Plant Physiol. 1982 Kimmerer 840 7

7/28/2019 Plant Physiol. 1982 Kimmerer 840 7

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P l a n t P h y s i o l . ( 1 9 8 2 ) 6 9 , 8 4 0 - 8 4 70 0 3 2 - 0 8 8 9 / 8 2 / 6 9 / 0 8 4 0 / 0 8 / $ 0 0 . 5 0 / 0

E t h y l e n e , E t h a n e , A c e t a l d e h y d e , a n d E t h a n o l P r o d u c t i o n ByP l a n t s u n d e r S t r e s s '

R e c e i v e d f o r p u b l i c a t i o n A u g u s t 1 2 , 1 9 8 1 a n d i n r e v i s e d f o r m D e c e m b e r 2 , 1 9 8 1THOMAS W. K I M M E R E R AND T H E O D O R E T . K O Z L O W S K ID e p a r t m e n t o f F o r e s t r y , U n i v e r s i t y o f W i s c o n s i n , M a d i s o n , W i s c o n s i n 5 3 7 0 6

A B S T R A C TR e d p i n e ( P i n u s r e s i n o s a A i t . ) a n d p a p e r b i r c h ( B e t u l a p a p y r a f e r a M a r s h . )s e e d l i n g s e x p o s e d t o s u l f u r d i o x i d e p r o d u c e d a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l ,

a n d e x h i b i t e d i n c r e a s e d p r o d u c t i o n o f e t h y l e n e a n d e t h a n e . G a s c h r o m a t o -g r a p h i c m e a s u r e m e n t o f h e a d s p a c e g a s f r o m i n c u b a t i o n t u b e s c o n t a i n i n gl e a v e s o r s e e d l i n g s w a s a s i m p l e m e t h o d o f s i m u l t a n e o u s l y m e a s u r i n g a l lf o u r c o m p o u n d s . I n c r e a s e d e t h y l e n e p r o d u c t i o n h a d t w o p h a s e s , a m o d e r a t ei n c r e a s e f r o m t h e gnnng o f t h e s t r e s s p e r i o d a n d a l a r g e i n c r e a s e j u s tp r i o r t o a p p e a r a n c e o f l e a f l e s i o n s . E t h a n e p r o d u c t i o n i n S O 2 - s t r e s s e dp l a n t s d i d n o t i n c r e a s e u n t i l l e s i o n s a p p e a r e d . A c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o lp r o d u c t i o n b e g a n w i t h i n 6 h o u r s a t 03 m i c r o l i t e r p e r l i t e r S O 2 a n d 2 4h o u r s a t 0 . 1 m i c r o l i t e r p e r l i t e r S O 2 a n d c o n t i n u e d t h r o u g h o u t a 6 - d a yf u m i g a t i o n . P r o d u c t i o n o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l c o n t i n u e d w h e n p l a n t sw e r e r e m o v e d t o c l e a n a i r f o r u p t o 2 d a y s . A h i g h e r c o n c e n t r a t i o n o f S O 2( 0 . 5 m i c r o l i t e r p e r l i t e r ) i n d u c e d a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l p r o d u c t i o nw i t h i n 2 h o u r s o f t h e s t a r t o f f u m i g a t i o n o f b i r c h a n d p i n e s e e d l i n g s . An u m b e r o f o t h e r s t r e s s e s , i n c l u d i n g w a t e r d e f i c i t , f r e e z i n g , a n d o z o n ee x p o s u r e i n d u c e d p r o d u c t i o n o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l . P r o d u c t i o n o ft h e s e c o m p o u n d s w a s n o t d u e t o h y p o x i a , a s t h e 0 2 p a r t i a l p r e s s u r e i n t h ei n c u b a t i o n v e s s e l s d i d n o t d e c l i n e . I n c r e a s i n g t h e 0 2 p a r t i a l p r e s s u r e t o3 0 0 m i i m e t e r s H g d i d n o t a f f e c t p r o d u c t i o n o f t h e s e c o m p o u n d s . P r o d u c -t i o n o f e t h y l e n e , a c e t a l d e h y d e , a n d e t h a n o l d e c l i n e d w h e n m o r e t h a n 8 0 %o f t h e l e a f a r e a b e c a m e n e c r o t i c , w h i l e e t h a n e p r o d u c t i o n w a s l i n e a r l yr e l a t e d t o t h e p e r c e n t a g e o f n e c r o s i s . A n u m b e r o f w o o d y a n d h e r b a c e o u sp l a n t s p e c i e s p r o d u c e d a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l i n r e s p o n s e t o f r e e z i n gs t r e s s , w h i l e o t h e r s d i d n o t . M e a s u r e m e n t o f t h e s e f o u r c o m p o u n d s s i m u l -t a n e o u s l y i n t h e g a s p h a s e may b e a v a l u a b l e m e t h o d f o r m o n i t o r i n g p l a n ts t r e s s , p a r t i c u l a r l y a i r p o l l u t i o n s t r e s s .

P r o d u c t i o n o f e t h y l e n e b y p l a n t s i n c r e a s e s a s a r e s u l t o f e n v i -r o n m e n t a l s t r e s s o r w o u n d i n g ( 1 6 , 1 7 ) , a n d m e a s u r e m e n t o f s t r e s se t h y l e n e c a n b e a u s e f u l i n d i c a t o r o f t h e o n s e t o f s t r e s s a n d / o r t h ed e g r e e o f s t r e s s w h i c h a p l a n t i s e x p e r i e n c i n g ( 1 4 , 1 6 ) . F o r e x a m p l e ,e t h y l e n e e v o l u t i o n b y o z o n e - s t r e s s e d p l a n t s w a s w e l l c o r r e l a t e dw i t h t h e o z o n e d o s e i n a l a r g e n u m b e r o f p l a n t s p e c i e s ( 1 4 ) . T h e r ea r e d i f f i c u l t i e s w i t h t h e u s e o f s t r e s s e t h y l e n e a s a d i a g n o s t i c t o o l ,h o w e v e r . E t h y l e n e i s p r o d u c e d b y u n s t r e s s e d p l a n t s , a n d t h ea m o u n t v a r i e s w i t h a g e o f t h e t i s s u e a n d w i t h e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ( 1 6 ) . When s t r e s s r e s u l t s i n d e a t h o f c e l l s , e t h y l e n ee v o l u t i o n d e c l i n e s . T h e r e f o r e , t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n s t r e s s a n de t h y l e n e e v o l u t i o n may b e p o o r ( 5 ) .P l a n t s u n d e r s t r e s s a l s o p r o d u c e e t h a n e , a n d u n l i k e e t h y l e n e ,t h e a m o u n t p r o d u c e d b y u n s t r e s s e d p l a n t s i s n o r m a l l y q u i t e l o w .E l s t n e r a n d K o n z e ( 5 ) f o u n d t h a t e t h a n e e v o l u t i o n b y f r e e z i n g -

' S u p p o r t e d b y t h e C o l l e g e o f A g r i c u l t u r a l a n d L i f e S c i e n c e s , U n i v e r s i t yo f W i s c o n s i n , M a d i s o n .

s t r e s s e d p l a n t s w a s l i n e a r l y c o r r e l a t e d w i t h t h e a m o u n t o f l e a fn e c r o s i s . O t h e r s t u d i e s i n d i c a t e d t h a t e t h a n e p r o d u c t i o n i s acommon r e s p o n s e t o w o u n d i n g ( 8 , 1 0 ) , a n d s i m u l t a n e o u s m e a -s u r e m e n t o f s t r e s s e t h y l e n e a n d e t h a n e may b e o f c o n s i d e r a b l eu s e i n e v a l u a t i n g p l a n t s t r e s s .E t h a n e e v o l u t i o n i s t h e r e s u l t o f f r e e - r a d i c a l - m e d i a t e d p e r o x i -d a t i o n o f m e m b r a n e l i n o l e n i c a c i d s a n d a p p a r e n t l y o c c u r s b e c a u s ef r e e - r a d i c a l s c a v e n g i n g m e c h a n i s m s a r e o v e r c o m e w h e n c e l l s a r ed e c o m p a r t m e n t e d ( 6 , 7 , 1 0 ) . B r e s s a n e t a l . ( 2 ) a n d P e i s e r a n d Y a n g( 1 2 ) r e p o r t e d t h a t e t h a n e i s e v o l v e d f r o m S 0 2 - s t r e s s e d p l a n t s . T h ep r o p o s e d m e c h a n i s m i s t h a t C h l - i n i t i a t e d o x i d a t i o n o f b i s u l f i t e b ya f r e e - r a d i c a l m e d i a t e d p r o c e s s r e s u l t s i n c o - o x i d a t i o n o f l i n o l e n -a t e ( 1 2 ) . W e i n v e s t i g a t e d t h e p r o d u c t i o n o f e t h y l e n e a n d e t h a n eb y w o o d y p l a n t s e x p o s e d t o S O 2 i n o r d e r t o d e t e r m i n e w h e t h e r( a ) m e a s u r e m e n t o f e t h y l e n e a n d e t h a n e c a n b e a u s e f u l m e t h o df o r o b j e c t i v e l y e v a l u a t i n g e n v i r o n m e n t a l s t r e s s ; a n d ( b ) w h e t h e re t h a n e p r o d u c t i o n i s t h e r e s u l t o f a s p e c i f i c S 0 2 - d r i v e n p r o c e s s , a ss u g g e s t e d b y P e i s e r a n d Y a n g ( 1 2 ) , o r t h e r e s u l t o f n e c r o s i s a n dd e c o m p a r t m e n t a t i o n o f c e l l s .D u r i n g g a s - c h r o m a t o g r a p h i c m e a s u r e m e n t o f e t h y l e n e a n de t h a n e p r o d u c t i o n b y w o o d y p l a n t s , w e f o u n d t h a t e t h a n o l a n da c e t a l d e h y d e w e r e p r o d u c e d b y s t r e s s e d p l a n t s i n a d d i t i o n t oe t h y l e n e a n d e t h a n e .E t h a n o l a n d a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o n i s u s u a l l y a s s o c i a t e d w i t ha n a e r o b i c p r o c e s s e s s u c h a s o c c u r i n f l o o d e d p l a n t s . U n d e r a e r o b i cc o n d i t i o n s , l i t t l e o r n o n e o f t h e s e g l y c o l y t i c m e t a b o l i t e s i s n o r m a l l yp r o d u c e d ( 4 ) . E t h a n o l a n d a c e t a l d e h y d e a r e a l s o p r o d u c e d b ys o m e f r u i t s , s u c h a s s t r a w b e r r i e s , a n d b y d e t e r i o r a t i n g s e e d s ( 1 1 ,1 5 ) . I n a l l o f t h e s e c a s e s , r e d u c e d 0 2 a v a i l a b i l i t y o r r e d u c e d 0 2t r a n s p o r t i s t h o u g h t t o i n h i b i t T CA e l e c t r o n t r a n s p o r t l e a d i n gu l t i m a t e l y t o f o r m a t i o n o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l ( 4 ) . O u re x p e r i m e n t s s h o w t h a t e t h a n o l p r o d u c t i o n b y p l a n t s u n d e r s t r e s sd o e s n o t r e q u i r e r e s t r i c t e d 0 2 a v a i l a b i l i t y .I n t h e p r e s e n t s t u d y , w e e x a m i n e d p r o d u c t i o n o f e t h y l e n e ,e t h a n e , a c e t a l d e h y d e , a n d e t h a n o l b y w o o d y p l a n t s e x p o s e d t oS 0 2 a n d w a t e r s t r e s s . F u r t h e r e x p e r i m e n t s e x a m i n e d t h e p r o d u c -t i o n o f t h e s e c o m p o u n d s a s a r e s u l t o f s e v e r a l k i n d s o f s t r e s s a n dw o u n d i n g i n a v a r i e t y o f w o o d y a n d h e r b a c e o u s p l a n t s .

