anatomical and functional study of the aerenchyma in guzmania leaves

186 Pages·2011·36.39 MB·English

Doctoraatsproefschrift nr. 951 aan de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen van de K.U.Leuven

ANATOMICAL AND FUNCTIONAL
STUDY OF THE AERENCHYMA IN
GUZMANIA LEAVES

Sarah CROONENBORGHS
Promotor:
Prof. M. De Proft, K.U.Leuven

Leden van de examencommissie:
Prof. R. Geers, voorzitter Proefschrift voorgedragen tot
Prof. J. Coosemans, K.U.Leuven het behalen van de graad van
Prof. W. Keulemans, K.U.Leuven Doctor in de
Prof. R. Valcke, UHasselt Bio-ingenieurswetenschappen
Prof. M.C. Van Labeke, UGent
Dr. E. Londers, K.U.Leuven
Dr. L. Maene, Deroose Plants NV

Februari 2011
© 2009 Katholieke Universiteit Leuven, Groep Wetenschap & Technologie, Arenberg Doctoraatsschool, W. de
Croylaan 6, 3001 Heverlee, België

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt
worden door middel van druk, fotokopie, microfilm, elektronisch of op welke andere wijze ook zonder
voorafgaandelijke schriftelijke toestemming van de uitgever.

All rights reserved. No part of the publication may be reproduced in any form by print, photoprint, microfilm,
electronic or any other means without written permission from the publisher.

ISBN 978-90-8826-183-1
D/ 2011/11.109/5
Voorwoord
Functionele bladanatomie was geen evident onderwerp voor een doctoraat. Tijdens de afgelopen
vier jaar waarin ik me verdiepte in het aërenchym kwam volgend citaat me dan ook als bijzonder
treffend voor:
Do not go where the path may lead.
Go instead where there is no path and leave a trail... (Ralph Waldo Emerson)
Ik zou er nooit in geslaagd zijn een spoor achter te laten zonder de hulp en steun van heel wat
mensen!
Allereerst wil ik mijn promotor bedanken voor de kans die ik kreeg om met dit onderwerp aan de
slag te gaan waardoor ik me volop kon verdiepen in de wereld van de bladanatomie. Een wereld
die mij nog steeds kan verbazen. Een doctoraat verloopt niet altijd zoals je verwacht, ik wil je
dan ook bedanken voor het vertrouwen en de zelfstandigheid om me dit werk eigen te maken
waardoor ik nu trots kan zijn dat ik hier nu sta. Maurice, daarnaast wil ik je ook bedanken om
de boog op het labo niet altijd gespannen te laten staan met uitjes naar de alma en de moete en
op tijd en stond een warme choco.
Het IWT Vlaanderen wil ik bedanken voor de onmisbare, financiële steun zodat ik dit onderzoek
kon voeren.
Karine Vandermeiren van het CODA in Tervuren wil ik bedanken om me op de goede weg te
zetten bij de fotosynthesemetingen.
Verder staan er in dit doctoraat prachtige SEM foto’s die te danken zijn aan Marcel Verhaeghen
en Frank Van Caekenberghe van de Nationale Plantentuin. Ook Roland Valcke zou ik willen
bedanken om me met TEM te leren werken, een zeer boeiend aspect van microscopie.
Reginald Deroose wil ik graag bedanken voor het ontelbare plantenmateriaal waar ik lustig
coupes van mocht snijden. Ludo Maene van Deroose Plants NV wil ik in het bijzonder bedanken
voor het opzetten van de vele in vitro proeven en de leerrijke discussies over deze manier van
planten telen en de erbij horende problematieken.
De leden van de examencommissie wil ik graag bedanken voor hun interesse en nuttige com-
mentaren die dit werk beter maakten.
Karin, bedankt voor de hulp met de western blots waardoor ik mijn metingen in Spanje kon
doen.
Nieves and Enrique. What a great pleasure it was to see you again at the conference in Valençia.
Not only did you introduce me to the interesting world of immunogoldlabeling, but together
with Elena and Juanfra you made my stay in Murçia an unforgettable one and learned me about
thespanishwayoflifeandcooking. Bigkissforyourtwoadorablelittlegirls,NievesandCarmen.
Mijn (ex)collega’s verdienen ongetwijfeld ook een plaatsje hier: Ann, Christof, Elke, Elsje,
Isabelle, Mauricio, Ruth, Veerle en Willem. Bedankt voor alle steun en hulp, maar natuurlijk
ook voor alle gezellige momenten. Poi en Veerle, bedankt voor de praktische hulp in de serre en
het labo.
Ann, je was een schat van een collega, bedankt voor de toffe babbeltjes.
Vijfjaargeledenkwamikophetlaboalsnieuwethesisstudent. Elsje,jemaaktevanhetbromelia-
bureau een leuke plek waar ik me meteen thuis voelde. Johan, het was een voorrecht om begeleid
te worden door iemand die zo gebeten is door wetenschap. Je was een toffe bureaugenoot en de
vele discussies en tips waren echt van onschatbare waarde.
Isabelle, jou wil ik nog eens speciaal bedanken om me dat nodige duwtje in de rug te geven.
Ruth en Willem, jullie zijn de nieuwe wind die door het labo waait en zorgen als geen ander
voor de vrolijke noot op het werk. Voor jullie begint het grote doctoraatsavontuur net, maar
ongetwijfeld brengen jullie dit tot een goed einde.
Mijn vrienden wil ik bedanken voor de nodige afleiding en gezellige momenten tijdens de vier
doctoraatsjaren. En speciaal voor diegenen die in hetzelfde schuitje zaten/zitten: jullie weten
als geen ander dat een doctoraat met pieken en dalen verloopt. Bedankt voor de steun wanneer
dat nodig was.
Ook een bijzondere dankjewel aan mijn schoonouders, schoonbroers en schoonzusjes voor alle
hulp tijdens de verhuis en in onze nieuwe stek. Jullie zorgden ervoor dat ik me volledig op mijn
doctoraat kon storten en maakten de combinatie doctoraat/huis/baby doenbaar.
Ik wil ook graag mijn oma bedanken: moeke, bedankt voor je oprechte interesse in mijn werk.
Mijn ouders wil ik om zoveel redenen bedanken. Ma en vake, bedankt dat ik in een warm gezin
konopgroeienennogsteedsthuiskankomenbijjullie. Zonderjulliezouikhiernooitgeraaktzijn.
De laatste en zeker niet de minste die ik wil bedanken is mijn man. Karel, jij hebt dit doc-
toraat van dicht gevolgd en zonder jouw hulp en steun zou het niet gelukt zijn. Bedankt schat
dat je er steeds bent voor mij.
Dankjulliewel!
Sarah

