Changes in plant carbon gain and volatile emissions under elevated CO₂ concentration and heat stress
Laen...
Kuupäev
2026
Kättesaadavus
Autorid
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Estonian University of Life Sciences
Abstrakt
ABSTRACT. Climate change is reshaping the growth conditions for cultivated crops. Rising atmospheric carbon dioxide (CO₂) levels and increasing temperatures are two major challenges facing plants. Elevated CO₂ can initially boost plant growth by enhancing photosynthesis, but its benefits are not always sustained over the long term, especially when nutrients become limiting. Meanwhile, warmer temperatures impose heat stress that disrupts the plant’s photosynthetic machinery and overall productivity. In response, plants release natural chemicals called volatile organic compounds (VOCs) that help in stress defense and communication with their environment.
This thesis investigated the impacts of increased CO₂ and heat stress, both individually and in combination, on plant carbon gain and VOC emissions in tropical fruit trees, avocado (Persea americana) and soursop (Annona muricata), as well as the Mediterranean herb, oregano (Origanum vulgare).
In avocado, elevated CO₂ improved growth and enhanced recovery after heat stress, especially in young leaves. In contrast, soursop responded differently: elevated CO₂ declined photosynthetic performance and growth due to internal limitations that reduced their ability to convert carbon into growth. Heat stress consistently impaired photosynthesis mainly through internal biochemical limitations rather than stomatal closure. In oregano, prior exposure to mild heat (heat priming) improved tolerance to subsequent severe heat. Heat stress also triggered strong emissions of volatile compounds that protect plant cells and signal stress.
Overall, this thesis shows that plant resilience to climate change depends on species-specific traits, developmental stage, and prior stress exposure. These findings improve our understanding of how to predict crop performance under changing environmental conditions and support the development of plant varieties better adapted to both current and future climates.
LÜHIKOKKUVÕTE. Kliimamuutuse peamised tegurid – temperatuuri tõus ja vee kättesaadavuse vähenemine – vähendavad põllumajandustaimede fotosünteesi ja saagipotentsiaali. Atmosfääri CO₂ kontsentratsiooni kasv kiirendab soojenemist, kuid mõjutab otseselt ka taimede ainevahetust. Kõrgenenud CO₂ võib fotosünteesi stimuleerida vaid siis, kui toitainete varu on piisav; sageli piirab aga taimede kiirenenud kasv lämmastiku ja fosfori kättesaadavust, põhjustades fotosünteesi sekundaarse vähenemise. Vastus CO₂ rikastamisele sõltub liigispetsiifilistest erinevustest lehe struktuuris, biokeemias ja ressursside jaotuses ning varieerub lehe vanusega. Kuumastress on kiiresti sagenev abiootiline stressor, mille mõju ulatub fotosünteesist hormonaalse regulatsioonini. Paljud troopilised liigid on juba termilise taluvuspiiri lähedal. Kõrge CO₂ võib kuumastressi osaliselt leevendada, toetades süsinikuvarusid ja rakukaitsemehhanisme, kuid mõju sõltub liigist ja lehe arengufaasist. Lenduvate orgaaniliste ühendite emissioon on oluline stressivastuse osa: kuumastress suurendab LOX-ühendite, FAD-derivaatide, terpenoidide ja bensenoidide emissioone, mis kajastavad membraanikahjustusi ja kaitseradade aktiveerumist. Väitekiri uuris kõrge CO₂ ja kuumastressi mõju lehe struktuurile, fotosünteesile ja VOC-emissioonidele kolmel mudeltaimel eri arenguetappides. Tulemused näitasid tugevat liigispetsiifilisust: Persea americana puhul suurendas kõrge CO₂ lehepinda ja kuivmassi, samas kui Annona muricata puhul need vähenesid. Toitainete sisaldus ja fotosünteesivõime muutusid liikide vahel vastupidiselt. Kuumastress vähendas fotosünteesi peamiselt õhulõhedest sõltumatute mehhanismide kaudu, kahjustades fotosünteesi biokeemilisi protsesse. Priming parandas Origanum vulgare kuumataluvust ja kiirendas taastumist. Kokkuvõttes sõltub taimede vastus CO₂ ja kuumastressi koostoimele nii liigispetsiifilisest kasvustrateegiast kui ka lehe arengufaasist, kujundades taimede kohanemisvõimet tuleviku kliimatingimustes.
LÜHIKOKKUVÕTE. Kliimamuutuse peamised tegurid – temperatuuri tõus ja vee kättesaadavuse vähenemine – vähendavad põllumajandustaimede fotosünteesi ja saagipotentsiaali. Atmosfääri CO₂ kontsentratsiooni kasv kiirendab soojenemist, kuid mõjutab otseselt ka taimede ainevahetust. Kõrgenenud CO₂ võib fotosünteesi stimuleerida vaid siis, kui toitainete varu on piisav; sageli piirab aga taimede kiirenenud kasv lämmastiku ja fosfori kättesaadavust, põhjustades fotosünteesi sekundaarse vähenemise. Vastus CO₂ rikastamisele sõltub liigispetsiifilistest erinevustest lehe struktuuris, biokeemias ja ressursside jaotuses ning varieerub lehe vanusega. Kuumastress on kiiresti sagenev abiootiline stressor, mille mõju ulatub fotosünteesist hormonaalse regulatsioonini. Paljud troopilised liigid on juba termilise taluvuspiiri lähedal. Kõrge CO₂ võib kuumastressi osaliselt leevendada, toetades süsinikuvarusid ja rakukaitsemehhanisme, kuid mõju sõltub liigist ja lehe arengufaasist. Lenduvate orgaaniliste ühendite emissioon on oluline stressivastuse osa: kuumastress suurendab LOX-ühendite, FAD-derivaatide, terpenoidide ja bensenoidide emissioone, mis kajastavad membraanikahjustusi ja kaitseradade aktiveerumist. Väitekiri uuris kõrge CO₂ ja kuumastressi mõju lehe struktuurile, fotosünteesile ja VOC-emissioonidele kolmel mudeltaimel eri arenguetappides. Tulemused näitasid tugevat liigispetsiifilisust: Persea americana puhul suurendas kõrge CO₂ lehepinda ja kuivmassi, samas kui Annona muricata puhul need vähenesid. Toitainete sisaldus ja fotosünteesivõime muutusid liikide vahel vastupidiselt. Kuumastress vähendas fotosünteesi peamiselt õhulõhedest sõltumatute mehhanismide kaudu, kahjustades fotosünteesi biokeemilisi protsesse. Priming parandas Origanum vulgare kuumataluvust ja kiirendas taastumist. Kokkuvõttes sõltub taimede vastus CO₂ ja kuumastressi koostoimele nii liigispetsiifilisest kasvustrateegiast kui ka lehe arengufaasist, kujundades taimede kohanemisvõimet tuleviku kliimatingimustes.
Kirjeldus
Doctoral Thesis in Applied Biology.
Doktoritöö rakendusbioloogia erialal.
Doktoritöö rakendusbioloogia erialal.
Märksõnad
climate change, increased CO₂, heat stress, dissertations, Green University (thesis is related to EMÜ Green University iniciative’s aims)
Viide
Abiola, Y. O. (2026). Changes in plant carbon gain and volatile emissions under elevated CO₂ concentration and heat stress [Estonian University of Life Sciences]. https://doi.org/10.15159/EMU.175