MATERIALS A N D METHODSP l a n t M a t e r i a l . Woody p l a n t s w e r e g r o w n f r o m c o m m e r c i a l l ya v a i l a b l e s e e d i n a g r e e n h o u s e w i t h s u p p l e m e n t a l l i g h t i n g t o g i v ea 1 6 - h p h o t o p e r i o d . P a p e r b i r c h ( B e t u l a p a p y r i f e r a M a r s h . ) a n dr e d p i n e ( P i n u s r e s i n o s a A i t . ) s e e d s w e r e g e r m i n a t e d i n 3 : 2 : 1 p e a t :P e r l i t e : v e r m i c u l i t e , a n d s e e d l i n g s w e r e t r a n s p l a n t e d 2 t o 4 w e e k sa f t e r g e r m i n a t i o n i n t o t h e s a m e s o i l m i x i n 1 0 - c m p o t s . S e e d s o fo t h e r w o o d y p l a n t s w e r e g e r m i n a t e d i n p e a t m o s s a n d t r a n s p l a n t e di n t o 3 : 2 l o a m : s a n d i n 3 0 - c m p o t s . P l a n t s w e r e w a t e r e d d a i l y a n df e r t i l i z e d w e e k l y w i t h H y p o n e x . H e r b a c e o u s p l a n t s w e r e g r o w n i nv a r i o u s s o i l m i x e s i n t h e g r e e n h o u s e u n d e r c o n t i n u o u s l i g h t i n g .S O 2 S t r e s s . P l a n t s w e r e t r a n s f e r r e d t o f u m i g a t i o n c h a m b e r s o ft h e U n i v e r s i t y o f W i s c o n s i n B i o t r o n t h e n i g h t b e f o r e f u m i g a t i o n .8 4 0


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VOLATILE H Y D R O C A R B O N PRODUCTION B Y STRESSED PLAN TSE n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s i n t h e c h a m b e r s w e r e : p h o t o p e r i o d , 1 6h b e g i n n i n g a t 0 5 0 0 h ; q u a n t u m f l u x d e n s i t y , m e a s u r e d w i t h aL a m b d a Q u a n t a m e t e r ( L i - C o r , I n c . ) , 3 5 0 2 5 , u E m - 2 s - 1 ( P A R )a t t h e t o p o f t h e p o t s f o r m t w o 4 0 0 - w H I D 2 l a m p s a n d f i v e 2 5 - wi n c a n d e s c e n t l a m p s ; 2 5 C d a y / 1 5 C n i g h t t e m p e r a t u r e ; a n d 7 0 5 % R H . S 0 2 w a s p r o v i d e d f r o m t a n k s o f 3 , 0 0 0 , u l I ` S O 2 i n N 2 ,a n d t h e S O 2 c o n c e n t r a t i o n w a s m o n i t o r e d w i t h c a l i b r a t e d T h e r m oE l e c t r o n ( T h e r m o E l e c t r o n C o r p . , H o p k i n s o n , M A ) p u l s e d f l u -o r e s c e n t S O 2 a n a l y z e r s . T h e f u m i g a t i o n c h a m b e r s a n d e n v i r o n -m e n t a l m o n i t o r i n g m e t h o d s h a v e b e e n d e s c r i b e d p r e v i o u s l y ( 9 ) .O t h e r S t r e s s e s . F r e e z i n g s t r e s s w a s i m p o s e d b y t o u c h i n g a 6 -mm d i a m e t e r s t a i n l e s s s t e e l r o d t o t h e l e a v e s a f t e r i t w a s i m m e r s e di n l i q u i d N 2 ( 5 ) . T h e p e r c e n t a g e o f l e a f a r e a k i l l e d w a s d e t e r m i n e df r o m t h e n u m b e r o f t i m e s t h e r o d w a s t o u c h e d t o t h e l e a f a n d t h el e a f a r e a , m e a s u r e d w i t h a L i - C o r m o d e l 3 1 0 0 L e a f A r e a M e t e r .Wounded l e a v e s w e r e s l i c e d w i t h a r a z o r b l a d e b e t w e e n e a c hl a t e r a l v e i n f r o m t h e m i d r i b t o t h e m a r g i n . C r u s h i n g i n j u r y w a so b t a i n e d b y c o m p r e s s i o n o f t h e l e a f m e s o p h y l l w i t h t h e s t e e l r o d .W a t e r d e f i c i t w a s i n d u c e d b y H 2 0 w i t h h o l d i n g . W a t e r p o t e n t i a l( N b ) w a s m e a s u r e d w i t h a p r e s s u r e bomb o n l e a v e s j u s t a b o v e a n db e l o w t h o s e s a m p l e d f o r g a s m e a s u r e m e n t , a n d t h e w a t e r p o t e n t i a lo f t h e s a m p l e l e a v e s w a s t a k e n t o b e t h e mean o f t h o s e m e a s u r e -m e n t s . H y p o x i a w a s i n d u c e d b y f l u s h i n g t h e f l a s k s w i t h 95% N 2 ,5 % C O 2 .

I n c u b a t i o n o f L e a v e s f o r G a s A n a l y s i s . L e a v e s o f a n g i o s p e r m o u sp l a n t s w e r e r e m o v e d f r o m t h e s t e m a n d t h e p e t i o l e w a s c u t - o f f .T h e l e a v e s w e r e g e n t l y r o l l e d a n d p l a c e d i n 1 4 - m l t e s t t u b e sc o n t a i n i n g 0 . 1 m l H 2 0 . T h e t u b e s w e r e s e a l e d w i t h s i l i c o n e r u b b e rs e r u m s t o p p e r s w h i c h h a d b e e n w r a p p e d i n a s i n g l e l a y e r o f S a r a nW r a p , a n d w e r e i n c u b a t e d f o r 4 o r 8 h i n a w a t e r b a t h a t 2 5 0 Cu n d e r a n HID l a m p w i t h a q u a n t u m f l u x d e n s i t y ( P A R ) o f 3 5 0, u E m - 2 s - 1 . I n s o m e e x p e r i m e n t s , l e a v e s w e r e p l a c e d i n 6 0 - m lm o d i f i e d s e p a r a t o r y f u n n e l s a n d i n c u b a t e d i n t h e w a t e r b a t h . T h ef u n n e l s w e r e m o d i f i e d t o a c c e p t a s e r u m s t o p p e r j u s t b e l o w t h eg l a s s s t o p c o c k a n d a B e c k m a n p o l a r o g r a p h i c O 2 e l e c t r o d e a t t h eo t h e r e n d . T h e e l e c t r o d e w a s s e a l e d i n t h e f u n n e l w i t h A p i e z o n Q( A m e r i c a n S c i e n t i f i c P r o d u c t s , McGaw P a r k , I L ) a n d w r a p p e dw i t h s e v e r a l l a y e r s o f P a r a f i l m . T h e A p i e z o n Q wa s a c i d w a s h e dt o r e m o v e t r a c e s o f a c e t i c a c i d a n d e t h a n o l . O n e - m l s a m p l e s o fh e a d s p a c e g a s i n t h e t u b e s a n d f u n n e l s w e r e t a k e n b y i n j e c t i n g 1m l a i r t h r o u g h t h e s t o p p e r a n d w i t h d r a w i n g 1 m l h e a d s p a c e g a sw i t h a t u b e r c u l i n s y r i n g e a n d 2 6 - g a u g e n e e d l e . T h e n e e d l e wa sp u s h e d i n t o a r u bb e r s t o p p e r t o p r e v e n t l e a k a g e d u r i n g t r a n s p o r tt o t h e g a s c h r o m a t o g r a p h . L e a k a g e r a t e s f r o m t h e t u b e s , f u n n e l s ,a n d s y r i n g e s w e r e n o t s i g n i f i c a n t o v e r t h e t i m e c o u r s e o f o u re x p e r i m e n t s , a l t h o u g h l o w c o n c e n t r a t i o n s o f e t h a n e may b es l i g h t l y u n d e r e s t i m a t e d .I n e x p e r i m e n t s w i t h p i n e s e e d l i n g s , t h e e n t i r e s h o o t w a s i n c u -b a t e d . T h e s e e d l i n g w a s e x c i s e d j u s t a b o v e t h e c o t y l e d o n s a n dp l a c e d i n a 1 4 - m l t u b e ( s m a l l s e e d l i n g s ) o r a 2 5 - m l t u b e ( l a r g e rs e e d l i n g s ) . I n c u b a t i o n c o n d i t i o n s w e r e a s d e s c r i b e d a b o v e .G a s C h r o m a t o g r a p h y . O n e - m l s a m p l e s o f h e a d s p a c e g a s w e r ei n j e c t e d o n t o a 1 8 3 x 0 . 3 2 cm s t a i n l e s s s t e e l c h r o m a t o g r a p h yc o l u m n c o n t a i n i n g 8 0 / 1 0 0 P o r a p a k Q i n a H e w l e t t - P a c k a r d g a sc h r o m a t o g r a p h . T h e c o l u m n o v e n w a s a t 9 0 0 C , a n d t h e c a r r i e rg a s ( N 2) f l o w w a s 3 8 m l m i n - ' . P e a k s w e r e d e t e c t e d b y i o n i z a t i o ni n a H 2 f l a m e , a n d w e r e i d e n t i f i e d b y c o e l u t i o n w i t h a u t h e n t i cc o m p o u n d s o n c o l u m n s o f P o r a p a k N , P o r a p a k Q , a n d A p i e z o nL o n C h r o m o s o r b W- H P ( A n s p e c C o . , A nn A r b o r , M I ) . V e r i f i -c a t i o n w a s o b t a i n e d b y GC-MS.H y d r o c a r b o n p r o d u c t i o n b y t h e p l a n t s w a s c a l c u l a t e d a s

2 A b b r e v i a t i o n s : HID, h i g h - i n t e n s i t y d i s c h a r g e ; A D H , a l c o h o l d e h y d r o -g en a se; p 2 , oxygen p a r t i a l pressure.

