The Penalty of a Long, Hot Summer. Photosynthetic Acclimation to High CO2 and Continuous Light in “Living Fossil” Conifers

Deciduous forests covered the ice-free polar regions 280 to 40 million years ago under warm “greenhouse” climates and high atmospheric pCO2. Their deciduous habit is frequently interpreted as an adaptation for minimizing carbon losses during winter, but experiments with “living fossils” in a simulated warm polar environment refute this explanation. Measured carbon losses through leaf abscission of deciduous trees are significantly greater than losses through winter respiration in evergreens, yet annual rates of primary productivity are similar in all species. Here, we investigate mechanisms underlying this apparent paradox by measuring the seasonal patterns of leaf photosynthesis (A) under pCO2 enrichment in the same trees. During spring, A increased significantly in coastal redwood (Sequoia sempervirens), dawn redwood (Metasequoia glyptostroboides), and swamp cypress (Taxodium distichum) at an elevated pCO2 of 80 Pa compared with controls at 40 Pa. However, strong acclimation in Rubisco carboxylation capacity (Vc,max) completely offset the CO2 response of A in all species by the end of 6 weeks of continuous illumination in the simulated polar summer. Further measurements demonstrated the temporary nature of acclimation, with increases in Vc,max during autumn restoring the CO2 sensitivity of A. Contrary to expectations, the acclimation of Vc,max was not always accompanied by accumulation of leaf carbohydrates, but was associated with a decline in leaf nitrogen in summer, suggesting an alteration of the balance in plant sources and sinks for carbon and nitrogen. Preliminary calculations using A indicated that winter carbon losses through deciduous leaf abscission and respiration were recovered by 10 to 25 d of canopy carbon fixation during summer, thereby explaining the productivity paradox

Carbon loss by deciduous trees in a CO2-rich ancient polar environment

Fossils demonstrate that deciduous forests covered the polar regions for much of the past 250 million years 1 when the climate was warm and atmospheric CO2 high 2. But the evolutionary significance of their deciduous character has remained a matter of conjecture for almost a century 3. The leading hypothesis 1,4-7 argues that it was an adaptation to photoperiod, allowing the avoidance of carbon losses by respiration from a canopy of leaves unable to photosynthesize in the darkness of warm polar winters 8-11. Here we test this proposal with experiments using 'living fossil' tree species grown in a simulated polar climate with and without CO2 enrichment. We show that the quantity of carbon lost annually by shedding a deciduous canopy is significantly greater than that lost by evergreen trees through wintertime respiration and leaf litter production, irrespective of growth CO2 concentration. Scaling up our experimental observations indicates that the greater expense of being deciduous persists in mature forests, even up to latitudes of 83 [degrees]N, where the duration of the polar winter exceeds five months. We therefore reject the carbon-loss hypothesis as an explanation for the deciduous nature of polar forests

Interpreting the consequences of acute sleep deprivation:Stress physiology as mediator

In de huidige samenleving is een tekort aan slaap een veel voorkomend probleem dat gepaard gaat met negatieve effecten. De onderliggende mechanismen zijn onbekend, maar betrokkenheid van de stressystemen wordt gesuggereerd. Het doel van dit proefschrift is om te onderzoeken of kortdurende slaaponthouding bij ratten een effect heeft op de stresssystemen, en of dit vervolgens de reactiviteit van de stressystemen en de aandachtsconcentratie kan beïnvloeden. De resultaten laten zien dat kortdurende slaaponthouding een milde en tijdelijke activatie van de stresssystemen geeft. Deze stressysteem activatie hangt nauw samen met de hoeveelheid lichamelijke activiteit van de dieren. Dit komt overeen met de hypothese dat de mate van stresssysteem activatie voor een groot deel een reflectie is van de hoeveelheid energie die nodig is voor het gedrag wat het dier vertoond, en niet per se van de mate waarin de situatie stressvol is. Verschillende studies in dit proefschrift bevestigen deze hypothese en laten zien dat het belangrijk is, voor een correcte interpretatie van de resultaten, om stresssysteem activatie samen met gedragsmatige activiteit te bestuderen. Onze resultaten tonen verder aan dat er geen effect is van kortdurende slaaponthouding op de reactiviteit van de stresssystemen en op de aandachtsconcentratie wanneer het dier wordt blootgesteld aan verschillende situaties na afloop van de slaaponthouding. Dit kan worden verklaard door het snelle en complete herstel van de stresssysteem activatie na beëindiging van de slaapdeprivatie en de associatie met lichamelijke activiteit. De resultaten ondersteunen onze hypothese dat de stresssystemen in belangrijke mate betrokken zijn bij de consequenties van slaapdeprivatie

