Como a elevada [CO 2 ] pode impactar o desempenho hidráulico e as relações hídricas de cafeeiros cultivados sob diferentes intensidades de luz?

Abstract

O café é uma espécie originalmente de sombra que foi melhorada para o cultivo a pleno sol, com produções de grãos normalmente maiores nessa condição que à sombra. Entretanto, é uma planta sensível às variações ambientais e mais recentemente tem sido classificada como potencialmente vulnerável às mudanças climáticas globais em curso. Atualmente, há um debate crescente sobre a utilização de sombreamento de cafeeiros como uma estratégia de grande potencial para minimizar os efeitos negativos das mudanças climáticas. Informações recentes também sugerem que a elevação da concentração atmosférica de CO 2 (eC a ) pode mitigar os efeitos de vários estresses abióticos, , como a seca e o calor. Hipotetizou-se aqui que a combinação de diferentes disponibilidades de luz e de CO 2 impactaria a performance fotossintética (e o ganho de biomassa) do cafeeiro via ajustes na sua arquitetura hidráulica, e que tais ajustes seriam mais contundentes em plantas sob alta irradiância, em função da maior demanda hídrica das plantas a pleno sol. Para testar essa hipótese, plantas de café foram cultivadas em vasos de 12 L dentro de câmaras de topo aberto num ambiente controlado de casa de vegetação. As plantas foram submetidas a duas concentrações de CO 2 : ambiente (ca. 457 ppm) ou elevada (ca. 704 ppm) e dois níveis de luz: alta luminosidade (ca. 9 mol de fótons m - dia -1 ) e baixa luminosidade, i.e. restrição de 89% da luz (ca. 1 mol de fótons m -2 dia -1 ). Indivíduos de ca. 12 meses foram utilizados para a avaliação de trocas gasosas, parâmetros hidráulicos e anatômicos, status hídrico, alguns metabólitos e morfologia do sistema radicular. A fertilização com CO 2 e a maior disponibilidade de luz aumentaram o ganho de biomassa e a taxa de assimilação líquida de CO 2 (A), e esses incrementos foram afetados pela interação entre os fatores CO 2 e luz, com efeitos (aumentos) mais marcantes nas plantas ao sol. Observou-se maior condutância estomática nas plantas ao sol que nos indivíduos à sombra. Em adição, verificou-se maior condutância estomática nas plantas ao sol sob eC a , o que foi associado a ajustes hidráulicos e morfológicos em nível de folha e de planta inteira, coordenados com o maior desenvolvimento do sistema radicular associado a uma maior capacidade de transporte de água para a parte aérea; em conjunto, tais ajustes devem ter contribuído para um melhorbalanço hídrico, explicando pelo menos em parte os incrementos observados em A e no acúmulo de biomassa, especialmente nas plantas ao sol sob eC a . Além disso, essas plantas exibiram menor temperatura, tanto em nível foliar quanto de planta inteira em relação às suas contrapartes sob concentração ambiente de CO 2 . As plantas ao sol sob eC a também exibiram valores mais negativos de potencial osmótico no ponto de perda de turgescência, o que permitiria ao xilema operar sob menor risco de colapso do sistema hidráulico. Como um todo, os resultados têm inegável importância para aumentar a sustentabilidade e a resiliência do setor cafeeiro num cenário de mudanças climáticas, especialmente com a maior frequência esperada de eventos de secas e ondas de calor. Nesse contexto, eC a poderia reduzir a importância do sombreamento como uma estratégia de manejo visando à redução dos impactos das mudanças climáticas sobre a produção do cafeeiro. Palavras-chave: Coffea arabica. Concentração de CO 2 . Hidráulica. Luz. Mudanças climáticas. Sombreamento. Temperatura. Trocas gasosas.

Coffee is originally a shade species that was bred for cultivation at full sun exposure, often producing higher crop yields at high light (HL) than at low light (LL) conditions. However, it is a plant species supposed to be highly vulnerable to the ongoing global climate changes. Currently, there is a growing debate about the use of shelter trees (e.g. agroforestry systems) as a strategy with great potential to minimize the negative effects of climate change on the coffee plant. Recent information also suggests that elevated atmospheric CO 2 concentration (eC a ) can mitigate the effects of various abiotic stresses on the coffee crop, such as drought and heat. It is hypothesized here that the combination of different availability of light and CO 2 would impact the photosynthetic performance (and the gain of biomass) of the coffee plant through adjustments in its hydraulic architecture, and that such adjustments would be more pronounced in HL plants due to its greater water demand. To test this hypothesis, potted coffee plants were grown inside open-top chambers in a controlled greenhouse environment. The plants were submitted to two CO 2 concentrations: ambient (ca. 457 ppm) or elevated (ca. 704 ppm) and two levels of light: HL (ca. 9 mol of photons m -2 day -1 ) and LL, i.e. restriction of ca. 89% of light (ca. 1 mol of photons m -2 day -1 ). Individuals from ca. 12 months were used to evaluate gas exchange, hydraulic and anatomical parameters, water status, some metabolites and root morphology. eC a and HL increased biomass and net CO 2 assimilation rate (A), and these increments were affected by the interaction between CO 2 and light factors, with more marked effects (increases) in HL plants. Higher stomatal conductance was observed in HL than in LL plants. In addition, there was greater stomatal conductance in HL plants under eC a , which was associated with hydraulic and morphological adjustments at the leaf and whole plant levels; these adjustments were, in turn, coordinated with a greater development of the root system associated with a greater capacity to uphill water transport; taken together, such adjustments should have contributed to a better plant water balance, explaining at least in part the observed increases in both A and biomass, especially in HL plants at eC a . In addition, these plants exhibited lower temperature, both at the leaf and canopy levels, as compared to theircounterparts at ambient CO 2 concentration. HL plants at eC a also exhibited more negative values of osmotic potential at the turgor loss point, which would allow the xylem to operate at a lower risk of hydraulic collapse. As a whole, the results are of undeniable importance to increase the sustainability and resilience of the coffee sector in a climate change scenario, especially with the expected higher frequency of droughts and heat waves events. In this context, eC a could reduce the importance of shading as a management strategy aimed at reducing the impacts of climate change on coffee production. Keywords: Climate changes. CO 2 concentration. Coffea arábica. Gas Exchange. Hydraulics. Light. Shading. Stomatal conductance. Temperature.