P r o d u c t i o n =GC R e s p o n s e x C a l i b r a t i o n F a c t o r x ( T u b e V o l u m e + 1 )

D r y W e i g h t o f P l a n t M a t e r i a lw h e r e t h e c o r r e c t i o n f a c t o r w a s d e t e r m i n e d f r o m s t a n d a r d c u r v e sf o r e a c h g a s . S t a n d a r d c u r v e s w e r e p r e p a r e d b y s e r i a l d i l u t i o n i nH 20 o f f r e s h l y d i s t i l l e d a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l . O n e - , u l a l i q u o t so f s t a n d a r d s w e r e i n j e c t e d w i t h i n 1 5 m i n o f d i l u t i o n t o a v o i do x i d a t i o n o f t h e a c e t a l d e h y d e . T h e s e s t a n d a r d c u r v e s w e r e u s e dt o d e t e r m i n e p a r t i t i o n c o e f f i c i e n t s o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o lb e t w e e n H 20 a n d a i r , a n d s u b s e q u e n t s t a n d a r d c u r v e s w e r ep r e p a r e d b y i n j e c t i n g 1 - m l s a m p l e s o f h e a d s p a c e g a s o v e r f r e s h l yp r e p a r e d s t a n d a r d s i n w a t e r . E t h y l e n e a n d e t h a n e s t a n d a r d c u r v e sw e r e p r e p a r e d b y s e r i a l d i l u t i o n o f 1 , 0 0 0 p l 1 - 1 s t o c k g a s e s u s i n gg a s - t i g h t s y r i n g e s .D e t a i l s o f e a c h e x p e r i m e n t a r e g i v e n i n t h e l e g e n d s t o f i g u r e sa n d t a b l e s .

RESULTSP r o d u c t i o n o f V o l a t i l e H y d r o c a r b o n s b y S 0 2 - S t r e s s e d P i n e .Red p i n e s e e d l i n g s e x p o s e d t o S O 2 p r o d u c e d f o u r m a j o r v o l a t i l ec o m p o u n d s ( F i g . I A , p e a k s 2 , 3 , 6 , a n d 7 ) w h i c h w e r e i d e n t i f i e d

b y M S a s e t h y l e n e , e t h a n e , a c e t a l d e h y d e , a n d e t h a n o l , r e s p e c -t i v e l y . I n c o n t r a s t , S 0 2 - f u m i g a t e d p e a s ( P i s u m s a t i v u m L . ) p r o -d u c e d e t h y l e n e a n d e t h a n e i n r e s p o n s e t o S O 2 s t r e s s ( F i g . I C ) ,w i t h o n l y t r a c e s o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l b e i n g p r o d u c e d b ys e v e r e l y s t r e s s e d p l a n t s .F i g u r e 2 s h o w s r e s u l t s o f a t y p i c a l f u m i g a t i o n o f r e d p i n es e e d l i n g s w i t h S O 2 . A t 0 . 1 , u l I S O 2 , i n c r e a s e s i n e t h y l e n ep r o d u c t i o n w e r e s m a l l a n d n o n s i g n i f i c a n t , a n d t h e r e wa s noi n c r e a s e i n e t h a n e p r o d u c t i o n . A h i g h e r c o n c e n t r a t i o n o f S O 2r e s u l t e d i n i n c r e a s e d e t h y l e n e p r o d u c t i o n w i t h i n 6 h o f t h e s t a r t o ft h e e x p e r i m e n t , a n d t h i s i n c r e a s e d p r o d u c t i o n h a d two p h a s e s , am o d e r a t e i n c r e a s e f r o m t h e b e g i n n i n g o f t h e s t r e s s p e r i o d a n d am a r k e d i n c r e a s e j u s t p r i o r t o t h e a p p e a r a n c e o f v i s i b l e l e a f l e s i o n s .I n c o n t r a s t , t h e r e w a s n o i n c r e a s e i n e t h a n e p r o d u c t i o n u n t i l a f t e r

F I G . 1 . G a s c h r o m a t o g r a m s o f l o w - m o l - w t h y d r o c a r b o n s on P o r a p a kQ . A , H e a d s p a c e g a s f r o m a 4 - h i n c u b a t i o n o f S O 2 - s t r e s s e d r e d p i n es e e d l i n g i n a 6 0 - m l f l a s k ; B , h e a d s p a c e g a s o v e r a s t a n d a r d s o l u t i o n o fa c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l i n H 2 0 ; C , h e a d s p a c e g a s f r o m a 8 - h i n c u b a t i o no f S 0 2 - s t r e s s e d p e a s ( P i s u m s a t i v u m L . ) i n a 6 0 - r r l f l a s k . P e a k s a r e : 1 , a i rp e a k ( p r o b a b l y m e t h a n e ) ; 2 , e t h y l e n e ; 3 , e t h a n e ; 4 , u n k n o w n a i r contam-i n a n t ; 5 , u n k n o w n ; 6 , a c e t a l d e h y d e ; 7 , e t h a n o l .

8 4 1


3/8

KIMMERER AND KOZLOW SKI

2 0 X

E

0 .

2 . 0 E1 . S *-* . 3 j . & 1 ~ S O 9 2*U . 1 P & I 'S2/4 . 0

0 .

o i

0 0 2 3 4 5 6T i m e , d a y sF I G . 2 . E f f e c t o f e x p o s u r e t o S 0 2 o n p r o d u c t i o n o f e t h a n o l , a c e t a l d e -h y d e , e t h y l e n e , a n d e t h a n e b y 6 - m o n t h - o l d r e d p i n e s e e d l i n g s . P l a n t s w e r ef u m i g a t e d c o n t i n u o u s l y f r o m 0 9 0 0 o n d a y 0 t o 1 4 0 0 o n d a y 6 . P l a n t s w e r eh a r v e s t e d a t 0 9 0 0 a n d 1 5 0 0 o n d a y 0 a n d 0 9 0 0 e a c h s u b s e q u e n t d a y . E a c h

p o i n t i s t h e m e a n o f t w o a s s a y s o n t h r e e p l a n t s i n t w o r e p l i c a t e e x p e r i m e n t s( n = 1 2 ) . A r r o w s , f i r s t a p p e a r a n c e o f v i s i b l e l e s i o n s . D o t t e d l i n e s s h o wp r o d u c t i o n o f g a s e s f r o m p l a n t s r e m o v e d f r o m t h e f u m i g a t i o n c h a m b e r st o c l e a n a i r . S t a n d a r d e r r o r s w e r e - l I 0 o o f t h e m e a n , e x c e p t e t h a n o l a n da c e t a l d e h y d e a t 0 . 3 p 1 1 ` S 0 2 , w h e r e S E w a s u p t o 2 0 % o o f t h e m e a n .U n f u m i g a t e d c o n t r o l p l a n t s w e r e h a r v e s t e d a t e a c h s a m p l i n g p e r i o d . Meanp r o d u c t i o n o f g a s e s b y c o n t r o l p l a n t s w a s : e t h a n o l , 0 ; a c e t a l d e h y d e , 0 ;e t h y l e n e , 0 . 8 0 ; e t h a n e , 0 . 0 9 n m o l / g d r y w e i g h t .v i s i b l e i n j u r y a p p e a r e d . E t h a n o l a n d a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o nb e g a n i n t h e h i g h - s t r e s s p l a n t s w i t h i n 6 h o f t h e s t a r t o f f u m i g a t i o na n d r e a c h e d a p e a k w i t h i n 2 4 h . A t t h e l o w e r S 0 2 c o n c e n t r a t i o n ,t r a c e s o f a c e t a l d e h y d e w e r e d e t e c t a b l e b y 2 4 h a f t e r t h e s t a r t o ff u m i g a t i o n a n d t h e amount c o n t i n u e d t o i n c r e a s e t h r o u g h o u t t h es t r e s s p e r i o d , w h i le e t h a n o l p r o d u c t i o n p e a k e d o n t h e 3 r d d a n dr e m a i n e d c o n s t a n t t h e r e a f t e r .R e m o v a l o f t h e p l a n t s f r o m t h e f u m i g a t i o n c h a m b e r i n t o c l e a na i r ( F i g . 2 , d a s h e d l i n e s ) d i d n o t e l i m i n a t e p r o d u c t i o n o f a c e t a l -d e h y d e o r e t h a n o l , b u t t h e r e wa s an a p p r o x i m a t e l y l i n e a r d e c r e a s ei n t h e i r p r o d u c t i o n o v e r 2 d . P l a n t s e x p o s e d t o 0 . 3 , u l I 1 S 0 2 f o r3 d , t h e n r e m o v e d t o c l e a n a i r , c o n t i n u e d t o p r o d u c e e l e v a t e dl e v e l s o f e t h y l e n e , b u t t h e r e wa s n o t a s h a r p i n c r e a s e , a n d nol e s i o n s f o r m e d b y t h e e n d o f t h e e x p e r i m e n t ( F i g . 2 ) .F u m i g a t i o n o f p i n e a n d b i r c h s e e d l i n g s w i t h h i g h e r c o n c e n t r a -t i o n s o f S 0 2 f o r s h o r t e r p e r i o d s c a u s e d s i m i l a r c h a n g e s ( F i g . 3 ) ,e x c e p t t h a t : ( a ) t h e o n s e t o f e t h a n o l a n d a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o nw a s more r a p i d ; ( b ) t h e r e w a s no i n c r e a s e i n e t h a n e a n d no v i s i b l el e s i o n s f o r m e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e e x p e r i m e n t ; a n d ( c )i n c r e a s e d e t h y l e n e p r o d u c t i o n i n b i r c h p r e c e d e d p r o d u c t i o n o f

