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8/10/2019 Plant Physiol. 1989 Brown 1543 50
1/8
P l a n t P h y s i o l . ( 1 9 8 9 )
9 1 ,
1 5 4 3 - 1 5 5 0
0 0 3 2 - 0 8 8 9 / 8 9 / 9 1 / 1
5 4 3 / 0 8 / 0 1 . 0 0 / 0
R e c e i v e d
f o r
p u b l i c a t i o n
May 2 3 , 1 9 8 9
a n d i n r e v i s e d f o r m A u g u s t 7 , 1 9 8 9
L e a f
Anatomy o f C 3 - C 4
S p e c i e s a s R e l a t e d
t o E v o l u t i o n
o f
C4 Photosynthesis
R .
H a r o l d B r o w n *
a n d P a u l
W.
H a t t e r s l e y
D e p a r t m e n t
o f A g r o n o m y , U n i v e r s i t y o f
G e o r g i a ,
A t h e n s ,
G e o r g i a 3 0 6 0 2
( R . H . B . ) ;
and R e s e a r c h S c h o o l o f
B i o l o g i c a l
S c i e n c e s ,
T h e
A u s t r a l i a n N a t i o n a l U n i v e r s i t y ,
C a n b e r r a ,
A C T , A u s t r a l i a
( P . W . H . )
ABSTRACT
T h i s
s t u d y
was
u n d e r t a k e n t o e x a m i n e
t h e
d e g r e e o f K r a n z
a n a t o m y d e v e l o p m e n t
i n
t h e
s p e c i e s i n t e r m e d i a t e
t o C 3 a n d C 4
t y p e s ( C 3 - C 4 )
i n
P a n i c u m , N e u r a c h n e , F l a v e r i a ,
a n d
M o r i c a n d i a .
I n
e a c h
g e n u s ,
C 3 a nd / o r C 4 s p e ci e s w e r e u s e d
f o r c o m p a r i s o n .
L e a f t r a n s e c t i o n s
f r o m e a c h s p e c i e s
w e r e e x a m i n e d
b y l i g h t
a n d
t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n
m i c r o s c o p y .
T h e p e r c e n t a g e s
o f l e a f p h o -
t o s y n t h e t i c
c e l l
p r o f i l e s
p a r t i t i o n e d
t o
b u n d le s h e a t h s
were
h i g h e r
i n
C 4
t h a n
i n
C 3
s p e c i e s , w h i l e C 3- C 4 s p e c i e s
t e n d e d
t o
b e
i n
b e t w e e n .
H o w e v e r ,
p e r c e n t a g e s
f o r
C 3 - C 4 s p e c i e s
i n
M o r i c a n d i a
a n d some
C 3 - C 4
F l a v e r i a
s p e c i e s
were
n o t
g r e a t e r
t h a n
C 3 .
W h e n
e x p r e s s e d
o n
a
c e l l
p r o f i l e a r e a
b a s i s ,
C 3 - C 4 s p e c i e s p a r t i t i o n e d
more p h o t o s y n t h e t i c
t i s s u e t o
b u n d l e
s h e a t h s
t h a n
C 3 s pe c i e s
i n
M o r i c a n d ia , b u t
n o t
i n
F l a v e r i a .
N e u r a c h n e
m i n o r
S .
T .
B l a k e
( C 3 -
C 4 ) p a r t i t i o n e d
a
v e r y
s m a l l
p o r t i o n
o f c e l l
p r o f i l e
a r e a t o t h e
i n n e r
b u n d l e
s h e a t h s
( 5 )
c o m p a r e d
t o
N e u r a c h n e
m u n r o i
F .
M u e l l
( C 4 )
( 2 1 ) .
T h e
p e r c e n t a g e o f o r g a n e l l e s p a r t i t i o n e d
t o
b u n d l e
s h e a t h s
was much
g r e a t e r
i n
C 3 - C 4
t h a n
i n
C 3 s p e c i e s .
T h e
a v e r a g e
C 3 p e r c e n t a g e s
f o r m i t o c h o n d r i a
p l u s
p e r o x i s o m e s
were
1 9 , 8 ,
a n d
1 9 . 5 f o r
N e u r a c h n e , F l a v e r i a ,
a n d
M o r i c a n d i a ,
r e s p e c -
t i v e l y , c o m p a r e d
t o
4 1 , 2 9 ,
a n d 4 6 . 5 f o r
t h e C 3 - C 4 s p e c i e s . T h e
C O 2 c o m p e n s a t i o n
c o n c e n t r a t i o n was
n e g a t i v e l y
r e l a t e d
t o t h e
p a r t i t i o n i n g
o f t i s s u e t o b u n d l e
s h e a t h s a n d
t o t h e
p e r c e n t a g e
o f
o r g a n e l l e s
i n
b u n d l e s h e a t h s . I t
i s
c o n c l u d e d
t h a t
a l l
o f
t h e
C 3 C 4
s p e c i e s
e x a m i n e d h a v e
d e v e l o p e d
some
d e g r e e
o f K r a n z a n a t -
o m y
a n d
t h a t
t h i s
a l t e r e d
a n a t o m y
i s
i n v o l v e d
i n
t h e i r
r e d u c e d
a p p a r e n t
p h o t o r e s p i r a t i o n .
