Stomatal conductance is a land-surface attribute that links the water and carbon cycles. Analysis of a global database covering a wide range of plant functional types and biomes now provides a framework for predicting the behaviour of stomatal conductance that can be applied to model ecosystem productivity, energy balance and ecohydrological processes in a changing climate. Stomatal conductance (gs) is a key land-surface attribute as it links transpiration, the dominant component of global land evapotranspiration, and photosynthesis, the driving force of the global carbon cycle. Despite the pivotal role of gs in predictions of global water and carbon cycle changes, a global-scale database and an associated globally applicable model of gs that allow predictions of stomatal behaviour are lacking. Here, we present a database of globally distributed gs obtained in the field for a wide range of plant functional types (PFTs) and biomes. We find that stomatal behaviour differs among PFTs according to their marginal carbon cost of water use, as predicted by the theory underpinning the optimal stomatal model1 and the leaf and wood economics spectrum2,3. We also demonstrate a global relationship with climate. These findings provide a robust theoretical framework for understanding and predicting the behaviour of gs across biomes and across PFTs that can be applied to regional, continental and global-scale modelling of ecosystem productivity, energy balance and ecohydrological processes in a future changing climate.

Summary The temperature response of photosynthesis is one of the key factors determining predicted responses to warming in global vegetation models ( GVM s). The response may vary geographically, owing to genetic adaptation to climate, and temporally, as a result of acclimation to changes in ambient temperature. Our goal was to develop a robust quantitative global model representing acclimation and adaptation of photosynthetic temperature responses. We quantified and modelled key mechanisms responsible for photosynthetic temperature acclimation and adaptation using a global dataset of photosynthetic CO 2 response curves, including data from 141 C 3 species from tropical rainforest to Arctic tundra. We separated temperature acclimation and adaptation processes by considering seasonal and common‐garden datasets, respectively. The observed global variation in the temperature optimum of photosynthesis was primarily explained by biochemical limitations to photosynthesis, rather than stomatal conductance or respiration. We found acclimation to growth temperature to be a stronger driver of this variation than adaptation to temperature at climate of origin. We developed a summary model to represent photosynthetic temperature responses and showed that it predicted the observed global variation in optimal temperatures with high accuracy. This novel algorithm should enable improved prediction of the function of global ecosystems in a warming climate.

Abstract We introduce the AusTraits database - a compilation of measurements of plant traits for taxa in the Australian flora (hereafter AusTraits). AusTraits synthesises data on 375 traits across 29230 taxa from field campaigns, published literature, taxonomic monographs, and individual taxa descriptions. Traits vary in scope from physiological measures of performance (e.g. photosynthetic gas exchange, water-use efficiency) to morphological parameters (e.g. leaf area, seed mass, plant height) which link to aspects of ecological variation. AusTraits contains curated and harmonised individual-, species- and genus-level observations coupled to, where available, contextual information on site properties. This data descriptor provides information on version 2.1.0 of AusTraits which contains data for 937243 trait-by-taxa combinations. We envision AusTraits as an ongoing collaborative initiative for easily archiving and sharing trait data to increase our collective understanding of the Australian flora.

Abstract Glasshouse films can be used to reduce energy costs by limiting non-productive heat-generating radiation, but the impact on yield of greenhouse horticultural crops remains unknown. The effects of energy-saving film ULR-80 (referred to as Smart Glass; SG) designed to block long wavelength light that generates heat also reduced photosynthetically active radiation (PAR) consequently affecting crop morphology, photosynthesis, leaf pigments, and yield of two hydroponically grown capsicum ( Capsicum annuum L.) cultivars (Red and Orange). The crops were grown in four high-tech glasshouse bays over two seasons of similar daily light integrals (DLI) during ascending (Autumn) and descending (Summer) photoperiods. The Red cultivar exhibited higher photosynthetic rates (light saturated - A sat and maximal - A max ) and yield than the Orange cultivar in control but displayed stronger reductions in modelled photosynthetic rates at growth light and yield in SG without changes in photosynthetic capacity. Foliar pigment ratios of chlorophyll a/b and carotenoid: chlorophyll remained unaffected by the SG during both seasons indicating that chloroplast homeostasis was similar between SG and control. The seasonal differences in photosynthetic pigments and xanthophyll de-epoxidation state (DPS) revealed that cultivars were able to sense the SG-altered light environment during the ascending, but not descending photoperiod. The descending photoperiod correlated with a lower daily light level and a substantial yield reduction of 29 % and 13 % in Red and Orange cultivars, respectively. Thus, SG-induced higher reductions in yield during the descending photoperiod indicate that SG may be more beneficial for capsicum crops planted during Autumn with an ascending photoperiod. Highlights A potential energy saving SG film limited net photosynthesis of capsicum The SG film reduced yield of two capsicum cultivars that can be mitigated by planting during the low light growth season with a shorter photoperiod SG reduced genotype-dependent capsicum yield was associated with alterations in the level of foliar pigments required for photoprotection under adverse light conditions