9 0 -60 -3 0 -9-6 -3 - 1

a : 0 1O 2 0 0 -0

z0 10 -C Xo _0000 -X - 5 0z0mO 00 -00

1 0 0 _

5 0 _

00 2 4 6 8 1 0

T I M E , H OURSF I G . 3 . E f f e c t o f exposure t o 0 . 5 I L r ` ' S 0 2 on p r o d u c t i o n o f e t h a n o l ,a c e t a l d e h y d e , e t h y l e n e , a n d e t h a n e b y 6 - m o n t h - o l d r e d p i n e a n d f u l l ye x p a n d e d l e a v e s o f 4 - m o n t h - o l d p a p e r b i r c h s e e d l i n g s . P l a n t s were f u m i -

g a t e d b e g i n n i n g a t t i m e 0 . T h e r e we r e no v i s i b l e l e s i o n s b y t h e e n d o f t h ee x p e r i m e n t . E a c h p o i n t i s t h e mean o f two a ssa ys on t wo p l a n t s o f e a c hs p e c i e s i n two r e p l i c a t e e x p e r i m e n t s ( n = 8 ) . S t a n d a r d errors were 1 0 % l oo f t h e m e a n . U n f u m i g a t e d c o n t r o l s p r o d u c e d no a c e t a l d e h y d e or e t h a n o l .E t h a n e p r o d u c t i o n was n o t i n c r e a s e d b y f u m i g a t i o n a b o v e t h e c o n t r o lm e a n s o f 0 . 0 8 a n d 0 . 0 4 n m o l / g d r y w e i g h t f o r p i n e a n d b i r c h , r e s p e c t i v e l y .a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l , w h i l e i n p i n e t h e y i n c r e a s e d s i m u l t a -n e o u s l y as i n t h e e x p e r i m e n t o f F i g u r e 2 . S e v e r a l o t h e r d i f f e r e n c e swere o b s e r v e d b e t w e e n t h e responses o f b i r c h a n d p i n e s e e d l i n g st o S 0 2 . T h e i n c r e a s e i n e t h y l e n e p r o d u c t i o n was much g r e a t e r i nb i r c h t h a n i n p i n e , a n d t h i s may r e f l e c t t h e s l i g h t l y g r e a t e rs e n s i t i v i t y o f t h e b i r c h s e e d l i n g s t o S 0 2 . P r o d u c t i o n o f e t h a n o l b yb i r c h s e e d l i n g s wa s q u i t e l o w w h i l e a c e t a l d e h yd e a c c u m u l a t i o nwas much g r e a t e r i n b i r c h t h a n i n p i n e . T h i s may b e d u e t o g r e a t e rADH a c t i v i t y i n p i n e t h a n i n b i r c h ( T . W. K i m m e r e r a n d T . T .K o z l o w s k i , m a n u s c r i p t i n p r e p a r a t i o n ) . T h e amou n t s o f v o l a t i l eh y d r o c a r b o n s p r o d u c e d a n d t h e re spo nse t o S 0 2 s t r e s s v a r i e d w i t hage o f t h e s e e d l i n g a n d a ge o f t h e i n d i v i du a l l e a v e s ( T . W.Kimmerer a n d T . T . K o z l o w s k i , m a n u s c r i p t i n p r e p a r a t i o n ) .O t h e r S t r e s s e s . A number o f o t h e r s t r e s s e s a n d i n j u r i e s i n d u c e dp r o d u c t i o n o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l , w h i l e o t h e r s i n c r e a s e de t h y l e n e a n d e t h a n e p r o d u c t i o n w i t h o u t c a u s i n g p r o du c t i o n o fa c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l ( T a b l e I ) . Most o f t h e s e s t r e s s e s a n di n j u r i e s r e s u l t e d i n f o r m a t i o n o f n e c r o t i c l e s i o n s , a n d t h e s e w e r ea c c o m p a n i e d b y i n c r e a s e s i n t h e a m o u n t o f e t h a n e p r o d u c e d .

I t I ITe -*BIRCH+S2 AO-OPINE + S 2

* - 4 B I R C H CONTROLoo-PINE CONTR11H

=~ ~ ~ ~ ~ p

B

I ~ ~ ~ ~-~~~. *1~ICI I

lzIf

- 1 I

| ^A--dk.-

8 4 2 P l a n t P h y s i o l . V o l . 6 9 , 1 9 8 2


4/8

VOLATILE HYDROCARBON PRODUCTION BY S T R E S S E D PLANTST a b l e I . E f f e c t s o f V a r i o u s S t r e s s e s a n d I n j u r i e s o n V o l a t i l e H y d r o c a r b o n P r o d u c t i o n b y 4 - M o n t h - O l d B i r c h a n d

P i n e S e e d l i n g sW o u n d i n g a n d f r e e z i n g i n j u r y k i l l e d 5 0 % o o f t h e l e a f . T h e r e w a s n o v i s i b l e i n j u r y i n t h e o z on e - s t r e s se d p l a n t s

o r i n w a t e r - s t r e s s e d p l a n t s a t - 1 . 3 M P a . A t - 2 . 5 M P a , l e a v e s w e r e s e v e r e l y w i l t e d a n d s l i g h t l y n e c r o t i c . D a t a a r emean + S E . Number o f r e p l i c a t e s i s g i v e n i n p a r e n t h e s e s .

T y p e o f S t r e s s or I n j u r y S p e c i e s Ethanol A c e t a l d e - E t h y l e n e E t h a n eype ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ h y d en m o l / g d r y w tC o n t r o l P i n e 0 0 0 . 8 4 0 . 2 7 0 . 0 2 0 . 0 1 ( 6 )

C o n t r o l B i r c h 0 0 0 . 8 0 0 . 2 4 0 . 0 9 0 . 0 1 ( 9 )H y p o x i a , P O 2 5 mm H g P i n e 2 7 5 + 3 2 1 8 1 0 . 4 6 0 . 0 6 0 . 3 8 + 0 . 0 4 ( 5 )H y p o x i a , P 0 2 = 2 5 mm H g P i n e 0 0 0 . 3 0 0 . 0 2 0 . 1 6 0 . 0 2 ( 5 )W a t e r d e f i c i t , 4 = - 1 . 3 M Pa B i r c h 0 0 1 . 1 0 + 0 . 1 2 0 . 0 5 + 0 . 0 1 ( 6 )W a t e r d e f i c i t , 4 = - 2 . 5 M Pa B i r c h 2 9 6 + 1 3 6 3 3 7 + 5 7 1 0 . 2 6 1 . 3 1 0 . 1 2 + 0 . 0 4 ( 4 )Wounded b y s l i c i n g B i r c h 0 0 4 . 3 6 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 0 1 ( 4 )Wounded b y c r u s h i n g B i r c h 1 2 + 6 1 8 + 2 4 . 6 5 + 0 . 1 9 0 . 1 7 0 . 0 3 ( 4 )F r e e z i n g B i r c h 3 7 + 1 6 4 4 2 . 3 7 0 . 6 4 0 . 3 5 + 0 . 0 1 ( 4 )S e n e s c e n c e B i r c h 0 0 1 . 2 1 0 . 2 4 0 . 0 7 + 0 . 0 1 ( 6 )O z o n e ( 0 . 0 5 , l 1 I - ' x I h ) B i r c h 1 2 7 + 5 5 5 8 6 6 2 1 5 . 4 6 + 1 . 2 0 0 . 0 8 0 . 0 1 ( 8 )

1 0 0E= 80ExE600o 40

O0C. )D O,/ -

5 - 1 . 0 -1.5 -2.0 - 2 . 5 -3.0WATER POTENTIAL, MPa

F I G . 4 . H y d r o c a r b o n p r o d u c t i o n b y l e a v e s o f 4 - m o n t h - o l d b i r c h s e e d-l i n g s a t v a r i o u s w a t e r p o t e n t i a l s . P l a n t s we r e d r o u g h t s t r e s s e d b y w i t h -h o l d i n g w a t e r . E a c h p o i n t r e p r e s e n t s t h e mean o f two ga s measurementson two a d j a c e n t f u l l y e x p a n d e d l e a v e s o f a s i n g l e p l a n t . M a x i m u mp r o d u c t i o n f o r e t h y l e n e , e t h a n e , a c e t a l d e h y d e , a n d e t h a n o l was 1 6 , 0 . 4 2 ,3 0 7 , a n d 2 0 8 n m o l / g d r y w e i g h t , r e s p e c t i v e l y .W a t e r d e f i c i t r e s u l t e d i n p r o d u c t i o n o f l a r g e amounts o f a c e t a l -d e h y d e a n d e t h a n o l , b u t n o t u n t i l l e a f was q u i t e l o w , and t h el e a v e s were s e v e r e l y w i l t e d ( T a b l e I ; F i g . 4 ) . W i t h w a t e r s t r e s s , i nc o n t r a s t t o S O 2 s t r e s s , a c e t a l d e h y d e and e t h a n o l p r o d u c t i o n oc -c u r r e d a f t e r a l a r g e i n c r e a s e i n e t h y l e n e p r o d u c t i o n and j u s tp r e c e d e d t h e i n c r e a s e i n e t h a n e p r o d u c t i o n a n d t h e o n s e t o f v i s i b l el e s i o n s ( F i g . 4 ) . The p l a n t s w i l t e d a t a l e a f ' P o f a b o u t - 1 . 4 MPa,w h i c h i s a l s o t h e p o i n t a t w h i c h t h e l a r g e i n c r e a s e i n e t h y l e n ep r o d u c t i o n was o b s e r v e d . N o t e t h a t , a l t h o u g h e t h a n o l p r o d u c t i o nd e c l i n e d a t very l o w w a t e r p o t e n t i a l s , a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o nc o n t i n u e d t o i n c r e a s e .I n j u r y a n d V o l a t i l e P r o d u c t i o n . I n s e v e r a l e x p e r i m e n t s , e t h a n o lp r o d u c t i o n d e c l i n e d when i n j u r y was very s e v e r e , w h i l e e t h a n ep r o d u c t i o n c o n t i n u e d t o i n c r e a s e . T o e x a m i n e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n i n j u r y a n d ga s p r o d u c t i o n , we c o m p a r e d p r o d u c t i o n o fv o l a t i l e s w i t h p e r c e n t a g e o f l e a f i n j u r y i n b i r c h s e e d l i n g s s t r e s s e dw i t h 0 . 5 I A I 1 ` S O 2 ( F i g . 5 ) . P r o d u c t i o n o f a l l f o u r gases wasa p p r o x i m a t e l y l i n e a r l y r e l a t e d t o t h e p e r c e n t a g e o f i n j u r y u p t oa b o u t 8 0 % Y o , b e y o n d w h i c h p r o d u c t i o n o f a l l gases e x c e p t e t h a n ed e c l i n e d . I n t h i s e x p e r i m e n t , o n l y a f e w l e a v e s w i t h o u t i n j u r y we rea n a l y z e d . A s shown i n F i g u r e 2 , m a x i m a l p r o d u c t i o n o f a c e t a l -d e h y d e a n d e t h a n o l may occur i n t h e a b s e n c e o f v i s i b l e l e s i o n s .

c r 6a - 8 Cz04040I 20

ETHYLENE X10 ~~~~000

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p -ETHANOL

.

