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Issue
Ann. For. Sci.
Volume 54, Number 5, 1997
Page(s) 409 - 429
DOI http://dx.doi.org/10.1051/forest:19970501
Ann. For. Sci. 54 (1997) 409-429
DOI: 10.1051/forest:19970501

Interactive effects of waterlogging and irradiance on the photosynthetic performance of seedlings from three oak species displaying different sensitivities (Quercus robur, Q petraea and Q rubra)

PA Wagnera and E Dreyerb

a  Équipe sol et nutrition, Unité écophysiologie forestière, Inra-Nancy, 54280 Champenoux, France
b  Équipe bioclimatologie-écophysiologie, Unité écophysiologie forestière, Inra-Nancy, 54280 Champenoux, France

Abstract - Potted seedlings from three oak species (Quercus robur, Q petraea and Q rubra), known to present different sensitivities to temporary soil hypoxia, were submitted to two contrasted irradiance regimes in a greenhouse (100% and approximately 35% of full greenhouse irradiance) and shortly after to waterlogging for 2-4 weeks. The experiment was repeated for 2 years. Leaf gas exchange, chlorophyll content and fluorescence, leaf water potential and photosynthetic capacity were recorded several times during the stress. Biomass increment was estimated at the end of the stress, or after 3 weeks of drainage. Despite its late application, after completion of elongation and expansion of leaves, shading significantly reduced growth and modified photosynthetic activity. It generally reduced net assimilation rates and increased chlorophyll contents. Q rubra seedlings behaved differently: growth decreased and chlorophyll was enhanced as in the two other species but net assimilation rates and photosynthetic capacity were higher in the shade than under full irradiance. This surprising effect probably resulted from high irradiance stress, and was not alleviated by improved fertilization during the second year. Waterlogging induced severe disorders in photosynthesis: net CO 2 assimilation, stomatal conductance, photosynthetic capacity, chlorophyll content and growth declined. In addition, predawn values of photochemical efficiency of photosystem II, which are usually close to the optimum value of 0.83, were significantly decreased. The largest dysfunctions occurred in Q rubra seedlings, and the smallest in Q robur, which confirms that the number of disorders in photosynthesis is an accurate estimate of the differential sensitivity to waterlogging among genotypes. Shading of the seedlings interacted with waterlogging and limited the extent of induced damage. In particular, stomatal closure and net CO2 assimilation rates were proportionally less affected under shade. Similarly, predawn leaf water potential presented smaller decreases. The decline of predawn values of photochemical efficiency occured to a much lesser extent under shade. Finally, the behaviour of seedlings during post-waterlogging stress differentiated significantly the species. None of them recovered completely after 3 weeks. Nevertheless, Q robur behaved best, recovering high levels of predawn water potential, slowly reopening stomata and reincreasing net assimilation rates. Q petraea recovered with more difficulties: predawn leaf water potential decreased in several plants after the end of waterlogging, and photosynthesis recovered very slowly. Q rubra did not recover at all and several individuals died after the end of waterlogging stress.


Résumé - Modulation par le niveau d'éclairement de la sensibilité à l'ennoyage de trois espèces de chêne (Quercus robur, Q petraea et Q rubra). Effets sur la photosynthèse. Des semis en pots de trois espèces de chêne (Quercus robur, Q petraea et Q rubra), connues pour présenter d'importantes différences de sensibilité à la présence de nappes d'eau temporaires dans le sol, ont été soumis à deux niveaux d'éclairement (100 et 35 % du rayonnement ambiant) dans une serre à Nancy, puis à une période d'ennoyage de plusieurs semaines. Cette expérience a été répétée 2 années de suite. Les échanges gazeux foliaires, les teneurs en chlorophylle, la fluorescence de la chlorophylle, le potentiel hydrique et la capacité de photosynthèse ont été mesurés plusieurs fois au cours de la contrainte. La biomasse accumulée a été estimée à la fin de l'ennoyage, ou après 3 semaines de ressuyage du sol. Malgré son application tardive après l'expansion des feuilles et l'arrêt de croissance en hauteur, l'ombrage a induit des baisses de croissance et d'activité photosynthétique (diminution de l'assimilation nette de CO2 et augmentation des teneurs en chlorophylles). Q rubra a présenté une réponse très différente : alors que la croissance et les teneurs en chlorophylle présentaient les mêmes modifications que dans les autres espèces, l'assimilation nette de CO2 était plus importante à l'ombre qu'en pleine lumière, et la capacité photosynthétique fortement augmentée. Cette réponse anormale révèle que ces semis de Q rubra étaient soumis à un stress lumineux. La fertilisation apportée en deuxième année a permis d'augmenter la photosynthèse, sans toutefois l'amener au niveau des deux autres espèces et sans éliminer la saturation à de faibles éclairements. L'ennoyage a provoqué d'importantes perturbations dans la photosynthèse : l'assimilation nette de CO2 et la conductance stomatique ont été fortement réduites, la capacité photosynthétique et les teneurs en chlorophylles ont baissé ; des limitations de croissance ont également été constatées. De plus, l'efficience photochimique mesurée en fin de nuit, qui est habituellement proche du niveau optimal d'environ 0,83, a baissé significativement. Les perturbations les plus marquées ont été observées sur les semis de Q rubra, et les plus limitées sur ceux de Q robur, ce qui confirme la bonne corrélation existant entre perturbations à court terme de la photosynthèse, et sensibilité globale à l'ennoyage. L'ombrage a permis de limiter et de retarder, dans une certaine mesure, l'apparition de ces perturbations. Enfin, le comportement des semis pendant la phase de ressuyage a permis de différencier fortement les espèces. Aucune n'a retrouvé un fonctionnement optimal après 3 semaines de ressuyage. Q robur a manifesté la meilleure capacité de récupération, alors que Q petraea a présenté de progressives nécroses foliaires, un potentiel hydrique décroissant et des niveaux de photosynthèse très faibles pendant les 3 semaines. Enfin, Q rubra a subi une très forte sénescence foliaire et une mortalité non négligeable au cours du ressuyage.


Key words: waterlogging / photosynthesis / oaks / seedlings / root hypoxia / chlorophyll fluorescence

Mots clés : photosynthèse / chênes / ennoyage / hypoxie racinaire / fluorescence de la chlorophylle / jeunes plants