Effects of water deficit and global warming on biological parameters related to the reproduction of the tropical species Stylosanthes capitata simulating future climate scenarios

As mudanças climáticas são uma preocupação global porque impactam ecossistemas e habitats, tornando-se crucial avaliar seus efeitos sobre os parâmetros biológicos da reprodução de plantas economicamente importantes. Assim, nesta pesquisa avaliaram-se os efeitos do déficit hídrico e do aumento de temperatura (+2 °C) sobre parâmetros biológicos (inflorescências, vagens, grãos de pólen, taxas de cruzamento, coloração e anatomia das sementes [tegumento e cotilédones], embebição e as taxas de germinação das sementes) da espécie tropical Stylosanthes capitata bem como a dinâmica biogeográfica de adequação das espécies S. capitata e S. macrocephala. Para os estudos dos parâmetros biológicos utilizou-se um sistema de simulação de aquecimento global denominado T-FACE (Temperture free-air controlled enhancement), instalado na USP em Ribeirão Preto, integrado a um sistema de irrigação por gotejamento em que as plantas foram submetidas a quatro tratamentos: (C) controle, (wS) déficit hídrico, (eT) temperatura elevada e (wSeT) combinação de déficit hídrico e temperatura elevada. Para estudar a dinâmica biogeográfica realizou-se uma abordagem em modelagem de distribuição espacial, baseada em quatro cenários de forçamento radioativo: RCP 2.6 (baixas emissões), RCP 4.5 e RCP 6.0 (emissões intermediárias) e o RCP 8.5 (altas emissões) previstos até o final do século XXI. As análises foram conduzidas com auxílio dos softwares GenAlex, FSTAT, MLTR, Micro-Checker, Minitab, Structure, R, Past, Q-Analyzer, Fiji ImageJ, NIS-Elements, QGIS e GRASS-QGIS. Os efeitos dos tratamentos foram avaliados através de analises de variância em um esquema fatorial (p<0,05). Foi observado que o tratamento wS afetou negativa e significantemente o tamanho (38%) e massa (33%) de inflorescências e número de vagens (34%), enquanto que eT afetou positiva e significantemente a massa de 100 sementes (29%) quando comparados ao Controle (C). As análises histoquímicas mostraram uma interação significativa entre wS e eT aumentando o teor de amido no grão de pólen. Já os tratamentos aquecidos (eT e wSeT) induziram a compactação na região da abertura do grão de pólen. As taxas de reprodução analisadas utilizando sete marcadores moleculares nucleares (nuSSR), mostraram um aumento significativo de 46,15% (tm=0,95; p<0,05) nas taxas de cruzamento nas plantas derivadas do tratamento wS quando comparadas ao C (tm=0,65) e uma taxa significativamente menor de autofecundação (0,05±0,02), além de índices de fixação (Fis ~0,49) em todos os tratamentos. Com relação à coloração das sementes derivadas dos tratamentos, observou-se que houve um predomínio da coloração bege rajada, assim utilizaram-se as sementes de esta cor para as seguintes análises. Observou-se que a espessura da cutícula das sementes derivadas do tratamento aquecido foi afinada em 36% quando comparada ao controle (p<0,05), o que estimulou uma maior absorção de água durante a embebição em 6h, 9h e 12h e uma aceleração do crescimento de radículas (p=0,004) e sua germinação até 120h. Já o aumento da quantidade de cristais de oxalato de cálcio em forma de drusa nas sementes foi estimulado pelo tratamento de déficit hídrico (p<0,001). Com relação às análises de dinâmica biogeográfica, a modelagem de distribuição espacial das espécies S.capitata e S. macrocephala (uma espécie correlata) mostrou um deslocamento drástico e uma redução na maioria das áreas de alta adequabilidade para todos os cenários temporais. Por outro lado, uma expansão para novas áreas foi observada, porém com uma adequabilidade baixa e em cenários pessimistas (RCP 6.0 e 8.5). Os resultados desta pesquisa mostram que as mudanças fisiológicas observadas em cenários simulados de deficiência hídrica e elevação de temperatura (+2 °C) podem impactar significativamente o sucesso reprodutivo e a distribuição de S. capitata nos trópicos.Climate change is a global concern since it impacts ecosystems and habitats, making it crucial to assess its effects on the biological parameters of economically important plant reproduction. Thus, in this study, the effects of water deficit and temperature increase (+2 °C) on biological parameters (inflorescences, pods, pollen grains, crossing rates, color, and seed anatomy [tegument and cotyledons], imbibition, and seed germination rates) were evaluated for the tropical species Stylosanthes capitata as well as the biogeographic dynamics of the adequacy of S. capitata and S. macrocephala. For biological parameters, a global warming simulation system called T-FACE (Temperature free-air controlled enhancement) was installed at USP in Ribeirão Preto. This system was integrated into a drip irrigation system in which the plants were subjected to four treatments: (C) control, (wS) water deficit, (eT) high temperature, and (wSeT) combination of water deficit and high temperature. To study the biogeographical dynamics, a spatial distribution modeling approach was carried out based on four radioactive forcing scenarios: RCP 2.6 (low emissions), RCP 4.5 and RCP 6.0 (intermediate emissions), and RCP 8.5 (high emissions) predicted by the end of the 21st century. The analyses were conducted using GenAlex, FSTAT, MLTR, Micro-Checker, Minitab, Structure, R, Past, Q-Analyzer, Fiji ImageJ, NIS-Elements, QGIS, and GRASS-QGIS software. Treatment effects were evaluated using analyses of variance (ANOVA) factorial (p<0,05). The wS treatment negatively and significantly affected the size (38%) and mass (33%) of inflorescences and pod number (34%), while eT positively and significantly affected the mass of 100 seeds (29%) compared to Control (C). Histochemical analyses showed a significant interaction between wS and eT, increasing the starch content in the pollen grain. The heat treatments (eT and wSeT) induced compaction in pollen aperture. The mating system analyzed using seven nuclear molecular markers (nuSSR) showed a significant increase of 46.15% (tm=0.95; p<0.05) in the outcrossing rates in the plants derived from the wS treatment compared to C (tm=0.65) and a significantly lower selfing rate (0.05±0.02), in addition to inbreeding coefficient (Fis ~0.49) in all treatments. Regarding the integument color of the seeds derived from the treatments, the striped beige color predominated. Thus, beige seeds were used for subsequent analyses. The cuticle thickness of the seeds derived from the heated treatment was thinned by 36% compared to the control (p<0.05), which stimulated a greater absorption of water during soaking (6h, 9h, and 12h) and acceleration of root growth (p=0.004) and germination up 120h. The water deficit treatment increased the drusen-shaped calcium oxalate crystals in the seeds (p<0.001). In the biogeographical dynamic analyses, the spatial distribution modeling of S. capitata and S. macrocephala (related species) showed a drastic displacement and a reduction in most areas of high suitability for all temporal scenarios. On the other hand, an expansion to new areas was observed, although with low suitability and in pessimistic scenarios (RCP 6.0 and 8.5). The results of this study show that the physiological changes observed in simulated scenarios of water deficit and temperature increase (+2 °C) can significantly impact the reproductive success and distribution of S. capitata in the tropics