0 0

* *000* .@0

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ETHANE 0*_0

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0 .

0 00

*0 ,,0 0 0o 20 40 60 80 000 20 40 60 80 100% INJURY

F I G . 5 . R e l a t i o n s h i p b e t w e e n p e r c e n t a g e o f i n j u r y ( n e c r o s i s ) a n d ga sp r o d u c t i o n as p e r c e n t a g e o f maximu m i n f u l l y e x p a n d e d l e a v e s o f 4 -m o n t h - o l d p a p e r b i r c h s e e d l i n g s f u m i ga t e d w i t h a n a c u t e d o s e o f S O 2 ( 0 . 5. u l I ' f o r 8 h ) . I n j u r y wa s e s t i m a t e d v i s u a l l y a f t e r i n c u b a t i o n o f t i s s u e f o rg a s a n a l y s i s . E a c h p o i n t r e p r e s e n t s t h e mean o f t wo ga s measurements oni n d i v i d u a l l e a v e s i n c u b a t e d i n 1 4 - m l t u b e s .T h u s , a t a l o w e r S O 2 c o n c e n t r a t i o n t h a n u s e d i n t h e e x p e r i m e n to f F i g u r e 5 , t h e r e w o u l d b e n o l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i n j u r ya n d t h e p r o d u c t i o n o f t h e s e two g a s e s .

O x y g e n C o n c e n t r a t i o n E f f e c t s . I n u n s t r e s s e d p i n e s e e d l i n g s , n oe t h a n o l or a c e t a l d e h y d e was p r o d u c e d . When s e e d l i n g s we ree x p o s e d t o h y p o x i c c o n d i t i o n s , t h e s e c o m p o u n d s we re p r o d u c e do n l y when t h e P 0 2 was l e s s t h a n 1 0 mmH g ( T a b l e I ) . A n a l y s i s o ft h e 02 t e n s i o n s i n s e p a r a t o r y f u n n e l s c o n t a i n i n g s t r e s s e d s e e d l i n g ss h o w e d t h a t a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l we re p r o d u c e d i n t h epresence o f n o r m a l a m b i e n t 0 2 t e n s i o n s . Some r e p r e s e n t a t i v e P 0 2d a t a ar e shown i n T a b l e II. I n most c a s e s , t h e P 0 2 c h a n g e d o n l ys l i g h t l y w i t h up t o 2 4 h i n c u b a t i o n i n t h e l i g h t , w i t h a g r a d u a ld e c l i n e i n 02 t e n s i o n i n t h e d a r k . S e v e r e l y i n j u r e d s e e d l i n g ss h o w e d a n e t u p t a k e o f 02, w i t h t h e P 0 2 g r a d u a l l y d e c l i n i n g .I n c r e a s i n g t h e 02 t e n s i o n t o 3 0 0 mmH g b y f l u s h i n g f l a s k s w i t h02 d i d n o t a l t e r a c e t a l d e h y d e a nd e t h a n o l p r o d u c t i o n o f S 0 2 -

8 4 3

n0 v a . I .


5/8

KIMMERER AND KOZLOWSKIT a b l e I I . Some R e p r e s e n t a t i v e 0 2 T e n s i o n D a t a f r o m S e v e r a l E x p e r i m e n t sA f t e r 8 h i n c u b a t i o n , s a m p l e s w e r e t a k e n f o r e t h a n o l a n d a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o n . I n c u b a t i o n t i m e i s t h e t o t a lt i m e o v e r w h i c h t h e P 0 2 w a s m e a s u r e d . S 0 2 - s t r e s s e d p l a n t s w e r e f u m i g a t e d f o r 8 h w i t h 0 . 5 , u l 1 - 1 S 0 2 p r i o r t oi n c u b a t i o n . I n j u r y w a s a s s e s s e d v i s u a l l y a t t h e e n d o f t h e i n c u b a t i o n p e r i o d .

A c e t a l d e - T i m e o fS t r e s s L / D a E t h a n o l PIncuba-n i t i a l P O 2 F i n a p O 2 I n j u r yt i o nn m o l / g d r y w t h mm H gNone L 0 0 2 4 1 6 0 1 5 8 NoneNone D 0 0 2 4 1 5 5 1 4 8 NoneS 0 2 L 2 4 5 3 2 2 4 1 6 0 1 6 0 N o n eS O 2 L 1 4 6 1 9 2 4 1 5 8 1 6 0 S l i g h tS O 2 L 1 3 0 1 0 2 4 1 6 0 1 5 2 M o d e r a t eS O 2 L 1 0 2 5 2 4 1 6 0 1 4 0 S e v e r eS O 2 D 0 0 2 4 1 6 0 1 2 0 S e v e r eF r e e z i n g L 1 1 2 2 8 1 2 1 6 2 1 3 5 S e v e r eF r e e z i n g D 5 0 1 2 1 5 8 9 7 S e v e r eN o n e L 0 0 1 2 3 0 0 2 6 0 N o n eS O 2 L 2 6 7 3 8 1 2 3 1 0 2 4 0 N o n eS O 2 L 2 1 0 4 2 1 2 2 9 5 2 1 0 M o d e r a t eS O 2 D 0 0 1 2 3 0 5 1 9 6 M o d e r a t e

8 I n c u b a t e d i n l i g h t ( L ) o r d a r k ( D ) .s t r e s s e d p i n e s e e d l i n g s . M e a s u r e m e n t o f 0 2 t e n s i o n s i n t h e 1 4 - m li n c u b a t i o n t u b e s c o n f i r m e d t h e s e r e s u l t s : p r o d u c t i o n o f a c e t a l d e -h y d e a n d e t h a n o l b y s t r e s s e d p l a n t s i s n o t t h e r e s u l t o f a n a e r o b i o s i sd u e t o 0 2 c o n s u m p t i o n i n t h e i n c u b a t i o n t u b e s . L o c a l i z e d a n a e r -o b i o s i s d u e t o w a t e r - s o a k e d l e s i o n s i s a l s o u n l i k e l y , a s a c e t a l d e -h y d e a n d e t h a n o l w e r e p r o d u c e d b y p l a n t s t h a t d i d n o t d e v e l o pv i s i b l e l e s i o n s . M i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n o f l e a v e s o f s t r e s s e d b i r c hs e e d l i n g s w h i c h w e r e p r o d u c i n g a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l f a i l e dt o r e v e a l a n y s m a l l w a t e r - s o a k e d o r n e c r o t i c a r e a s .P r o d u c t i o n R a t e s a n d G a s / L i q u i d R e l a t i o n s h i p s . W e e x a m i n e dt h e t i m e c o u r s e o f a c c u m u l a t i o n o f t h e s e v o l a t i l e p r o d u c t s i n 6 0 -m l s e p a r a t o r y f u n n e l s b y t a k i n g p e r i o d i c 1 - m l h e a d s p a c e s a m p l e sd u r i n g 2 4 h i n c u b a t i o n o f s t r e s s e d p i n e s e e d l i n g s i n t h e l i g h t a n dd a r k . F i g u r e 6 s h o w s a r e p r e s e n t a t i v e e x p e r i m e n t . P r o d u c t i o n o fe t h y l e n e , e t h a n o l , a n d a c e t a l d e h y d e w a s much m o r e r a p i d i n t h el i g h t t h a n i n t h e d a r k , w i t h a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l i n t h e d a r kd e c l i n i n g a f t e r t h e f i r s t 5 h i n c u b a t i o n . T h e r e w a s n o l a g i n t h eo n s e t o f p r o d u c t i o n o f t h e s e c o m p o u n d s , w i t h e t h y l e n e , e t h a n o l ,a n d a c e t a l d e h y d e d e t e c t a b l e w i t h i n 1 0 m i n o f t h e s t a r t o f t h ei n c u b a t i o n . E t h a n e p r o d u c t i o n w a s v e r y l o w i n t h e s e e x p e r i m e n t sa s t h e t i s s u e w a s n o t n e c r o t i c . E t h a n e a c c u m u l a t i o n w a s l i n e a ro v e r t i m e , t h o u g h n o t d e t e c t a b l e u n t i l a b o u t 2 h a f t e r t h e s t a r t o ff u m i g a t i o n . E t h a n e a c c u m u l a t i o n w a s n o t a f f e c t e d b y l i g h t ( d a t an o t s h o w n ) .E t h y l e n e a c c u m u l a t i o n i n t h e l i g h t a p p e a r e d t o b e a u t o c a t a l y t i c ,w i t h t h e s l o p e o f a c c u m u l a t i o n r a t e i n c r e a s i n g o v e r t i m e . I nc o n t r a s t , a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l p r o d u c t i o n r e a c h e d a c o n s t a n tw i t h i n 1 2 h o f i n c u b a t i o n , w i t h a c e t a l d e h y d e s o m e t i m e s , b u t n o ta l w a y s , s h o w i n g a s h a r p p e a k w i t h i n 5 h o f i n c u b a t i o n .P r o d u c t i o n o f v o l a t i l e h y d r o c a r b o n s b y s t r e s s e d b i r c h l e a v e ss h o w e d s i m i l a r k i n e t i c s , w i t h t w o i m p o r t a n t d i f f e r e n c e s : e t h a n o la c c u m u l a t i o n w a s c o n s i d e r a b l y l e s s t h a n t h a t o f a c e t a l d e h y d e , a n dl i g h t d i d n o t a f f e c t t h e r a t e o f a c c u m u l a t i o n ( T . W. K i m m e r e r a n dT . T . K o z l o w s k i , m a n u s c r i p t i n p r e p a r a t i o n ) .I n t h e 1 4 - m l t u b e s , s a t u r a t i o n o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o la p p e a r e d t o o c c u r w i t h i n 4 h o f i n c u b a t i o n . H o w e v e r , b e c a u s e t h es a m p l e v o l u m e w i t h d r a w n f o r c h r o m a t o g r a p h y ( 1 m l ) w a s l a r g er e l a t i v e t o t h e t u b e v o l u m e , k i n e t i c s o f a c c u m u l a t i o n c o u l d n o t b ee x a m i n e d i n d e t a i l . W e f o u n d t h a t 4 h wa s a n a d e q u a t e i n c u b a t i o nt i m e f o r e t h a n o l a n d a c e t a l d e h y d e a c c u m u l a t i o n t o b e m e a s u r e d ,b u t a t l e a s t 8 h w e r e r e q u i r e d f o r a c c u r a t e e s t i m a t i o n o f e t h a n ep r o d u c t i o n .T h e d a t a p r e s e n t e d t h u s f a r a r e f o r g a s - p h a s e h y d r o c a r b o n s