P l a n t s w i t h
C 4 p h o t o s y n t h e s i s
h a v e
a
s p e c i a l i z e d
l e a f a n a t -
omy
w h i c h i s
r e q u i s i t e
f o r t h e i r
CO2
m e t a b o l i s m a n d
w h i c h
e f f e c t i v e l y
e l i m i n a t e s
p h o t o r e s p i r a t i o n
a n d i n c r e a s e s t h e c a -
p a c i t y
f o r
CO2
a s s i m i l a t i o n
( 3 , 9 ) .
T h i s
s p e c i a l i z e d
anatomy
i s
c h a r a c t e r i z e d
b y
a
w e l l - d e v e l o p e d
v a s c u l a r
b u n d l e
s h e a t h
w i t h B S C 2 c o n t a i n i n g
l a r g e
q u a n t i t i e s
o f
o r g a n e l l e s ( 4 ) .
T h e
l e a f
m e s o p h y l l
o f
C 4 s p e c i e s
i s
a l s o
r a d i a l l y
a r r a n g e d a r o u n d
t h e
b u n d l e
s h e a t h
a n d MC
are
u s u a l l y
l o c a t e d
no
more
t h a n
o n e c e l l
d i s t a n t
f r o m BSC
( 1 2 ) . T h u s ,
c l o s e
s p a c i n g
o f v e i n s
a n d
r a d i a l
a r r a n g e m e n t
o f
MC
p r o v i d e s
m ax i m u m c o n t a c t
b e t w e e n MC a n d
B S C , f a c i l i t a t i n g
t r a n s p o r t
b e t w e e n c e l l
t y p e s .
R e s e a r c h
s u p p o r t e d
i n
p a r t b y
t h e
G e o r g i a
A g r i c u l t u r a l E x p e r i -
m e n t S t a t i o n a n d t h e R e s e a r c h
S c h o o l
o f B i o l o g i c a l S c i e n c e s ,
A u s t r a -
l i a n
N a t i o n a l
U n i v e r s i t y .
2
A b b r e v i a t i o n s :
B S C ,
v a s c u l a r b u n d l e s h e a t h
c e l l s ; MC, m e s o p h y l l
c e l l s ;
C 3 - C 4 ,
s p e c i e s
i n t e r m e d i a t e t o
C 3
a n d
C 4
t y p e s ;
r , C0 2
c o m p e n -
s a t i o n
c o n c e n t r a t i o n .
E v o l u t i o n
o f
C 4
s p e c i e s u n d o u b t e d l y i n vo l ve d s t e p s i n
w h i c h
a n a t o m i c a l
c h a r a c t e r i s t i c s
w e r e
b e t w e e n
t h o s e
o f C 3 a n d
C 4
s p e c i e s . S p e c i e s
i n t e r m e d i a t e
t o C 3
a n d
C 4
t y p e s
h a v e
b e e n
d e s c r i b e d
i n
s e v e n
g e n e r a 8 ) .
A l t h o u g h C 3 - C 4
s p e c i e s
h a v e
b e e n c h a r a c t e r i z e d m a i n l y b y C O 2
e x c h a n g e
a n d b i o c h e m i c a l
a n a l y s e s , t h e y a l s o
h a v e
a n a t o m i c a l
c h a r a c t e r i s t i c s
b e t w e e n
t h o s e
o f
C 3
a n d
C 4 ( 5 ,
7 , 1 4 , 1 5 , 1 7 , 2 0 ,
2 1 ) .
I t i s n o t
c l e a r
how
much
d e v e l o p m e n t
o f
K r a n z a n a t o m y
i s
r e q u i r e d
t o
r e d u c e
r a n d
0 2
i n h i b i t i o n
a s
o b s e r v e d
i n
C 3 - C 4
s p e c i e s ,
b u t
i t
i s
c e r t a i n t h a t
w e l l
d e v e l o p e d
K r a n z
a n a t o m y
i s
n e c e s s a r y
f o r
C 4
s p e c i e s .
A l t h o u g h
a n a t o m i c a l
o b s e r v a t i o n s
h a v e b e e n made o n
m o s t
s p e c i e s
r e p o r t e d
t o b e
C 3 - C 4
5 , 7 ,
1 3 - 1 7 , 2 1 ) ,
q u a n t i t a t i v e
a s s e s s m e n t o f
K r a n z
a n a t o m y
h a s
n o t
b e e n
r e p o r t e d e x c e p t
i n P a n i c u m
7 ) .
T h i s
r e p o r t
d e s c r i b e s
a q u a n t i t a t i v e s t u d y
o f
t h e
l e a f
a n a t o m y
o f
s e v e r a l
C 3 - C 4 s p e c i e s
i n
d i f f e r e n t
t a x a
t o
r e l a t e a n a t o m i c a l
c h a r a c t e r i s t i c s t o
t h e p h y s i o l o g i c a l
a n d b i o -
c h e m i c a l
t r a i t s
r e p o r t e d
f o r t h e s e
s p e c i e s .
T h e m a i n
e m p h a s i s
i s o n
d e v e l o p m e n t
o f
t h e v a s c u l a r
b u n d l e s h e a t h .