Interpreting the consequences of acute sleep deprivation:Stress physiology as mediator

In de huidige samenleving is een tekort aan slaap een veel voorkomend probleem dat gepaard gaat met negatieve effecten. De onderliggende mechanismen zijn onbekend, maar betrokkenheid van de stressystemen wordt gesuggereerd. Het doel van dit proefschrift is om te onderzoeken of kortdurende slaaponthouding bij ratten een effect heeft op de stresssystemen, en of dit vervolgens de reactiviteit van de stressystemen en de aandachtsconcentratie kan beïnvloeden. De resultaten laten zien dat kortdurende slaaponthouding een milde en tijdelijke activatie van de stresssystemen geeft. Deze stressysteem activatie hangt nauw samen met de hoeveelheid lichamelijke activiteit van de dieren. Dit komt overeen met de hypothese dat de mate van stresssysteem activatie voor een groot deel een reflectie is van de hoeveelheid energie die nodig is voor het gedrag wat het dier vertoond, en niet per se van de mate waarin de situatie stressvol is. Verschillende studies in dit proefschrift bevestigen deze hypothese en laten zien dat het belangrijk is, voor een correcte interpretatie van de resultaten, om stresssysteem activatie samen met gedragsmatige activiteit te bestuderen. Onze resultaten tonen verder aan dat er geen effect is van kortdurende slaaponthouding op de reactiviteit van de stresssystemen en op de aandachtsconcentratie wanneer het dier wordt blootgesteld aan verschillende situaties na afloop van de slaaponthouding. Dit kan worden verklaard door het snelle en complete herstel van de stresssysteem activatie na beëindiging van de slaapdeprivatie en de associatie met lichamelijke activiteit. De resultaten ondersteunen onze hypothese dat de stresssystemen in belangrijke mate betrokken zijn bij de consequenties van slaapdeprivatie

Evolution of leaf-form in land plants linked to atmospheric CO2 decline in the Late Palaeozoic era

The widespread appearance of megaphyll leaves, with their branched veins and planate form, did not occur until the close of the Devonian period at about 360 Myr ago. This happened about 40 Myr after simple leafless vascular plants first colonized the land in the Late Silurian/Early Devonian, but the reason for the slow emergence of this common feature of present-day plants is presently unresolved. Here we show, in a series of quantitative analyses using fossil leaf characters and biophysical principles, that the delay was causally linked with a 90% drop in atmospheric pCO2 during the Late Palaeozoic era. In contrast to simulations for a typical Early Devonian land plant, possessing few stomata on leafless stems, those for a planate leaf with the same stomatal characteristics indicate that it would have suffered lethal overheating, because of greater interception of solar energy and low transpiration. When planate leaves first appeared in the Late Devonian and subsequently diversified in the Carboniferous period, they possessed substantially higher stomatal densities. This observation is consistent with the effects of the pCO2 on stomatal development and suggests that the evolution of planate leaves could only have occurred after an increase in stomatal density, allowing higher transpiration rates that were sufficient to maintain cool and viable leaf temperatures

Afvalwater kas wordt nagenoeg schoon

In de Woudse Droogmakerij, een kleine polder in het Westland, werken tuinders en onderzoekers, Hoogheemraadschap Delfland en chemiebedrijf Bayer aan ultraschone kassen. Het doel is kassen waar nagenoeg geen gewasbeschermingsmiddelen meer uitkomen

A process-based model of conifer forest structure and function with special emphasis on leaf lifespan

We describe the University of Sheffield Conifer Model (USCM), a process-based approach for simulating conifer forest carbon, nitrogen, and water fluxes by up-scaling widely applicable relationships between leaf lifespan and function. The USCM is designed to predict and analyze the biogeochemistry and biophysics of conifer forests that dominated the ice-free high-latitude regions under the high pCO2 “greenhouse” world 290–50 Myr ago. It will be of use in future research investigating controls on the contrasting distribution of ancient evergreen and deciduous forests between hemispheres, and their differential feedbacks on polar climate through the exchange of energy and materials with the atmosphere. Emphasis is placed on leaf lifespan because this trait can be determined from the anatomical characteristics of fossil conifer woods and influences a range of ecosystem processes. Extensive testing of simulated net primary production and partitioning, leaf area index, evapotranspiration, nitrogen uptake, and land surface energy partitioning showed close agreement with observations from sites across a wide climatic gradient. This indicates the generic utility of our model, and adequate representation of the key processes involved in forest function using only information on leaf lifespan, climate, and soils