f r o m h e a d s p a c e s a m p l e s . W h i l e e t h y l e n e a n d e t h a n e c a n b ee x p e c t e d t o b e e n t i r e l y i n t h e g a s p h a s e u n d e r t h e c o n d i t i o n s o fo u r e x p e r i m e n t s , t h e s a m e c a n n o t b e s a i d f o r a c e t a l d e h y d e a n de t h a n o l . P u r e a c e t a l d e h y d e b o i l s a t 2 1 C , w h i l e e t h a n o l b o i l s a t7 8 . 5 0 C . A t 2 5 0 C , t h e t e m p e r a t u r e o f o u r f u m i g a t i o n s a n d i n c u -b a t i o n s , m o s t o f t h e a c e t a l d e h y d e c o u l d b e e x p e c t e d t o b o i l o f f ,a n d l i t t l e e t h a n o l w o u l d a c c u m u l a t e u n l e s s d i f f u s i o n o f a c e t a l d e -h y d e a w a y f r o m t h e l e a f w a s i n h i b i t e d . A t l o w e r t e m p e r a t u r e s ,much g r e a t e r a c c u m u l a t i o n o f b o t h m e t a b o l i t e s c o u l d b e e x p e c t e d .T a b l e I I I s h o w s t h e r e s u l t s o f e x t r a c t i o n o f p i n e n e e d l e s i nc o m p a r i s o n w i t h t h e g a s - p h a s e p r od u c t i o n o f e t h a n o l a n d a c e t a l -d e h y d e . W h i l e a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l w e r e p r o d u c e d b y t h es t r e s s e d p l a n t s p r i o r t o e n c l o s u r e i n t h e i n c u b a t i o n t u b e s , t h e r ew a s r e l a t i v e l y l i t t l e a c c u m u l a t i o n o f t h e p r o d u c t s d u e t o v o l a t i l i -z a t i o n o f t h e a c e t a l d e h y d e . A t l o w e r t e m p e r a t u r e s , h o w e v e r , b o t hc o m p o u n d s d o a c c u m u l a t e t o a n a p p r e c i a b l e d e g r e e ( T a b l e I I I ) .R e s p o n s e s o f O t h e r S p e c i e s t o S t r e s s . W e s u r v e y e d a n u m b e ro f c r o p a n d w o o d y p l a n t s t o d e t e r m i n e w h e t h e r a c e t a l d e h y d e a n de t h a n o l a c c u m u l a t i o n a r e common r e s p o n s e s t o s t r e s s i n p l a n t s b yu s i n g t h e p o i n t f r e e z i n g a s s a y o f E l s t n e r a n d K o n z e ( 5 ) . A s s h o w ni n T a b l e I V , a n u m b e r o f s p e c i e s a n d c u l t i v a r s p r o d u c e d t h e s ec o m p o u n d s u n d e r f r e e z i n g s t r e s s . T h e r e w a s n o c l e a r c o r r e l a t i o nb e t w e e n t a x o n o m i c r e l a t i o n s h i p s a n d p r o d u c t i o n o f t h e s t r e s sm e t a b o l i t e s , n o r d i d t h e p l a n t s t h a t p r o d u c e d t h e m u n d e r o n ek i n d o f s t r e s s a l wa y s p r o d u c e t h e m i n r e s p o n s e t o o t h e r s t r e s s e s( d a t a n o t s h o w n ) .

DISCUSSIONS 0 2 s t r e s s , a s w e l l a s a n u m b e r o f o t h e r s t r e s s e s a n d i n j u r i e s ,i n d u c e d p r o d u c t i o n o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l i n a d d i t i o n t oi n c r e a s i n g p r od u c t i o n o f e t h y l e n e a n d e t h a n e . A c e t a l d e h y d e a n de t h a n o l a r e n o t n o r m a l p r o d u c t s o f p l a n t s i n a e r o b i c c o n d i t i o n s ,a n d o u r r e s u l t s s u g g e s t a s u b s t a n t i a l a l t e r a t i o n o f r e s p i r a t o r ym e t a b o l i s m i n s t r e s s e d p l a n t s . M e a s u r e m e n t o f t h e s e t w o c o m -p o u n d s i n t h e g a s p h a s e i s r e l a t i v e l y e a s y a n d a l l o w s s i m u l t a n e o u sd e t e rm i n a t i on o f t h e s e c o m p o u n d s a s w e l l a s t w o o t h e r i m p o r t a n ts t r e s s m e t a b o l i t e s , e t h y l e n e a n d e t h a n e . G a s c h r o m a t o g r a p h i cm e a s u r e m e n t o f t h e s e f o u r c o m p o u n d s may b e a u s e f u l , s e n s i t i v em e t h o d f o r e v a l u a t i n g p l a n t s t r e s s , p a r t i c u l a r l y S O 2 s t r e s s . U n l i k ee t h y l e n e a n d e t h a n e , a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l a p p e a r t o b ep r o d u c e d o n l y u n d e r s t r e s s c o n d i t i o n s ; we h a v e n e v e r d e t e c t e de t h a n o l o r a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o n b y u n s t r e s s e d p l a n t s i n a n y o f

8 4 4 P l a n t P h y s i o l . V o l . 6 9 , 1 9 8 2


6/8

VOLATILE HYDROCARBON PRODUCTION BY S T R E S S E D PLANTSou r e x p e r i m e n t s .I n p i n e s e e d l i n g s s t r e s s e d w i t h S O 2 , a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o lp r o d u c t i o n b e g a n v er y s oo n a f t e r t h e s t a r t o f f u m i g a t i o n , i n t h e

E T H Y LE N E200_ -.*4STRESSED, LIGHT150- o-oSTRESSED,

_ C O N T R O L1 0 0 _

5 0 -0*-

$z24 ACETALDEHYDE0IC0D 12-00. 6-z0i \_O E T H A N O La 200_

1 5 0 _1 0 0 /50-

0 5 1 0 1 5 20 25T I M E , H O URSF I G . 6 . R a t e o f a c c u m u l a t i o n o f e t h a n o l , a c e t a l d e h y d e , a n d e t h y l e n e i n

6 0 - m l s e p a r a t o r y f u n n e l s c o n t a i n i n g 8 - m o n t h - o l d r e d p i n e s e e d l i n g s w h i c hh a d b e e n f u m i g a t e d w i t h 0 . 2 1 i 1 - 1 S O 2 f o r 8 h . S e e d l i n g s were i n c u b a t e di n t h e d a r k or u n d e r a H ID l i g h t p r o v i d i n g 3 5 0 , u E m-2 s - 1 ( P A R ) a t 2 5 C .A t e a c h sampling t i m e , 1 ml a i r was i n j e c t e d i n t o t h e f l a s k a n d 1 ml h e a dspace ga s was w i t h d r a w n f o r GC. C o n t r o l s e e d l i n g s p r o d u c e d no e t h a n o lor a c e t a l d e h y d e . E t h a n e a c c u m u l a t e d a t a l i n e a r r a t e f o r t h e e n t i r ei n c u b a t i o n , a n d t h e r a t e was n o t a f f e c t e d b y l i g h t .

8 4 5a b s e n c e o f a ny v i s i b l e i n j u r y . R e m o v a l o f t h e p l a n t s f r o m t h e S O 2a t m o s p h r e r e i n t o c l e a n a i r d i d n o t r e s u l t i n i m m e d i a t e c e s s a t i o no f p r o d u c t i o n o f t h e s e c o m p o u n d s ( F i g . 2 ) . S O 2 s t r e s s e v i d e n t l ycauses l a s t i n g m e t a b o l i c c h a n g e s i n l e a f c e l l s e ve n a t f u m i g a n tc o n c e n t r a t i o n s w h i c h d o n o t c a u se v i s i b l e i n j u r y . P r o d u c t i o n o ft h e s e c o m p o u n d s may h a v e s e r i o u s c o nsequenc e s f o r t h e p l a n t :w h i l e i t i s u n l i k e l y t h a t t o x i c l e v e l s o f t h e s e m e t a bo l i t e s a c c u m u l a t ei n s t r e s s e d p l a n t s a t t e m p e r a t u r e s a b o v e t h e b o i l i n g p o i n t o fa c e t a l d e h y d e , t h e l o s s o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l v a p o r s may b ea s i g n i f i c a n t l o s s o f f i x e d c a r b o n f r o m t h e p l a n t . S i n c e t h e p r o d u c t sv o l a t i l i z e , i t i s u n l i k e l y t h a t p r o d u c t i n h i b i t i o n c o u l d occur, a n db i o s y n t h e s i s o f t h e s e c o m p o u n d s m i g h t t h e n b e u n r e g u l a t e d .M o r e o v e r , g l y c o l y s i s may b e c o m p e t i n g w i t h t h e T CA c y c l e a n dr e d u c i n g t h e r a t e o f A T P s y n t h e s i s p er mol g l u c o s e c o n s u m e d . A tl o w e r l e a f t e m p e r a t u r e s , i t i s p o s s i b l e t h a t t o x i c a m o unts o f e i t h e ra c e t a l d e h y d e or e t h a n o l c o u l d a c c u m u l a t e .T h e p r o d u c t i o n o f e t h a n o l e v i d e n t l y r e q u i r e s l i v i n g c e l l s , asd o e s e t h y l e n e b i o s y n t h e s i s ( 1 ) . F i g u r e 5 s h o w s t h a t as n e c r o s i si n c r e a s e d a b o v e 8 0 % o , t h e p r o d u c t i o n o f t h e s e compounds d e c l i n e d .T h i s i s s i m i l a r t o t h e r e s u l t s o f E l s t n e r a n d Konze ( 5 ) who f o u n dt h a t e t h y l e n e p r o d u c t i o n b y f r e e z i n g - s t r e s s e d p l a n t s d e c l i n e d w h e nmore t h a n 5 0 % o o f t h e l e a f was n e c r o t i c . T h e re a so n f o r t h e h i g h e rt h r e s h o l d f o r d e c l i n i n g p r o d u c t i o n o f t h e gases i n ou r e x p e r i m e n t smay b e t h e t i m i n g o f t h e i n j u r y a s s e s s m e n t ; we m e a s u r e d n e c r o s i sa f t e r t h e i n c u b a t i o n a n d measurement o f ga s p r o d u c t i o n . T h e r emay h a v e b e e n more l i v i n g c e l l s a t t h e b e g i n n i n g o f t h e i n c u b a t i o n ,p r o d u c i n g e t h y l e n e a n d t h e o t h e r gases, a n d b e c o m i n g n e c r o t i cd u r i n g i n c u b a t i o n as a con sequence o f t h e i n i t i a l s t r e s s . T h ep r o d u c t i o n o f a c e t a l d e h y d e i s p r e s u m e d t o r e q u i r e l i v i n g c e l l s , b u tt h e e v i d e n c e i s s o m e w h a t c o n t r a d i c t o r y . I n S 0 2 - s t r e s s e d b i r c hs e e d l i n g s , severe n e c r o s i s was a c c o m p a n i e d b y a d e c l i n e i n a c e t -a l d e h y d e p r o d u c t i o n ( F i g . 5 ) . H o w e v e r , i n w a t e r - s t r e s s e d b i r c hs e e d l i n g s , severe w a t e r d e f i c i t s w h i c h r e s u l t e d i n a d e c l i n e i n t h ep r o d u c t i o n o f e t h y l e n e a n d e t h a n o l d i d n o t c a u se a c o n c o m i t a n td e c r e a s e i n a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o n ( F i g . 4 ) .W e h a v e a s s u m e d t h a t t h e source o f b o t h a c e t a l d e h y d e a n de t h a n o l i n s t r e s s e d p l a n t s i s g l y c o l y s i s , w i t h s t r e s s s o m e h o w a f -f e c t i n g e i t h e r t h e u p t a k e o f 02 or p r o m o t i o n o f p y r u v i c d e c a r b o x -y l a s e a c t i v i t y a t t h e expense o f p y r u v i c d e h y d r o g e n a s e a c t i v i t y . I ti s p o s s i b l e t h a t t h e r e i s a n o t h e r source o f a c e t a l d e h y d e i n p l a n tc e l l s . L i p i d p e r o x i d a t i o n i n v i t r o ca n l e a d t o p r o d u c t i o n o f s e v e r a la l d e h y d e s , i n c l u d i n g a c e t a l d e h y d e ( 1 3 ) . I f S O 2 causes e x t e n s i v el i p i d p e r o x i d a t i o n , a s P e i s e r a n d Y a n g ( 1 2 ) c l a i m e d , t h e n a c e t a l -d e h y d e may b e e v o l v e d . S i n c e ADH i s a c o n s t i t u t i v e or i n d u c i b l ee n z y m e i n t h e c y t o p l a s m o f p l a n t c e l l s ( 4 ) , t h e p r o d u c t i o n o fa c e t a l d e h y d e b y l i p i d p e r o x i d a t i o n w o u l d l e a d t o e t h a n o l s y n t h e -