MATERIALS
A ND
METHODS
P l a n t
S e l e c t i o n
a n d
C u l t u r e
S i x t e e n
s p e c i e s
l i s t e d
i n
T a b l e
I r e p r e s e n t i n g
f o u r
g e n e r a ,
w e r e s e l e c t e d . P a n i c u m
m i l i o i d e s
w a s
i n c l u d e d f o r c o m p a r i -
s o n
w i t h
C 3 - C 4
s p e c i e s
i n
t h e
o t h e r
g e n e r a ,
s i n c e i t a n d
o t h e r
C 3 - C 4
a n d
C 3 s p e c i e s
i n
P a n i c u m w e r e e x a m i n e d
q u a n t i t a t i v e l y
f o r
u l t r a s t r u c t u r e e a r l i e r
7 ) .
T h e
p l a n t s w e r e
g r o w n
f r o m s e e d l i n g s , e x c e p t f o r N e u r a c h n e
m u n r o i
a n d
N .
t e n u i f o l i a ,
w h i c h w e r e
p r o p a g a t e d
f r o m
v e g e -
t a t i v e
t i l l e r s .
A l l
p l a n t s
w e r e
g r o w n
i n
a
p o t t i n g
m i x t u r e
c o n t a i n i n g
p e a t ,
s o i l ,
a n d
p e r l i t e
i n
p o t s
r a n g i n g
i n
s i z e
f r o m
1
t o 3
L .
E a c h
s p e c i e s
w a s r e p l i c a t e d
t w i c e .
T h e y w e r e f e r t i l -
i z e d w i t h n u t r i e n t s o l u t i o n
t w i c e w e e k l y .
T h e
p l a n t s
w e r e
g r o w n
u n d e r
f l u o r e s c e n t
l i g h t i n g
i n
a
g r o w t h
c a b i n e t s e t
f o r
a
1 4 - h
l i g h t / 1 0 - h
d a r k
p e r i o d .
T h e
t e m p e r a t u r e
w a s
3 3
1 C
d u r i n g
t h e
l i g h t p e r i o d
a n d 2 4
1 C
i n t h e d a r k . PPFD w a s
m a i n t a i n e d a t 5 0 0
, u m o l
q u a n t a
m - 2
s - '
n e a r t h e
t o p
o f
t h e
p l a n t s
d u r i n g
t h e
p h o t o p e r i o d .
RH
w a s
a p p r o x i m a t e l y
50
d u r i n g
t h e
d a y
a n d 8 0 t o
9 5 a t n i g h t .
Anatomy
L e a v e s w e r e h a r v e s t e d 0 . 5 t o
1
h a f t e r
t h e s t a r t o f
t h e
l i g h t
p e r i o d .
A s e c t i o n w a s t a k en f r o m t h e m i d l a m i n a
r e g i o n
o f
y o u n g e s t f u l l y
e x p a n d e d
l e a v e s a n d c u t i n t o s m a l l
p i e c e s
i n
f i x a t i v e .
S p e c i m e n s
w e r e
t a k e n f r o m
e a c h
o f
t h e
t h r e e
p l a n t s
1 5 4 3
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2/8
B R O WN
AND
H A T T E R S L E Y
o f
e a c h s p e c i e s ,
e x c e p t
N .
m u n r o i , N .
t e n u i f o l i a ,
a n d
F .
l i n e a r i s , i n
w h i c h c a s e t w o
s p e c i m e n s w e r e t ak en f r o m
o n e
p l a n t a n d o n e
f r o m a n o t h e r
p l a n t .
T h e
p i e c e s f r o m t h e
t h r e e
r e p l i c a t e
l e a v e s
w e r e
f i x e d
s e p a r a t e l y
i n
g l u t a r a l d e h y d e ( 3 0
mL
L - ' )
i n 5 0 mm
p h o s p h a t e b u f f e r ( p H
6 . 8 )
a t
4 0 C f o r
2
h
a n d
p o s t f i x e d
i n
O S 0 4 ( 1 0 g L - ' ) a t
r o o m
t e m p e r a t u r e f o r
2
h .
I n
t h e
c a s e
o f
N .
m i n o r a n d
N .
m u n r o i ,
t h e
O S 0 4
f i x a t i o n
w a s
r e d u c e d t o 3 0
m i n
t o
p r e v e n t
BSC
f r o m s t a i n i n g
t o o
h e a v i l y .
T h e l e a f p i e c e s
w e r e
e m b e d d e d i n
LR
w h i t e e m b e d d i n g
m e d i u m u n d e r
v a c u u m .
T r a n s v e r s e s e c t i o n s
a b o u t
2 - , u m
t h i c k
w e r e c u t a n d
s t a i n e d w i t h
t o l u i d i n e b l u e f o r
l i g h t
m i c r o s c o p y .
S i l v e r
o r g o l d
c o l o r e d
t r a n s v e r s e s e c t i o n s w e r e
c u t f o r e l e c t r o n
m i c r o s c o p y . A f t e r
s t a i n i n g
w i t h
u r a n y l
a c e t a t e
a n d
p o s t s t a i n -
i n g
w i t h l e a d c i t r a t e ,
s e c t i o n s w e r e
v i e w e d a n d
p h o t o g r a p h e d
w i t h a
H i t a c h i 5 0 0 o r H i t a c h i
6 0 0 t r a n s m i s s i o n
e l e c t r o n
m i c r o s c o p e
a t
7 5 k V .
W h o l e c e l l p r o f i l e s
w e r e
p h o t o g r a p h e d
i n
t h e e l e c t r o n
m i -
c r o s c o p e
a t
m a g n i f i c a t i o n s o f
x
1 5 0 0
o r
g r e a t e r .
