Spring patterns of freezing resistance and photosynthesis of two leaf phenotypes of Hedera helix

Subdominant evergreen broad-leaved plants occurring in deciduous forests throughout temperate zones have only a short window of optimum photoassimilation in spring before canopy closure. Yet increasing photosynthetic and metabolic activity occurs concurrently with reductions in freezing resistance, resulting in vulnerability of plant tissues to late spring freezing events. Our goal was to document the temporal patterns of photosynthesis versus freezing resistance during spring in adult and juvenile leaf phenotypes of Hedera helix in Switzerland. Freezing resistances in all leaves were well below long-term minimum temperatures experienced at the study site, with adult leaf phenotypes in the forest canopy being more freezing resistant than juvenile leaves occurring closer to the ground. Reductions in freezing resistance were followed by increases in leaf photosynthetic capacities, which appeared synchronized among leaf phenotypes. Adult canopy leaves maintained a higher freezing resistance but lower photosynthetic capacity than juvenile leaves through the end of winter and into early spring. However, shortly after the cessation of freezing temperatures, adult leaves greatly increased their photosynthetic capacity relative to juvenile leaves, yet maintained freezing resistances sufficient to resist late spring freezing events. These patterns highlight the importance of the tradeoff in H. helix between exposure to potentially damaging cold temperatures in late spring and the need for high photosynthetic carbon gains before full canopy closure.

ZusammenfassungImmergrüne Pflanzen im Unterwuchs temperater Laubwäldern verfügen über ein kurzes Zeitfenster im Frühjahr, während dem sie optimal Photoassimilation betreiben können bevor sich das Kronendach schliesst. Ein Anstieg der Photosyntheseleistung im Frühjahr ist allerdings mit einem Rückgang der Frosthärte verknüpft. Das könnte bei diesen Pflanzen zu Beginn der Saison zu einer erhöhten Anfälligkeit für Frostschäden führen. Das Ziel dieser Studie war es, den zeitlichen Verlauf von Photosynthese und Frostresistenz während des Frühjahres in adulten und juvenilen Blatt-Phänotypen von Hedera helix in der Schweiz zu dokumentieren. Die Frostresistenz aller Blätter lag deutlich unterhalb der gemessenen Minimum-Temperaturen auf der Studienfläche, wobei adulte Blätter im Kronenraum eine höhere Resistenz aufwiesen als junge Blätter am Waldboden. Der Anstieg der Photosyntheseleistung erfolgte in beiden Blatt-Phänotypen im Frühjahr erst nach dem Enthärten der Frostresistenz. Adulte Blätter zeigten am Winterende und zu Beginn des Frühjahres eine höhere Frostresistenz und entsprechend eine niedrigere Photosyntheseleistung als juvenile Blätter. Allerdings stieg die Photosyntheseleistung adulter Blätter nach den letzten stärkeren Frosttagen im Frühjahr stark an und überholte jene juveniler Blättern. Die Frostresistenz blieb aber auch hierbei immer unterhalb der gemessenen minimalen Lufttemperaturen. Das beschriebene zeitliche Muster von Frostresistenz und Photosynthese in Hedera helix Blättern verdeutlicht den Konflikt zwischen der Vermeidung von Spätfrostschäden und der Maximierung der Photosyntheseleistung in der kurzen Periode zwischen Winterende und dem Laubaustrieb der kronenbildenden Bäume.