Photosynthetic performance, functional traits and metabolic changes of coffee plants grown under long-term nitrogen deficiency

Abstract

Nitrogen (N) is the most critical mineral nutrient required for optimal growth and productivity of coffee plants (Coffea arabica). Severe N deficiency is known to impair photosynthetic performance, biomass accumulation, and the biosynthesis of key metabolites, ultimately leading to reduced agricultural output. To advance our understanding of the physiological and metabolic responses of coffee to N limitation, we conducted a long-term experiment assessing photosynthetic, growth, and metabolic parameters under contrasting N supply conditions. Plants in the control group were cultivated with adequate N supply through the application of ammonium sulfate in combination with a standard Hoagland solution (HS). In contrast, N- deficient plants were initially grown with HS alone for 101 days, followed by complete N omission from the solution for an additional 438 days. N-deprived plants exhibited pronounced deficiency symptoms, as indicated by reduced SPAD values and foliar N concentrations. N limitation resulted in decreased maximum photochemical efficiency of photosystem II and reduced apparent electron transport rate, accompanied by increases in the photochemical quenching coefficient and the Stern-Volmer non- photochemical quenching coefficient. Net CO2 assimilation rate was significantly reduced under N deficiency, whereas stomatal conductance and transpiration rates were elevated, leading to a decline in instantaneous water-use efficiency. Additionally, intercellular CO2 concentration was lower in N-deficient plants. At the whole-plant level, elevated transpiration in -N plants resulted in lower canopy temperatures. N deficiency was associated with widespread reductions in chloroplastic CO2 concentration, maximum carboxylation rate of ribulose-1,5- bisphosphate carboxylase/oxygenase, gross photosynthesis, maximum electron transport rate, triose phosphate utilization rate, and stomatal limitation index, collectively contributing to enhanced biochemical limitations on photosynthesis. These photosynthetic constraints led to pronounced reductions in shoot biomass accumulation in -N plants, although root-to-shoot ratio and total root length increased likely as an adaptive strategy to enhance nutrient foraging. Furthermore, N-deficient plants exhibited substantial declines in the concentrations of chlorophylls, carotenoids, amino acids (including alanine, valine, proline, glycine, serine, threonine, alanine, asparagine, glutamate, aspartate, phenylalanine, lysine, and pyroglutamate), soluble sugars (glycerol, psicose, fructose, trehalose, maltotriose, and xylulose), organic acids (glycerate, 4-amino- butyrate, and shikimate), and phytohormones (abscisic acid, 1-aminocyclopropane-1- carboxylic acid, salicylic acid, methyl jasmonate, indole-3-acetic acid polyamines). In summary, prolonged N deprivation in coffee plants resulted in impaired photosynthetic capacity, substantial metabolic downregulation, decreased biomass accumulation, and increased water loss under well-watered conditions. The elevated transpiration rates observed in -N plants can avoid heat stress, but exacerbate their susceptibility to other abiotic stress, particularly under scenarios of water scarcity driven by climate change. These findings offer novel insights into the physiological and biochemical consequences of N limitation in coffee and highlight potential vulnerabilities under future agroecological conditions. Keywords: gas exchanges; metabolomics; N-deprivation; photochemical yield; plant growth and developmentO nitrogênio (N) é o nutriente mineral mais crítico para o crescimento e a produtividade de plantas de café (Coffea arabica). A deficiência severa de N compromete o desempenho fotossintético, a acumulação de biomassa e a biossíntese de metabólitos essenciais, resultando, em última instância, na redução da produtividade agrícola. Com o objetivo de aprofundar a compreensão sobre as respostas fisiológicas e metabólicas do cafeeiro à limitação de N, foi conduzido um experimento de longa duração avaliando parâmetros fotossintéticos, de crescimento e metabólicos sob diferentes condições de suprimento de N. As plantas do grupo controle foram cultivadas com suprimento adequado de N, por meio da aplicação de sulfato de amônio combinado à solução nutritiva padrão de Hoagland (HS). Por outro lado, plantas submetidas à deficiência de N foram inicialmente cultivadas apenas com HS durante 101 dias, seguidos da omissão total de N da solução por um período adicional de 438 dias. As plantas privadas de N apresentaram sintomas pronunciados de deficiência, evidenciados pela redução nos valores de SPAD e nos teores foliares de N. A limitação de N resultou na diminuição da eficiência fotossintética máxima do fotossistema II e na redução da taxa aparente de transporte de elétrons, acompanhadas por aumentos no coeficiente de extinção fotoquímica e no coeficiente de extinção não-fotoquímica do tipo Stern-Volmer. A taxa de assimilação líquida de CO2 foi significativamente reduzida nas plantas deficientes, enquanto a condutância estomática e a taxa de transpiração foram elevadas, culminando em uma menor eficiência instantânea no uso da água. Adicionalmente, a concentração intercelular de CO2 também foi reduzida sob deficiência de N. Em nível de planta inteira, observou-se uma elevada taxa de transpiração nas plantas - N, resultando em redução da temperatura do dossel. A deficiência de N esteve associada à diminuição generalizada da concentração de CO2 nos cloroplastos, da taxa máxima de carboxilação da ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase, da fotossíntese bruta, da taxa máxima de transporte de elétrons, da taxa de utilização de trioses-fosfato e do índice de limitação estomática, contribuindo coletivamente para o aumento das limitações bioquímicas à fotossíntese. Essas restrições fotossintéticas resultaram em acentuada redução na acumulação de biomassa na parte aérea nas plantas -N, embora se tenha observado um aumento na razão raiz/parte aérea e no comprimento total de raízes, como uma estratégia possivelmente adaptativa para otimizar a absorção de nutrientes. Além disso, a deficiência de N levou à diminuição substancial das concentrações de clorofilas e carotenoides, de aminoácidos (incluindo alanina, valina, prolina, glicina, serina, treonina, alanina, asparagina, glutamato, aspartato, fenilalanina, lisina e pirolglutamato), de açúcares solúveis (glicerol, psicose, frutose, trealose, maltotriose e xilulose), de ácidos orgânicos (glicerato, ácido 4-amino-butirato e chiquimato), e de fitormônios (ácido abscísico, 1- aminociclopropano-1-carboxílico, ácido salicílico, jasmonato metílico, ácido indolacético e poliaminas). Em síntese, a privação prolongada de nitrogênio em plantas de café resultou em comprometimento da capacidade fotossintética, redução substancial nos níveis metabólicos, baixa acumulação de biomassa e aumento da perda de água, mesmo sob condições de boa disponibilidade hídrica. A elevação nas taxas de transpiração observada nas plantas -N pode evitar estresse térmico, mas acentuar sua suscetibilidade a outros estresses abióticos, especialmente em cenários de escassez hídrica impulsionada pelas mudanças climáticas. Esses resultados fornecem novos insights sobre as respostas do cafeeiro à deficiência de N e destacam potenciais vulnerabilidades em sistemas agroecológicos futuros. Palavras-chave: crescimento e desenvolvimento vegetal; metabolômica; privação de N; rendimento fotoquímico; Trocas Gasosas