T a b l e I I I . A c e t a l d e h y d e a n d E t h a n o l i n G a s a n d L i q u i d P h a s e s f o l l o w i n g 4 H o u r s F u m i g a t i o n o f R e d P i n eS e e d l i n g s w i t h 1 . 0 p 1 1 - 1 S O 2H a l f t h e s e e d l i n g s ( 1 0 p l a n t s ) w e r e i n c u b a t e d f o r 8 h i n 1 4 - m l t u b e s , t h e h e a d s p a c e g a s wa s a s s a y e d , a n d t h es h o o t s w e r e f r o z e n i n l i q u i d N 2 , g r o u n d t o a f i n e p o w d e r , a n d e x t r a c t e d w i t h H 2 0 a t 1 5 C . A f t e r f i l t e r i n g , 5 , u l o ft h e e x t r a c t w e r e i n j e c t e d on t h e GC. T h e r e m a i n i n g s e e d l i n g s were l e f t f o r 4 h a t 1 5 C ( f i v e p l a n t s ) o r 2 5 C ( f i v ep l a n t s ) i n c l e a n a i r , t h e n f r o z e n a n d e x t r a c t e d a s a b o v e w i t h o u t i n c u b a t i o n i n t h e t u b e s .

G a s P h a s e L i q u i d P h a s eS a m p l eA c e t a l d e h y d e E t h a n o l A c e t a l d e h y d e E t h a n o l

n m o l / g f r e s h w t p m o l / g f r e s h w tA . A f t e r 8 h i n c u b a t i o nC o n t r o l , 2 5 C 0 0 T r a c e 0S t r e s s e d , 2 5 C 3 . 4 + 0 . 8 4 6 . 3 + 3 . 6 0 . 7 + 0 . 1 1 4 . 2 + 4 . 6B . P r i o r t o i n c u b a t i o nC o n t r o l , 2 5 C 0 0C o n t r o l , 1 5 C

S t r e s s e d , 2 5 C 0 . 6 + 0 . 1 0 . 3 + 0 . 1S t r e s s e d , 1 5 C 7 . 8 + 0 . 1 1 1 8 . 3 + 1 3 . 4


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KIMMERER AND KOZLOW SKIT a b l e I V . P r o d u c t i o n o f V o l a t i l e H y d r o c a r b o n s b y H e r b a c e o u s a n d W o o d y P l a n t s

P l a n t s w e r e s t r e s s e d b y f r e e z i n g 3 0 % o o f t h e l e a f a r e a . D a t a a r e g i v e n i n n m o l / c m 2 l e a f a r e a , e x c e p t f o r P i n u sh a l e p e n s i s , f o r w h i c h n m o l / g d r y w e i g h t i s p r e s e n t e d . E a c h v a l u e i s t h e mean o f t w o d e t e r m i n a t i o n s o n t w or e p l i c a t e s a m p l e s . S t a n d a r d e r r o r s w e r e l e s s t h a n 1 0 % o o f t h e mean f o r c o n t r o l s a n d u p t o 3 0 % o o f t h e mean f o rs t r e s s e d p l a n t s .S p e c i e s T r e a t m e n t E t h y l e n e E t h a n e A c e t a l d e - E t h a n o lh y d e

Z e a m a y s C o n t r o l 1 . 3 7 3 . 1 2 0 0S t r e s s e d 1 . 9 2 2 1 . 8 5 0 0C u c u r b i t a maxima C o n t r o l 1 2 . 4 8 0 0 0S t r e s s e d 4 . 1 2 1 . 2 3 0 0P i s u m s a t i v u m C o n t r o l 0 . 9 8 0 . 0 7 0 0S t r e s s e d 1 . 7 6 2 . 6 7 3 . 2 5 1 . 3 3B r a s s i c a o l e r a c e a C o n t r o l 2 1 . 0 6 0 . 7 8 0 0S t r e s s e d 5 . 7 3 3 . 4 5 T r a c e T r a c eT a g e t e s e r e c t a C o n t r o l 5 . 0 7 0 . 1 9 0 0S t r e s s e d 4 . 1 2 1 9 . 5 3 4 0 . 6 4 1 0 7 . 7 3H a e m a n t h u s k a t h e r i n a e C o n t r o l 4 4 . 7 2 0 . 1 3 0 0

S t r e s s e d 1 8 7 . 6 4 2 . 4 2 4 4 . 3 2 1 2 0 . 3 7P l a t a n u s o c c i d e n t a l i s C o n t r o l 2 . 2 1 0 . 1 3 0 0S t r e s s e d 5 . 2 3 9 . 6 2 T r a c e T r a c eU l m u s a m e r i c a n a C o n t r o l 9 . 6 3 0 . 1 2 0 0S t r e s s e d 2 0 . 9 6 1 . 3 4 T r a c e 0E u c a l y p t u s c a m a l d u l e n s i s C o n t r o l 5 . 1 2 0 . 4 8 0 0S t r e s s e d 7 . 9 3 0 . 9 5 3 6 . 7 2 1 9 4 . 6 8Q u e r c u s m a c r o c a r p a C o n t r o l 0 . 6 2 0 . 0 7 0 0S t r e s s e d 6 . 5 2 0 . 2 1 9 . 2 6 1 8 . 7 4P i n u s h a l e p e n s i s C o n t r o l 0 . 5 3 0 . 0 6 0 0

S t r e s s e d 5 . 4 2 0 . 7 4 4 2 . 3 2 1 8 6 . 2 4s i s . W e c o n s i d e r t h i s l e s s l i k e l y t h a n a n o r i g i n o f b o t h c o m p o u n d sf r o m g l y c o l y s i s f o r t w o r e a s o n s : ( a ) t h e q u a n t i t i e s o f b o t h a c e t a l -d e h y d e a n d e t h a n o l p r o d u c e d a r e q u i t e l a r g e , a n d i t s e e m s u n l i k e l yt h a t a m i n o r p r o d u c t o f l i p i d p e r o x i d a t i o n c o u l d p r o v i d e t h i sa m o u n t o f e i t h e r c o m p o u n d ; a n d ( b ) e t h a n e i s k n o w n t o b ed e r i v e d f r o m p e r o x i d i z e d m e m b r a n e f a t t y a c i d s , a n d i f a c e t a l d e -h y d e i s d e r i v e d f r o m t h e s a m e s o u r c e , t h e t i m e o f p e a k p r o d u c t i o no f b o t h c o m p o u n d s s h o u l d c o i n c i d e . T h i s w a s c l e a r l y n o t t h e c a s e( F i g s . 2 - 4 ) . T h i s e v i d e n c e i s s o m e w h a t c i r c u m s t a n t i a l a n d n e e d st o b e c o n f i r m e d b y more d i r e c t m e t h o d s .

I n p l a n t s u n d e r a n a e r o b i c c o n d i t i o n s , t h e p r o d u c t i o n o f a c e t a l -d e h y d e a n d e t h a n o l may b e a r e s u l t o f a d e c l i n e i n c y t o p l a s m i cp H d u e t o a c c u m u l a t i o n o f o r g a n i c a c i d s l e a d i n g t o a c t i v a t i o n o fp y r u v i c d e c a r b o x y l a s e ( 4 ) . T h i s r e q u i r e s t h a t t h e c o n t r o l o f c y t o -p l a s m i c p H b e o v e r r i d e n b y a s u f f i c i e n t l y l a r g e a c c u m u l a t i o n o fa c i d s p e c i e s . T h i s may a l s o h a p p e n i n S 0 2 - s t r e s s e d p l a n t s , s i n c ed i s s o l u t i o n o f S O 2 i n H20 p r o d u c e s a c i d p r o d u c t s ( 3 ) . I f t h i s i s t h ec a s e , a c e t a l d e h y d e p r o d u c t i o n w i l l b e g i n a s s o o n a s p y r u v i c d e -c a r b o x y l a s e i s a c t i v a t e d b y r e d u c e d p H , a n d e t h a n o l p r o d u c t i o nw i l l b e g i n i m m e d i a t e l y i f ADH i s p r e s e n t , o r w h e n ADH i si n d u c e d o r a c t i v a t e d b y a c e t a l d e h y d e . H o w e v e r , i t c o u l d b e e x -p e c t e d t h a t c y t o p l a s m i c p H w o u l d r e c o v e r s o o n a f t e r S O 2 w a sr e m o v e d f r o m t h e a i r , s i n c e t h e a c i d p r o d u c t s o f S 0 2 a r e h i g h l yr e a c t i v e a n d c o u l d b e e x p e c t e d t o d i s a p p e a r r a p i d l y f r o m t h ec y t o p l a s m ( 3 ) . T h i s wa s n o t t h e c a s e , a s s h o w n b y t h e p e r s i s t e n tp r o d u c t i o n o f b o t h a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l i n c l e a n a i r ( F i g . 2 ) .