I n
s o m e
c a s e s ,
c e l l s
w e r e t o o
l a r g e t o
p h o t o g r a p h a t
x
1 5 0 0 , a n d
p o r t i o n s
o f
t h e
c e l l
w e r e
p h o t o g r a p h e d a n d
a
c o l l a g e
p r e p a r e d
o f t h e
w h o l e
c e l l
p r o f i l e .
I n t h o s e s p e c i e s f o r
w h i c h
a
d i s t i n c t i v e
p a l i s a d e p a r e n c h y m a
w a s
o b s e r v e d , s e p a r a t e
p h o t o g r a p h s
w e r e t a k e n
o f p a l i s a d e
a n d
s p o n g y MC. I n N .
m i n o r
a n d
N .
m u n r o i ,
c e l l s o f
b o t h i n n e r
a n d o u t e r b u n d l e
s h e a t h s
w e r e
p h o t o g r a p h e d .
A t l e a s t t h r e e , a n d
i n
s o m e
c a s e s a s
many a s
1 0 , c e l l
p r o f i l e s o f e a c h
t y p e
w e r e
p h o t o g r a p h e d f o r
e a c h o f
t h e t h r e e
l e a v e s
s a m p l e d .
P h o t o g r a p h s ,
2 0
x
2 5
c m
( m i n i m u m
m a g n i f i c a t i o n
x 3 6 0 0 ) ,
w e r e
p r e p a r e d
a n d
o r g a n e l l e s
w e r e c o u n t e d w i t h t h e
a i d o f a
x 4 . 5
m a g n i f y i n g
l e n s
i n
t h e
c a s e
o f
m i t o c h o n d r i a a n d
p e r o x i s o m e s .
I n
s o m e
p h o t o g r a p h s , m i t o c h o n d r i a
a n d
p e r -
o x i s o m e s
c o u l d
n o t
b e d i f f e r e n t i a t e d a n d
s o a l l c o u n t s f o r
t h e s e
o r g a n e l l e s a r e c o m b i n e d . C e l l
p r o f i l e a r e a s w e r e m e a s -
u r e d o n
t h e
p h o t o g r a p h s
w i t h
a n
e l e c t r o n i c
p l a n i m e t e r
d i g i t i z e r .
T h i c k
s e c t i o n s w e r e
p h o t o g r a p h e d a t
m a g n i f i c a t i o n s r a n g -
i n g
f r o m x l O O
t o
x 4 0 0
a n d
p r o f i l e s o f BSC a n d
MC
w e r e
c o u n t e d .
I n
a l l
F l a v e r i a
s p e c i e s
e x c e p t
F .
b r o w n i i ,
p a l i s a d e
a n d
s p o n g y
MC w e r e
c o u n t e d
s e p a r a t e l y .
T h e
p e r c e n t a g e
o f
c e l l
p r o f i l e n u m b e r s
i n
t h e
b u n d l e
s h e a t h s w e r e
c a l c u l a t e d
f r o m
l i g h t
m i c r o g r a p h s . T h e
p e r c e n t a g e o f t o t a l c e l l
p r o f i l e
a r e a
i n
t h e b u n d l e s h e a t h s
w a s c a l c u l a t e d
f r o m c e l l
p r o f i l e
n u m b e r s
i n
l i g h t
m i c r o g r a p h s
a n d c e l l
p r o f i l e
a r e a s f r o m
e l e c t r o n
m i c r o g r a p h s .
T h e
p r o p o r t i o n
o f
o r g a n e l l e s
i n
BSC
w a s c a l c u l a t e d f r o m
t h e
n u m b e r p e r
c e l l
p r o f i l e
a n d
t h e
r a t i o
o f
BSC
t o
MC
p r o f i l e s d e t e r m i n e d f r o m
l i g h t
m i c r o g r a p h s .
C O 2
C o m p e n s a t i o n
C o n c e n t r a t i o n
To
c o n f i r m t h e
p h o t o s y n t h e t i c
t y p e
o f
e a c h
s p e c i e s ,
r w a s
m e a s u r e d
i n
5 0 - m L
g l a s s s y r i n g e s
u s i n g
a m e t h o d
d e s c r i b e d
e a r l i e r
6 ) .
L e a f
s e c t i o n s w e r e
i n c u b a t e d
i n
t h e
s y r i n g e s
i n
t h e
s a m e
g r o w t h
c h a m b e r
i n
w h i c h
p l a n t s
w e r e
g r o w n .
T h e
d i s t a n c e o f
t h e
s y r i n g e
f r o m t h e
l a m p s
w a s
a d j u s t e d
s o t h a t
i r r a d i a n c e
i n
t h e
s y r i n g e
w a s
5 0 0
, u m o l
q u a n t a
m - 2
s - ,
a n d
t h e
t e m p e r a t u r e
i n
t h e
s y r i n g e
w a s s e t a t
3 0 C
b y
a d j u s t i n g
t h e
t e m p e r a t u r e
o f
t h e
g r o w t h
c h a m b e r .
F o u r
r e p l i c a t e s o f
e a c h
s p e c i e s
w e r e
m e a s u r e d .
D a t a
A n a l y s i s
A n a l y s i s
o f
v a r i a n c e w a s
p e r f o r m e d
o n d a t a
f r o m a l l
m e a s -
u r e m e n t s
u s i n g
a
c o m p l e t e l y
r a n d o m i z e d
d e s i g n .