CONTENTS
Samenvatting vii
Abstract xi
List of abbreviations and symbols xv
1 Scope of the study 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Brief outline of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Focus on Bromeliaceae 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Macromorphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Growth habitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.2 Breeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.3 Young plant production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
i
CONTENTS
2.5.4 Vegetative phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.5 Generative phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.6 Transport and sale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Focus on leaf structure 19
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Leaf structure: constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Environmental influences on leaf structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2
3.3.2 Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.3 Water and minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 Leaf structure of Bromeliaceae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 Aerenchyma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5.1 Lysigenous aerenchyma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5.2 Schizogenous aerenchyma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5.3 Aerenchyma in Bromeliaceae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Material and Methods 37
4.1 Plant material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 In vitro culture conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Greenhouse culture conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4 Macromorphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1 Plant growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.2 Plant water tank volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4.3 Leaf Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5 Micromorphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.1 Light microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.2 Scanning electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.3 Transmission electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.4 Immunogold labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5.5 Chlorophyll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
ii
CONTENTS
4.5.6 Leaf gas exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.6 Statistical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Aerenchyma formation and occurrence 51
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Leaf initiation and development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.2 Leaf initiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.3 Leaf development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 Leaf anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.2 Formation of aerenchyma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.3 Occurrence of aerenchyma during ontogeny . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6 Aerenchyma functioning 79
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.2 Localisation of Rubisco and Lhca1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.3 Stomatal density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.4 Light response curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 Plant growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3.2 Growth curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7 Influence of juvenility 97
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
iii
CONTENTS
7.2 Tissue culture plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2.2 Flowering maturity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.3 Axillary shoots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.3 Seedlings versus tissue culture plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.3.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.3.2 Plant growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.3.3 Leaf macromorphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.3.4 Leaf anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8 Influence of environment 111
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.2 Relative humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.2.2 Leaf anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.3 CO concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2
8.3.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.3.2 Plant growth and biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.3.3 Leaf macromorphology and plant shape . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.3.4 Leaf anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3.5 Chlorophyll content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.4 Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4.2 Plant biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4.3 Leaf anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4.4 Chlorophyll content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.5 Mineral nutrition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.5.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
iv