Stomatal functioning and abscisic acid (ABA) regulation in plants developed in different air humidity regimes

Abstract

Greenhouse as a production system is important in the production of vegetables, herbs and ornamental plants. However, plant production in continuous high relative air humidity (RH) may results in poor plant quality, due to uncontrolled water loss after harvest. This water loss is caused by less functioning stomata that are larger in size and unable to close properly in environments that normally induce closure, like darkness and dry air. Since stomatal movement is regulated by abscisic acid (ABA) it has been hypothesized that low levels of ABA is the cause of the less functioning stomata. In this study the ability of Rosa x hybrida, Arabidopsis thaliana and Vicia faba developed in continuous high (90%) and moderate RH (60%) to close the stomata was evaluated. Further, the ABA content and regulation was studied in Rosa x hybrida and A. thaliana. Since both ABA and darkness are signals for stomatal closure and induce the production of the secondary messenger hydrogen peroxide (H2O2) the ability of V. faba to initiate H2O2 production when treated with ABA or transferred to darkness was also assessed. This study shows that stomata developed in continuous high RH have reduced response to closing stimuli compared to plants grown under moderate RH. The results also show that Rosa x hybrida and A. thaliana have slightly different ABA regulation. In Rosa x hybrida ABA-glucose ester (ABA-GE) is an important storage form of ABA, which can be released when needed. In A. thaliana the level of ABA is mostly regulated at the level of biosynthesis and inactivation to phaseic acid (PA). Compared to high RH, Rosa x hybrid developed in moderate RH (60%) and 20 h photoperiod contained higher levels of ABA and had higher β-glucosidase activity. Also, the amount of ABA increased during darkness simultaneously as the ABA-GE levels decreased. In contrast, plants developed under high RH and a 20 h photoperiod showed no increase in ABA levels during darkness, and had low β-glucosidase activity. Continuous lighting (24 h) resulted in low levels of β-glucosidase activity irrespective of RH, indicating that a dark period is essential to activate β-glucosidase in roses. It has been hypothesized that plants developed in high RH are unable to produce large amounts of ABA. However, this study clearly shows that A. thaliana developed under high RH were able to produce large amounts of ABA during desiccation. However, they still had high water loss in the desiccation test. The difference in water loss between wild type and ABA-deficient mutants were similar in both RH treatments indicating that it is not the lower ABA levels per se that result in less functioning stomata in high RH. The results from V. faba developed in high RH show that the plants are able to increase the H2O2 production when the ABA levels are increased. However, they do not increase the H2O2 production during darkness. These results suggest that the reduced stomatal response in plants developed in continuous high RH is caused either by one or more factors downstream of H2O2 in the signaling pathway towards stomatal closure or might possibly be a result of changed guard cell anatomy. The results also show that plants developed in high RH, that are given a daily 2h temperature increase/RH decrease have improved stomatal function. However, the stomatal functioning is still not as good as in moderate RH.

Veksthus som produksjonssystem er viktig i produksjon av grønnsaker, urter og prydvekster. Imidlertid gir dyrking i kontinuerlig høy relativ luftfuktighet (RH) dårlig kvalitet på grunn av ukontrollert vanntap etter høsting. Det høye vanntapet er en konsekvens av store, ufunksjonelle spalteåpninger, som ikke lukker seg fullstendig under forhold som normal fører til lukking. Siden spalteåpningsbevegelse er regulert av plantehormonet abscisinsyre (ABA), er det fremsatt en hypotese om at høy RH resulterer i lave ABA nivåer i plantene og at de lave ABA-nivåene gir ufunksjonelle spalteåpninger. I denne studien ble lukkeevnen til spalteåpninger fra Rosa x hybrida, A. thaliana og V. faba utviklet i kontinuerlig høy (90%) og moderat RH (60%) undersøkt. Videre ble ABA nivå og regulering hos Rosa x hybrida and A. thaliana studert. Siden både ABA og mørke er signaler som fører til lukking av spalteåpningene gjennom økning av hydrogenperoksid (H2O2) produksjon ble evnen til å produsere H2O2 undersøkt i V. faba etter ABA-tilførsel eller etter flytting til mørke. Denne studien viser at planter utviklet i kontinuerlig høy RH har nedsatt evne til å lukke spalteåpningene. Resultatene viser også at Rosa x hybrida og A. thaliana har ulik ABAregulering. I Rosa x hybrida er ABA-glukoseester (ABA-GE) viktig i lagring av ABA, som siden kan frigis når det trengs. I A. thaliana er ABA-nivået avhengig av biosyntesen og inaktivering til phaseinsyre (PA). Rosa x hybrida utviklet i moderat RH og 20 timer lys inneholdt mer ABA og hadde høyere β-glucosidase-aktivitet. I tillegg ble ABA-nivået økt i mørke samtidig som ABA-GE-nivået ble redusert. I motsetning hadde planter utviklet i høy RH med 20 timer lys ingen økning av ABA-nivå i mørke og lavere β-glucosidase-aktivitet. Kontinuerlig lys ga lavere β-glucosidase-aktivitet uavhengig av RH, noe som viser at mørke (natt) er viktig for å aktivere β-glucosidase. En hypotese har vært at planter utviklet i høy RH ikke kan produsere tilstrekkelige mengder ABA for stomatalukking. Imidlertid viser denne studien tydelig at A. thaliana utviklet i høy RH kan produsere store mengder ABA under dehydrering. Til tross for dette har plantene fortsatt stort vanntap. Forskjellen i vanntap mellom villtype og mutanter som ikke inneholder ABA var lik i begge RH-behandlingene, noe som indikerer at lavt ABA-nivå ikke alene er grunnen til de ufunksjonelle spalteåpningene i høy RH. Resultatene fra V. faba utviklet i høy RH viser at plantene øker H2O2-nivået når ABA-nivået øker, men de øker ikke H2O2-produksjonen i mørke. Disse resultatene indikerer at de ufunksjonelle spalteåpningene i planter utviklet i kontinuerlig høy RH er en konsekvens av påvirkning på enten en eller flere faktorer nedstrøms for H2O2-produksjon i signalveien til lukking av spalteåpningene eller er et resultat av endret lukkecelleanatomi. Resultatene viser også at planter utviklet i høy RH, men som er gitt 2 timer daglig med høy temperatur/lav RH utvikler bedre evne til å lukke spalteåpningene. Men, de har fortsatt ikke like god lukkeevne som planter utviklet i moderat RH.