S p e c i e s
m e a n s
w e r e
c o m p a r e d
u s i n g
F i s h e r ' s
p r o t e c t e d
l e a s t
s i g n i f i -
c a n t d i f f e r e n c e
( 2 2 ) .
RESULTS
G e n e r a l
A n a t o m i c a l
O b s e r v a t i o n s
C h a r a c t e r i s t i c s f o r m o s t
o f t h e
s p e c i e s
s t u d i e d
h e r e
h a v e
b e e n
g i v e n
i n
a
g e n e r a l w a y
e a r l i e r
7 , 1 3 - 1 7 ,
2 1 ) ,
a n d
o n l y
a
f e w
q u a l i t a t i v e
o b s e r v a t i o n s
w i t h
p o s s i b l e
p h y s i o l o g i c a l i m -
p l i c a t i o n s
w i l l
b e
m a d e .
I n
t h e t w o
d i c o t y l e d o n o u s
g e n e r a ,
t h e r e w a s l i t t l e
o b v i o u s
d e v e l o p m e n t
o f
K r a n z a n a t o m y
i n
t h e
C 3 - C 4
s p e c i e s c o m p a r e d
t o
C 3
w h e n
o b s e r v e d i n t h e
l i g h t
m i c r o s c o p e ( F i g .
1 , A , D , E ,
a n d
F ) . A l t h o u g h
BSC
o f
C 3
s p e c i e s
a p p e a r e d e s s e n t i a l l y
d e v o i d o f
o r g a n e l l e s
( F i g ,
1 ,
D
a n d
E ) ,
s o m e
d e v e l o p m e n t
o c c u r r e d
i n t h e
C 3 - C 4
s p e c i e s
r e p r e s e n t e d
b y F .
a n o m a l a
( F i g . I A )
a n d
M .
s p i n o s a
( F i g .
I F ) .
I n
C 3
a n d
C 3 - C 4 s p e c i e s
o f F l a v e r i a
a
d i s t i n c t
p a l i s a d e
l a y e r
w a s
o b v i o u s ,
b u t
i t
w a s
much l e s s d i s t i n c t
i n
M o r i c a n d i a .
K r a n z
a n a t o m y
w a s w e l l
d e v e l o p e d
i n
F .
b r o w n i i
( F i g .
l C )
a n d
F . t r i n e r v i a
( F i g . 1 B ) a s h a s
b e e n
d o c u m e n t e d
e a r l i e r
1 ,
1 6 ,
2 1 ,
2 9 ) . F . t r i n e r v i a
p o s s e s s e d a p a l i s a d e
l a y e r ,
a l t h o u g h
n o t a s
d e e p
n o r
a s d i s t i n c t a s i n
t h e C 3 a n d
C 3 - C 4 F l a v e r i a
s p e c i e s . T h e
p a l i s a d e i n
F .
b r o w n i i
w a s a l m o s t a b s e n t
( F i g .
l C ) .
P a n i c u m
m i l i o i d e s h a d
w e l l
d e v e l o p e d BSC
( F i g . l G ) a s
d i d N .
m i n o r
( F i g . l J ) ; h o w e v e r ,
BSC
w e r e
much
l a r g e r t h a n
MC
i n
t h e
f o r m e r
b u t s m a l l e r
t h a n MC
i n
t h e
l a t t e r .
N .
t e n u i f o l i a
p o s s e s s e d
BSC t h a t a p p e a r e d
a l m o s t
e m p t y
a t
t h e
m a g n i f i c a t i o n i n
F i g u r e I I . T h e
c h l o r o p h y l l o u s BSC
i n
N .
m i n o r
( F i g .
l J ) w e r e
s u r r o u n d e d
b y
a n
o u t e r
s h e a t h
w h i c h
a p p e a r e d t o h a v e f e w
o r g a n e l l e s , a n d i n
N .
m u n r o i
( F i g . 1 K )
t h e
s h e a t h s
w e r e
s i m i l a r t o N . m i n o r ,
e x c e p t t h e
o u te r s h e at h
i s
l e s s
d i s t i n c t
a n d
i n c o m p l e t e f o r
many
v e i n s .
T h e
d e g r e e
o f
o r g a n e l l e
d e v e l o p m e n t
i n
BSC
w a s g r e a t l y
d i f f e r e n t i n
C 3 ,
C 3 - C 4 ,
a n d
C 4
s p e c i e s
w h e n v i e w e d a t
e l e c t r o n
m i c r o s c o p e
m a g n i f i c a t i o n s ( F i g . 2 ) , a s i n d i c a t e d
b y
t h e
q u a n -
t i t a t i v e
a n a l y s i s l a t e r . A n o t h e r
f e a t u r e w h i c h
d i f f e r e d
among
s p e c i e s
i s t h e
a r r a n g e m e n t
o f
c h l o r o p l a s t s a n d
m i t o c h o n d r i a
i n B S C .
F o r t h e
C 3 s p e c i e s
i n
M o r i c a n d i a
a n d
F l a v e r i a ,
f e w
o r g a n e l l e s
l i n e d t h e
c e n t r i p e t a l w a l l
( F i g . 2 , A
a n d
E ) .
