Ann. For. Sci. 49 (1992) 615-625
DOI: 10.1051/forest:19920605

Photochemical efficiency of photosystem II in rapidly dehydrating leaves of 11 temperate and tropical tree species differing in their tolerance to drought

E Dreyer^a, D Epron^a and OE Yog Matig<sup>b

a</sup>  INRA-Nancy, Laboratoire de Bioclimatologie et d'Écophysiologie Forestières, Station de Sylviculture et Production, Champenoux, F-54280 Seichamps, France
^b  IRA-Garoua, Centre de Recherches Agronomiques, Garoua, Cameroon

Abstract - Responses of PS II photochemical efficiency to rapid and severe leaf dehydration were tested on 11 different tree species differing in their ability to withstand periods of drought. Seedlings of Quercus robur, Q petraea, Q pubescens, Q rubra, Q cerris and Q ilex, and Dalbergia sissoo, Eucalyptus camaldulensis, Acacia holosericea, Azadirachta indica and Populus candicans were grown in a greenhouse at Nancy. Fifty to 60 leaf disks were punched from a few well-watered and dark-adapted seedlings and left to dehydrate in complete darkness for up to 6 h. Chlorophyll fluorescence induction kinetics were recorded with a PAM fluorometer (modulated red light below 1 μmol.m^-2 s^-1, actinic light 220 μmol.m ^-2.s^-1, saturating white flashes, 4 000 μmol.m^-2 .s^-1). All species displayed a remarkable stability for initial and maximal fluorescence F₀ and F_m, for PS II photochemical efficiency of dark-adapted disks, and after 10 min at 220 μmol m^-2 s^-1, up to relative water losses largely above the turgor loss point. Decreases in the latter were the first observed signs of dysfunction at leaf relative water losses of = 0.23-0.40 depending on the species. They were generally accompanied by significant decreases in the photochemical efficiency of open reaction centers, which revealed increased PS II thermal deexcitation. No correlation between evolution of either of these parameters and known tolerance to drought could be detected among tested species. It is concluded that sensitivity of the photosynthetic apparatus to leaf dehydration in the absence of irradiance plays a very minor role in the adaptation of species to drought. Photosynthesis decline in response to water stress under natural conditions is probably the consequence of stomatal closure and possibly of high levels of irradiance and temperature.

Résumé - Comparaison des effets d'une déshydratation rapide sur l'efficience photochimique du photosystème II de 11 espèces ligneuses présentant des degrés variables de résistance à la sécheresse. Les diminutions d'efficience photochimique du photosynthèse II en réponse à une déshydratation rapide et sévère de feuilles, ont été comparées sur 11 espèces d'arbres connues pour présenter des degrés variables de tolérance à des conditions de sécheresse. Des semis de différents chênes (Quercus robur, Q petraea, Q pubescens, Q rubra, Q cerris et Q ilex), d'espèces tropicales (Dalbergia sissoo, Eucalyptus camaldulensis, Acacia holosericea, Azadirachta indica) et de peuplier (Populus candicans) ont été élevés en serre à Nancy. Cinquante à soixante disques foliaires ont été prélevés sur des plants bien alimentés en eau et préalablement maintenus à l'obscurité. Ils ont transpiré librement à l'obscurité pendant des temps variables pouvant aller jusqu'à 6 h. Leur degré de déshydratation a été estimé par leur teneur en eau relative au moment des mesures. Les cinétiques d'induction de fluorescence ont été enregistrées sur chacun de ces disques en utilisant un fluoromètre modulé PAM (densités de flux de photons : lumière modulée rouge : < 1 μmol.m ^-2.s^-1; lumière actinique : 220 μmol m^-2.s ^-1; lumière saturante : 0,7 s à 4 000 μmol m^-2.s ^-1). Toutes les espèces ont présenté une remarquable stabilité de la fluorescence de base et de la fluorescence maximale, ainsi que de l'efficience photochimique du photosystème II tant maximale qu'après une induction à 220 μmol m^-2.s ^-1, et ce jusqu'à des teneurs en eau largement en deçà de celles correspondant à la perte de turgescence. Les premiers signes de dysfonctionnement observés ont consisté en une baisse de l'efficience photochimique à 220 μmol m^-2.s^-1, qui a débuté à des déficits de teneur en eau relative de l'ordre de 0,23 à 0,40 suivant l'espèce. Cette baisse était généralement accompagnée d'une diminution de l'efficience photochimique des centres ouverts révélant ainsi une augmentation significative de la déexcitation thermique du PS II. Mais aucune corrélation n'a pu être établie entre la réponse de ces paramètres à la déshydratation et la tolérance globale des espèces à la sécheresse. La sensibilité de l'appareil photosynthétique foliaire à la déshydratation elle-même ne joue sans doute qu'un rôle mineur dans l'adaptation des espèces aux déficits d'alimentation hydrique. Les diminutions de photosynthèse observées en réponse à l'épuisement progressif des réserves hydriques du sol en conditions naturelles sont vraisemblablement dues à une fermeture des stomates, accompagnée parfois par une action des fortes irradiances et des températures élevées.

Key words: photosynthesis / chlorophyll fluorescence / PS II photochemical efficiency / water stress / dehydration / oak species / tropical tree species

Mots clés : photosynthèse / fluorescence chlorophyllienne / efficience photochimique du PSII / stress hydrique / déshydratation / chêne / espèce tropicale