Elevated CO2 and warming affect pollen development in a tropical legume forage species

Global climate change is expected to have impacts on the physiological, phenological, and morphological traits of plants. However, the vulnerability of tropical plant reproductive processes in response to climate change events has been poorly studied. Here, we assess if warming and elevated CO2 compromise the pollen characteristics of Stylosanthes capitata Vogel, a tropical legume forage species. This work was conducted in a Trop-T-FACE (combined Free-Air Temperature Controlled Enhancement and Free-Air Carbon Dioxide Enrichment) facility, where we exposed the plants to four treatments: C (Control-ambient atmospheric carbon dioxide concentration [CO2] and ambient temperature); eCO2 (increase in [CO2] to 600 ppm and ambient temperature); eT (canopy temperature increase by 2°C and ambient [CO2]); and eCO2+eT, a combination of both treatments. We analyzed pollen morphology of samples taken from the different treatments through light microscopy (LM) and scanning electron microscopy (SEM). In addition, pollen viability was analyzed through colorimetry. Based on the histological LM analysis, the tapetum cells of pollen sacs showed early degeneration under eT (72%) added to hypertrophy under eCO2 (67%) and eCO2+eT (90%) treatments. SEM images showed compaction of pollen exine and less distinguishable pollen apertures in the treated plots (eCO2, eT, and eCO2+eT), possibly, by the early death of the tapetum cells. These morphological abnormalities may hinder the viability of pollen grains, as observed especially in the eCO2+eT treatment (%V=64%) that was the lowest in comparison with the Control (71%) and the other treatments (eCO2 = 69%, eT = 67%). These results indicate that during the reproductive cycle of S. capitata pollen sacs and pollen grains are vulnerable to warming, elevated CO2, and their combined effects.Fil: Alzate Marin, Ana Lilia. Universidade de Sao Paulo; BrasilFil: Pádua Teixeira, Simone. Universidade de Sao Paulo; BrasilFil: Correia da Rocha Filho, Léo. Universidade de Sao Paulo; BrasilFil: Bonifácio Anacleto, Fernando. Universidade de Sao Paulo; BrasilFil: Marlys Sá Rivas, Priscila. Universidade de Sao Paulo; BrasilFil: Abramo Barrera San Martin, Juca. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Botánica Darwinion. Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Instituto de Botánica Darwinion; ArgentinaFil: Martinez, Carlos Alberto. Universidade de Sao Paulo; Brasi