F o r t h e
C 3 - C 4 a n d
C 4 s p e c i e s
( e x c e p t N .
m i n o r a n d
N .
m u n r o i ) ,
o r g a n -
e l l e s w e r e
c o n c e n t r a t e d
a l o n g
t h e
c e n t r i p e t a l
w a l l ,
w i t h
m i t o -
c h o n d r i a
l y i n g a d j a c e n t
t o
t h e
w a l l a n d
c h l o r o p l a s t s
t e n d i n g
t o
o v e r l a y t h e m i t o c h o n d r i a
( F i g .
2 ) .
T h i s
t e n d e n c y
w a s
v e r y
s t r o n g i n M o r i c a n d i a
( s e e
M .
s p i n o s a , F i g .
2 F ,
a n d
M.
a r v e n s i s
[ 1 7 ] ) ,
b u t
l e s s
i n
P .
m i l i a c e u m
( F i g . 2 G )
i n w h i c h
m i t o c h o n -
d r i a w e r e
a l s o i n t e r s p e r s e d
among
c h l o r o p l a s t s .
I n N .
m i n o r
( F i g . 3 ) a n d
N .
m u n r o i , BSC w e r e m o r e
n e a r l y
f i l l e d
w i t h
o r g a n e l l e s
a n d
m i t o c h o n d r i a w e r e d i s t r i b u t e d
among
c h l o r o -
p l a s t s
( s e e a l s o
r e f .
1 4 ) .
Q u a n t i t a t i v e
A s p e c t s
W i t h i n
a
g i v e n g e n u s , t h e
p e r c e n t a g e
o f
p h o t o s y n t h e t i c
c e l l
p r o f i l e n u m b e r s
o c c u r r i n g
i n t h e
b u n d l e s h e a t h
w a s
l o w e r
i n
C 3
t h a n
i n
C 4 s p e c i e s ,
a n d
t h e
C 3 - C 4
s p e c i e s
t e n d e d
t o b e
i n
1 5 4 4
P l a n t
P h y s i o l .
V o l .
9 1 ,
1 9 8 9
www.plant.orgon March 8, 2014 - Published bywww.plantphysiol.orgDownloaded from
Copyright 1989 American Society of Plant Biologists. All rights reserved.
http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plant.org/http://www.plant.org/http://www.plantphysiol.org/http://www.plantphysiol.org/8/10/2019 Plant Physiol. 1989 Brown 1543 50
3/8
A N A T O M Y OF
C 3 - C 4
S P E C I E S
T a b l e
I P e r c e n t a g e
o f
P h o t o s y n t h e t i c
C e l l P r o f i l e s i n
t h e B u n d l e
S h e a t h s
a n d
P e r c e n t a g e
o f
L e a f
C h l o r o p l a s t s
a n d M i t o c h o n d r i a p l u s
P e r o x i s o m e s
i n BSC f o r
S p e c i e s o f
P a n i c u m ,
N e u r a c h n e ,
F l a v e r i a ,
a n d M o r i c a n d i a
C e l l P r o f i l e s
i n O r a e l s i B S
B u n d l e S h e a t h
O r g a n e l l e s
i n
BS C
S p e c i e s
T y p e
M i t o c h o n d n a
N o .
A r e a
C h l o r o p l a s t s
+
P e r o x i s o m e s
P . m i l i o i d e s N e e s e x T r i n .
C 3 - C 4
1 2 3 1
2 5
5 2
P . m i l i a c e u m
L .
C 4
2 3 2 8
2 9
7 4
N . m i n o r S . T . B l a k e a
C 3 - C 4
1 9
5 1 3
4 1
N . m u n r o i F . M u e l l a
C 4
2 3
2 1
3 4
3 7
N .
t e n u i f o l i a
S . T . B l a k e
C 3
1 1
1 3
9
1 9
F . a n o m a l a B . L . R o b i n s o n
C 3 - C 4
1 8
1 7
1 6 2 9
F . f l o r i d a n a
J . R . J o h n s t o n
C 3 - C 4
1 4
1 0
1 4
2 7
F . l i n e a r i s L a g .
C 3 - C 4
1 4 7 1 5
2 5
F .
o p p o s i t i f o l i a ( D C . )
R y d b
C 3 - C 4
1 8
1 1 1 8
3 5
F . b r o w n i i P o w e l l
C 4 - l i k e
2 8
1 7
5 3
6 4
F .
t r i n e r v i a
( S p r e n g . )
C .
M o h r
C 4
2 2
2 0
2 8
3 0
F . p r i n g l e i
G a n d o g e r C 3
1 0
9
6
8
M .
a r v e n s i s L . ) D C .
C 3 - C 4
1 5
1 7
2 0
4 6
M .
s p i n o s a
P o m e l
C 3 - C 4
2 0
1 4 2 0
4 7
M .
f o l e y i i B a t t .
C 3
1 4 8
8
2
M .
m o r i c a n d i o i d e s
( B o i s s . )
H e y -
C 3
1 3
6 1 1 1 8
wood
L S D
( 0 . 0 5 )
5 5
1 0
1 2
a
O u t e r b u n d l e
s h e a t h c e l l s i n c l u d e d
a s
m e s o p h y l l
c e l l s .
b e t w e e n
( T a b l e I ) .
T h e c e l l
p r o f i l e s
i n
b u n d l e
s h e a t h s o f
C 4
s p e c i e s
w e r e a b o u t
23 o f t h e
t o t a l ,
a n d
f o r t h e
C 4 - l i k e
s p e c i e s ,
F .
b r o w n i i ,
t h e
v a l u e
w a s
2 8 .