M o r e o v e r , t h e r e i s n o c o m p e l l i n g e v i d e n c e t h a t t h e o t h e r s t r e s s e sw h i c h i n d u c e d a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l p r o d u c t i o n w o u l d l o w e rc y t o p l a s m i c p H .E t h a n e p r o d u c t i o n w a s i n c r e a s e d b y S 0 2 i n o u r e x p e r i m e n t s ,b u t n o t u n t i l l e s i o n s a p p e a r e d ( F i g . 2 ) . T h i s o c c u r r e d c o n s i d e r a b l yl a t e r t h a n o t h e r s i g n s o f s t r e s s , i n c l u di n g i n c r e a s e d e t h y l e n e p r o -d u c t i o n a n d t h e o n s e t o f a c e t a l d e h y d e a n d e t h a n o l p r o d u c t i o n . I fe t h a n e s y n t h e s i s w e r e c l o s e l y l i n k e d t o t h e t o x i c e f f e c t s o f S 0 2 b yt h e p e r o x i d a t i o n o f l i p i d m e m b r a n e s , a s s u g g e s t e d b y P e i s e r a n dY a n g ( 1 2 ) a n d b y B r e s s a n e t a l . ( 2 ) , e t h a n e p r o d u c t i o n c o u l dr e a s o n a b l y b e e x p e c t e d t o i n c r e a s e w e l l b e f o r e t h e a p p e a r a n c e o fl e s i o n s , p e r h a p s e v e n b e f o r e t h e i n c r e a s e i n s t r e s s e t h y l e n e p r o -d u c t i o n . T h e d i s r u p t i o n o f m e m b r a n e s b y p e r o x i d a t i o n o f c o n s t i t -u e n t l i p i d s c o u l d t h e n i n c r e a s e m e m b r a n e p e r m e a b i l i t y , l e a d t ol o s s o f m e t a b o l i c c o n t r o l , a n d u l t i m a t e l y c a u s e c e l l u l a r n e c r o s i s .T h i s c l e a r l y w a s n o t t h e c a s e w i t h t h e woody p l a n t s we s t u d i e d .R a t h e r , e t h a n e p r o d u c t i o n a c c o m p a n i e d t h e f o r m a t i o n o f n e c r o t i cl e s i o n s r e s u l t i n g f r o m a v a r i e t y o f s t r e s s e s ( T a b l e I ; F i g . 2 ) . I nw o o d y p l a n t s , t h e n , e t h a n e a p p e a r s t o b e a p r o d u c t o f t h e d e a t ho f c e l l s r e g a r d l e s s o f t h e c a u s e o f d e a t h a n d i s n o t a n i m p o r t a n tp r o d u c t o f s t r e s s m e t a b o l i s m . M o n i t o r i n g o f e t h a n e i n w o o d yp l a n t s u n d e r s t r e s s may o n l y b e u s e f u l a s a s i m p l e , o b j e c t i v em e a s u r e o f n e c r o s i s , w h i c h i s n o t a l w a y s e a s y t o a s s a y v i s u a l l y ,e s p e c i a l l y w h e n t h e e x t e n t o f i n j u r y i s s m a l l .A c k n o w l e d g m e n t s - T h e a u t h o r s t h a n k D r . S t e v e n W. E l a a n d D r . H e i n r i c h K .

P l a n t P h y s i o l . V o l . 6 9 , 1 9 8 24 6


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VOLATILE HYDROCARBON PR O D U C TI O N BY S T RES SED PL A N T SS c h n o e s , U n i v e r s i t y o f W i s c o n s i n - M a d i s o n , f o r h e l p f u l d i s c u s s i o n ; a n d M e l M i c k ef o r a s s i s t a n c e i n p e r f o r m i n g t h e M S .

LITERATURE CITED1 . A B E L E S FB 1 9 7 3 E t h y l e n e i n P l a n t B i o l o g y . A c a d e m i c P r e s s , New Y o r k2 . B R E S S A N R A , L L E C u R E u x , LG W I L S O N , P F I L N E R 1 9 7 9 E m i s s i o n o f e t h y l e n ea n d e t h a n e b y l e a f t i s s u e e x p o s e d t o i n j u r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f s u l f u r d i o x i d e

or b i s u l f i t e i o n . P l a n t P h y s i o l . 6 3 : 9 2 4 - 9 3 03 . C A R M I C H A E L C R , LK P E T E R S 1 9 7 9 Some a s p e c t s o f S O 2 a b s o r p t i o n b y w a t e r -g e n e r a l i z e d t r e a t m e n t . A t m o s E n v i r o n 1 3 : 1 5 0 5 - 1 5 1 34 . D A V I E s DD 1 9 8 0 A n a e r o b i c m e t a b o l i s m a n d t h e p r o d u c t i o n o f o r g a n i c a c i d s . I nPK S t u m p f , EE C o n n , e d s , T h e B i o c h e m i s t r y o f P l a n t s , V o l . 2 . A c a d e m i cP r e s s , N ew Y o r k , p p 5 8 1 - 6 1 15 . E L s T N E R E F , JR KONZE 1 9 7 6 E f f e c t o f p o i n t f r e e z i n g on e t h y l e n e a n d e t h a n ep r o d u c t i o n b y sugar b e e t l e a f d i s k s . N a t u r e ( L o n d ) 2 6 3 : 3 5 1 - 3 5 26 . F I U D O V I C H I 1 9 7 6 02 r a d i c a l s , h y d r o g e n p e r o x i d e a n d 02 t o x i c i t y . I n WA P r y o r ,e d , F r e e R a d i c a l s i n B i o l o g y , V o l 1 . A c a d e m i c P r e s s , N ew Y o r k , p p 2 3 9 - 2 7 77 . GALIARD T 1 9 7 0 T h e e n z y m i c b r e a k d o w n o f l i p i d s i n p o t a t o t u b e r b y p h o s p h o -l i p i d - a n d g a l a c t o l i p i d - a c y l h y d r o l a s e a c t i v i t y a n d b y lipoxygenase. P h y t o c h e m -i s t r y 9 : 1 7 2 5 - 1 7 3 48 . JoHN W W , RW C U R T I S 1 9 7 7 I s o l a t i o n and i d e n t i f i c a t i o n o f t h e p r e c u r s o r o f

e t h a n e i n P h a s e o l u s v u l g a r i s L . P l a n t P h y s i o l 5 9 : 5 2 1 - 5 2 29 . K I M M E R E R T W, T T K O Z L O W S K I 1 9 8 1 S t o m a t a l c o n d u c t a n c e a n d s u l f u r u p t a k eo f f i v e c l o n e s o f P o p u l u s t r e m u l o i d e s e x p o s e d t o s u l f u r d i o x i d e . P l a n t P h y s i o l6 7 : 9 9 0 - 9 9 51 0 . KONZE J R , EF E L S T N E R 1 9 7 8 E t h a n e a n d e t h y l e n e f o r m a t i o n b y m i t o c h o n d r i aa s i n d i c a t i o n o f a e r o b i c l i p i d d e g r a d a t i o n i n r e s p o n s e t o w o u n d i n g o f p l a n tt i s s u e . B i o c h i m B i o p h y s A c t a 5 2 8 : 2 1 3 - 2 2 11 1 . N U R S T E N H E , AA W I L L I A M S 1 9 6 7 F r u i t a r o m a s : a survey o f components i d e n -t i f i e d . Chem I n d ( L o n d ) 1 9 6 7 : 4 8 61 2 . P E I S E R GD , SF YANG 1 9 7 9 E t h y l e n e a n d e t h a n e p r o d u c t i o n f r o m s u l f u r d i o x i d e -i n j u r e d p l a n t s . P l a n t P h y s i o l 6 3 : 1 4 2 - 1 4 51 3 . S C H A U E N S T E I N E , H E S T E R B A U E R , H Z O L L N E R 1 9 7 7 A l d e h y d e s i n B i o l o g i c a lS y s t e m s . T h ei r N a t u r a l O c c u r r e n c e a n d B i o l o g i c a l A c t i v i t i e s . P i o n L t d , L o n d o n1 4 . T I N G E Y D T , C S T A N D L E Y , RW F I E L D 1 9 7 6 S t r e s s e t h y l e n e e v o l u t i o n : a m e a s u r eo f o z on e e f f e c t s o n p l a n t s . A t m o s E n v i r o n 1 0 : 9 6 9 - 9 7 41 5 . WOODSTOCK L W , RB T A Y L O R S O N 1 9 8 1 E t h a n o l a n d a c e t a l d e h y d e i n i m b i b i n gs o y b e a n s e e d s i n r e l a t i o n t o d e t e r i o r a t i o n . P l a n t P h y s i o l 6 7 : 4 2 4 - 4 2 81 6 . WRIGHT S TC 1 9 7 8 P h y t o h o r m o n e s a n d s t r e s s p h e n o m e n a . I n D S L e t h a m , PBG o o d w i n , TJV H i g g i n s , e d s , P h y t o h o r m o n e s a n d R e l a t e d Compounds-AC o m p r e h e n s i v e T r e a t i s e , V o l 2 . E l s e v i e r / N o r t h - H o l l a n d , A m s t e r d a m , pp 4 9 5 -5 3 61 7 . YANG S F , HK P R A s r r 1 9 7 8 T h e p h y s i o l o g y o f e t h y l e n e i n w o u n d e d p l a n t t i s s u e .I n G K a h l , e d , B i o c h e m i s t r y o f Wounded P l a n t T i s s u e . d e G r u y t e r , B e r l i n .

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Plant Physiol. 1982 Kimmerer 840 7

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