Assessing the Impacts of Hygroscopic Leaf Surface Material on Plant Water Relations: Stomatal Responses and Nocturnal Transpiration

Abstract

The increase in atmospheric aerosols from human activities like industry and agriculture has raised concerns about their impact on plant physiology, particularly due to their hygroscopic nature. While past research focused on aerosols' indirect effects on photosynthesis, recent studies delve into their direct effects on plant foliage. This study examines hygroscopic leaf surface material primarily from aerosol deposition or agricultural sprays. These compounds can form concentrated solutions on leaf surfaces, affecting water potential and vapor pressure deficit (VPD), and facilitating bidirectional stomatal transport. <br /> This doctoral research investigates the comprehensive effects of hygroscopic material on plant physiology and water relations, emphasizing stomatal responses and nocturnal transpiration. Experiments conducted on poplar clones and camphor seedlings in varying aerosol environments reveal that hygroscopic material forms crusts on leaf surfaces, potentially exacerbating plant water deficit. The effects on stomatal responses vary between plants with different water use strategies. Anisohydric plants are more sensitive to the hygroscopic material (i.e., aerosols), while isohydric plants are more sensitive to atmospheric conditions (i.e., VPD changes). Additionally, nocturnal transpiration experiments indicate a bidirectional pathway for hygroscopic material uptake by plants, suggesting a trade-off between water loss and nutrient uptake through leaves. <br /> Overall, this study supports the Hydraulic Activation of Stomata (HAS) theory and its influence on plant water and nutrient relations, highlighting the species-specific and environment-specific nature of these effects.

Die Zunahme atmosphärischer Aerosolablagerungen auf Pflanzenblättern durch menschliche Aktivitäten hat das Interesse an ihren Auswirkungen auf die Pflanzenphysiologie geweckt. Während frühere Studien sich auf die indirekten Folgen dieser Aerosole konzentrierten, richtet sich das Augenmerk jüngster Forschung auf ihre direkten Effekte aufgrund ihrer Hygroskopizität. Diese Studie untersucht das hygroskopische Material auf Blattoberflächen, das hauptsächlich aus Aerosolen oder landwirtschaftlichen Sprühmitteln stammt. Dieses Material kann sich in der Blattgrenzschicht verflüssigen und dünnfilme bilden, die eine Verbindung zur Pflanzenhydraulik herstellen und den bidirektionalen Transport von Wasser und gelösten Substanzen erleichtern. <br> Untersuchungen in Gewächshäusern und Feldern zeigen, dass das hygroskopische Material amorphe Krusten auf der Kutikula bildet und möglicherweise zu verstärktem Wasserdefizit der Pflanzen führt. Die Auswirkungen auf stomatäre Reaktionen variieren zwischen Pflanzen mit unterschiedlichen Wassernutzungsstrategien. Anisohydrische Pflanzen reagieren empfindlicher auf das Material, während isohydrische Pflanzen stärker auf atmosphärische Bedingungen reagieren. Die Unterschiede zwischen den Arten und Umgebungen unterstreichen die spezifische Natur des Hydraulischen Aktivierung der Stomata (HAS)-Effekts. Experimente zur nächtlichen Transpiration zeigen eine bidirektionale Verbindung zwischen Pflanzen und hygroskopischem Material, was auf einen spezifischen Regulierungsmechanismus der Stomata hinweist. Diese Ergebnisse stützen die HAS-Theorie und zeigen ihren Einfluss auf Pflanzenwasser- und Nährstoffverhältnisse.