N e u r a c h n e
m i n o r a l s o
h a d a
s i m i l a r
v a l u e
( 1 9 ) .
A m o n g
t h e o t h e r
C 3 - C 4
s p e c i e s ,
o n l y
F .
a n o m a l a ,
F .
o p p o s i t i f o l i a ,
a n d
M .
s p i n o s a p a r t i t i o n e d
a
s i g -
n i f i c a n t l y h i g h e r
p e r c e n t a g e
o f c e l l
p r o f i l e s
i n t o
b u n d l e
s h e a t h
t h a n
t h e i r
C 3
r e l a t i v e s .
P a n i c u m
m i l i o i d e s
h a d
a
p e r c e n t a g e
1 2 )
s i m i l a r
t o
t h e
C 3
s p e c i e s
i n
t h e
o t h e r
g e n e r a
e x a m i n e d
a n d i d e n t i c a l
t o
a v a l u e c a l c u l a t e d
f o r t h i s
s p e c i e s
f r o m d a t a
o f
B r o w n
e t a l .
7 ) .
E n l a r g e m e n t
o f BSC
r e l a t i v e
t o
MC w o u l d
a l s o t e n d t o
i n c r e a s e
i n v e s t m e n t
o f
p h o t o s y n t h e t i c
t i s s u e
i n
t h e
b u n d l e
s h e a t h
o f
C 4
a n d
C 3 - C 4
s p e c i e s .
T h e r e
w a s ,
h o w e v e r ,
n o c o n -
s i s t e n t
t r e n d
f o r BSC t o
b e
l a r g e r
t h a n
MC s o
t h a t
s i m i l a r o r
l o w e r
p e r c e n t a g e s
o f t o t a l
c e l l
p r o f i l e
a r e a o c c u r r e d
i n
b u n d l e
s h e a t h s
c o m p a r e d
t o
t h e c e l l n u m b e r
( T a b l e I ) .
T h e
n o t a b l e
e x c e p t i o n
w a s
P .
m i l i o i d e s
w h i c h h a d 3 1 o f i t s
c e l l
p r o f i l e
a r e a
i n
t h e
b u n d l e
s h e a t h ,
b u t
o n l y
1 2
o f
c e l l
n u m b e r s ,
b e c a u s e
BSC
p r o f i l e s
w e r e
much
l a r g e r
( 5 0 3
, u m 2 )
t h a n
MC
p r o f i l e s ( 1 4 6 , u m 2 )
( s e e F i g . 1 G ) .
I n
N .
m i n o r t h e
t r e n d
w a s
o p p o s i t e :
BSC
p r o f i l e
a r e a s
( i n n e r
s h e a t h ) a v e r a g e d
5 7
, u m 2
a n d
MC3 5 8
, t m 2 ( F i g .
1 J ) .
T h e
p e r c e n t a g e
o f c e l l
p r o f i l e
a r e a
i n
b u n d l e s h e a t h s
w a s
h i g h e r
i n
C 3 - C 4
t h a n
C 3
s p e c i e s
i n
M o r i c a n d i a ,
b u t
i n F l a v e r i a t h i s
w a s
t r u e
o n l y
f o r
F .
a n o m a l a .
N .
m i n o r h a d a
l o w e r
p e r c e n t a g e
o f c e l l
p r o f i l e
a r e a
i n
b u n d l e
s h e a t h s t h a n
N .
t e n u i f o l i a ,
b u t t h i s
i s
b e c a u s e
o f
t h e i n c l u s i o n
o f o u t e r s h e a t h s
w i t h MC
i n
N .
m i n o r .
I n
a d d i t i o n
t o
t h e
g r e a t e r
p a r t i t i o n i n g
o f
c e l l s
t o b u n d l e
s h e a t h s ,
c o n c e n t r a t i o n s
o f
o r g a n e l l e s , e s p e c i a l l y
m i t o c h o n d r i a
p l u s p e r o x i s o m e s ,
w e r e
g e n e r a l l y h i g h e r
i n BSC
o f
C 4
a n d
C 3 -
C 4
t h a n
i n C 3
s p e c i e s
( T a b l e I I ) .
T h e
m i t o c h o n d r i a l
p l u s
p e r o x i s o m a l
c o n c e n t r a t i o n
i n
BSC
o f
C 3 - C 4
M o r i c a n d i a
s p e -
c i e s w a s t w i c e , o r m o r e ,
t h a n
t h a t
i n
t h e
r e l a t e d
C 3
s p e c i e s .
T h e
l a r g e s t
c o n c e n t r a t i o n
o f
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w a s
i n
t h e
s m a l l ,
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N .
m i n o r
w h e r e c h l o r o p l a s t s
a n d
m i t o c h o n d r i a
p l u s
p e r o x i s o m e s
n u m b e r e d
7 7
a n d 2 8 0
O m - 2 x
1 0 - 3
c e l l
p r o f i l e
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T h e
BSC/MC
c o n c e n t r a t i o n
r a t i o s
w e r e
a l s o
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f o r
t h i s
s p e c i e s , b e i n g
3 . 1
a n d 2 0 . 0
f o r c h l o r o p l a s t s
a n d m i t o c h o n d r i a p l u s p e r o x i s o m e s ,
r e s p e c t i v e l y ( T a b l e
I I ) .
