada fotossíntese (A N ) apresentou-se associada com uma maior densidade estomática, assim como maiores condutâncias estomática (g s ). Variações significativas em características morfológicas em órgãos vegetativos em distintos fotoperíodos foram observadas entre os genótipos. As espécies estudadas diferiram entre si em termos de parâmetros de crescimento, como peso seco de raízes, caules e folhas e número de folhas (unidades). Embora as plantas cultivadas em dias longos apresentaram reduções nestes parâmetros, o comprimento das raízes e área foliar foram maiores. As diferentes condições de fotoperíodo também alteraram a concentração de macro e micronutrientes e, assim, plantas em dias longos apresentaram um incremento de nutrientes minerais em relação às plantas em dias curtos. Em suma, o padrão de alocação de recursos nas espécies investigadas é fortemente modificado em resposta a flutuações no suprimento de luz. Estudos metabólicos e moleculares maisdetalhados são ainda necessários para uma melhor compreensão dos efeitos do fotoperíodo na alocação diferencial de recursos. Palavras-chave: Ritmo circadiano. Fotoperiodismo. Particionamento de biomassa