A n
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t h e
h i g h
c o n c e n t r a t i o n
o f
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i n BSC
o f
C 4
p l a n t s
w a s
t h e
c h l o r o p l a s t
v a l u e
o f 1 8
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x
1 0 - 3
r e c o r d e d
f o r P . m i l i a c e u m , a
c o n c e n t r a t i o n
s i m i l a r t o
t h a t o f
C 3
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a n d
F l a v e r i a
s p e c i e s
a n d
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i n
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o f
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m i t o c h o n d r i a
p l u s
p e r o x i s o m e s
w e r e
p r e s e n t
i n
BSC
o f P .
m i l i a c e u m
i n
t h e
s e c o n d
h i g h e s t
c o n c e n t r a t i o n
o f
a n y
s p e c i e s
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t h e c o n c e n t r a t i o n
i n
MC.
T h e t r e n d f o r c o n c e n t r a -
t i o n
o f
o r g a n e l l e s
i n
BSC
o f
C 3 - C 4
s p e c i e s
w a s
l e a s t
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f o r
c h l o r o p l a s t s
i n
M o r i c a n d i a
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o x i s o m e s
i n
F l a v e r i a , w h e r e
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BSC/MC
c o n c e n t r a t i o n r a t i o
w e r e n o t s i g n i f i c a n t l y h i g h e r
i n
some
C 3 - C 4
t h a n
C 3
s p e c i e s .
T h e
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b o t h
g r e a t e r
p e r c e n t a g e s
o f c e l l p r o f i l e
i n
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o f
C 3 - C 4
a n d
C 4
s p e c i e s
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g r e a t e r
c o n c e n -
t r a t i o n
o f
o r g a n e l l e s
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i n a
h i g h e r p e r c e n t a g e
o f
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t o
BSC
( T a b l e
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o f
c h l o r o p l a s t s
t o BSC
w a s
m a r g i n a l l y h i g h e r
f o r
C 3 - C 4
t h a n
C 3
s p e c i e s
i n M o r i c a n d i a
a n d F l a v e r i a
a n d
n o
g r e a t e r
i n
N e u -
1
5 4 5
www.plant.orgon March 8, 2014 - Published bywww.plantphysiol.orgDownloaded from
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4/8
B R O W N A ND
HATTERSLEY
A
.,
E A
F i g u r e 1 . L i g h t
m i c r o g r a p h s
o f
l e a f t r a n s v e r s e
s e c t i o n s o f
A ,
F .
a n o m a l a ;
B ,
F .
t r i n e r v i a ;
C ,
F .
b r o w n i i ;
D ,
F .
p r i n g l e i ;
E ,
M . f o l e y i ;
F ,
M .
s p i n o s a ;
G ,
P .
m i l i r i d e s ;
H ,
P .
m i l i a c e u m ; 1
N .
t e n u i f o l i a ;
J ,
N .
m i n o r ;
K ,
N .
m u n r o i . B a r
=
1 0 0
A m .
r a c h n e . H o w e v e r , f o r
P .
m i l i o i d e s ,
t h e C 4 - l i k e s p e c i e s F .
b r o w n i i ,
a n d
t h e t h r e e
C 4
s p e c i e s ,
t h e
p e r c e n t a g e
o f c h l o r o -
p l a s t s i n
BSC
w a s
a t
l e a s t
t h r e e
t i m e s
t h a t i n
t h e
C 3
s p e c i e s .
T h e p a r t i t i o n i n g
o f m i t o c h o n d r i a
p l u s
p e r o x i s o m e s t o
BSC
o f
C 3 - C 4 a n d C 4 s p e c i e s
w a s
e v e n
g r e a t e r
t h a n f o r
c h l o r o p l a s t s .
I n e a c h g e n u s , t h e
C 3 - C 4
s p e c i e s
p a r t i t i o n e d s i g n i f i c a n t l y
m o r e
m i t o c h o n d r i a p l u s p e r o x i s o m e s
t o
BSC
t h a n
i n
t h e
C 3 s p e c i e s .
I n P .
m i l i a c e u m
a n d
t h e
C 4 - l i k e
F .
b r o w n i i , h i g h e r
p e r c e n t a g e s
o f l e a f
m i t o c h o n d r i a
p l u s
p e r o x i s o m e s o c c u r r e d
i n
BSC t h a n
i n
t h e i r
C 3 - C 4
c o u n t e r p a r t s , b u t
f o r
F . t r i n e r v i a a n d
N .
m u n r o i
t h e p e r c e n t a g e s
w e r e s i m i l a r
t o
t h o s e o f
t h e
C 3 - C 4
s p e c i e s .
C O 2
C o m p e n s a t i o n
C o n c e n t r a t i o n
T h e
r v a l u e s v a r i e d f r o m
5 2 , u L
L - '
f o r
M.
m o r i c a n d i o i d e s
t o
z e r o
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F . t r i n e r v i a
( T a b l e
I I ) .
T h e r e
w a s
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i n
r
among
t h e
C 4
s p e c i e s
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N .
m i n o r
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v a l u e
o f
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4
M u L L - ' ,
w h i c h
w a s
s i g n i f i c a n t l y
h i g h e r
t h a n
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F . t r i n e r v i a .
T h e f o u r
g r o u p s
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C 3 - C 4
s p e c i e s
d i f f e r e d
w i t h N e u r a c h n e