Abstract Optical films that alter light transmittance may reduce energy consumption in high-tech greenhouses, but their impact on crop physiology remains unclear. We compared the stomatal responses of capsicum plants grown hydroponically under control glass (70% diffuse light) or smart glass (SG) film ULR-80, which blocked >99% of ultraviolet light and 19% of photosynthetically active radiation (PAR). SG had no significant effects on steady-state ( g s ) or maximal ( g max ) stomatal conductance. In contrast, SG reduced stomatal pore size and sensitivity to exogenous ABA thereby increasing rates of leaf water loss, guard cell K + and Cl - efflux, and Ca 2+ influx. The transition between low (100 μmol m −2 s −1 ) and high (1500 μmol m −2 s −1 ) PAR induced faster stomatal closing and opening rates in SG relative to control plants. The fraction of blue light (0% or 10%) did not affect g s , but induced stomatal oscillations in SG plants. Increased expression of stomatal closure and photoreceptor genes in epidermal peels of SG plants is consistent with fast stomatal responses to light changes. In conclusion, light intensity was more critical than spectral quality for optimal stomatal responses of capsicum under SG, and re-engineering of the SG should maximize PAR transmission to maintain a better stomatal development. Highlights Capsicum plants grown under SG film exhibit decreased stomatal pore area, higher water loss and reduced ABA-sensitivity. SG-grown plants have faster rates of stomatal closing and opening in response to light intensity changes. SG increases efflux of K + and Cl - and influx of Ca 2+ of guard cells. SG upregulated the expression of key genes involved in stomatal regulation and light sensing.

Feeding the increasing global population and reducing the carbon footprint of agricultural activities are two critical challenges of our century. Growing crops under protected horticulture and precise crop monitoring have emerged to address these challenges. Crop monitoring in commercial protected facilities remains mostly manual and labour intensive. Using computer vision to solve specific problems in image-based crop monitoring in these compact and complex growth environments is currently hindered by the scarcity of available data. We collected an RGBD dataset for vertically supported, hydroponically-grown capsicum plants in a commercial-scale glasshouse facility to fill this gap. Data were collected weekly using a single top-angled stereo camera mounted on a mobile platform running between the hydroponic gutters. The RGBD streams covered 80 % of the crop growing season in three different light conditions. The metadata include camera configurations and light condition information. Manually measured plant heights of ten selected plants per gutter are provided as ground truth. The images covered the whole plants and focused on the top third. This dataset will support research on plant height estimation, plant organ identification, object segmentation, organ measurements, 3D reconstruction, 3D data processing, and depth noise reduction. The usability of the dataset has been successfully demonstrated in a previously published study on plant height estimation using machine learning and 3D point cloud.

ABSTRACT We investigated how stomatal morphology and physiology control intrinsic leaf water use efficiency ( iWUE ) in grasses. Two C 3 and six C 4 grasses were grown at ambient (400 µl L -1 ) or glacial CO 2 (180 µl L -1 ) and high (1000 µmol m -2 s -1 ) or low light intensity (200 µmol m -2 s -1 ). C 4 grasses tended to have higher iWUE and CO 2 assimilation rates, and lower stomatal conductance (g s ), operational stomatal aperture ( a op ) and guard cell K + influx rate relative to C 3 grasses, while stomatal size (SS) and stomatal density (SD) did not vary according to the photosynthetic type. Overall, iWUE and g s depended most on a op and density of open stomata. In turn, a op correlated with K + influx, stomatal opening speed on transition to high light and SS. Species with higher SD had smaller and faster-opening stomata. Although C 4 grasses operated with lower g s and a op at ambient CO 2 , they showed a greater potential to open stomata relative to maximal stomatal conductance (g max ), indicating heightened stomatal sensitivity and control. We uncover novel links between a op , g s , iWUE and K + influx amongst grasses and differential K + influx responses of C 4 guard cells to low light, revealing molecular targets for breeding crops with high iWUE . Highlights Across C 3 and six C 4 grasses, intrinsic water use efficiency was strongly associated with stomatal conductance, operational stomatal aperture, guard cell K + influx and stomatal opening speed on transition to high light.

Abstract To investigate the interactive effects of elevated CO 2 and heat stress (HS), we grew two contrasting wheat cultivars, early-maturing Scout and high-tillering Yitpi, under non-limiting water and nutrients at ambient (aCO 2 , 450 ppm) or elevated (eCO 2 , 650 ppm) CO 2 and 22°C in the glasshouse. Plants were exposed to two 3-day HS cycles at the vegetative (38.1°C) and/or flowering (33.5°C) stage. At aCO 2 , both wheat cultivars showed similar responses of photosynthesis and mesophyll conductance to temperature and produced similar grain yield. Relative to aCO 2 , eCO 2 enhanced photosynthesis rate and reduced stomatal conductance and maximal carboxylation rate ( V cmax ). During HS, high temperature stimulated photosynthesis at eCO 2 in both cultivars, while eCO 2 stimulated photosynthesis in Scout. Electron transport rate ( J max ) was unaffected by any treatment. eCO 2 equally enhanced biomass and grain yield of both cultivars in control, but not HS, plants. HS reduced biomass and yield of Scout at eCO 2 . Yitpi, the cultivar with higher grain nitrogen, underwent a trade-off between grain yield and nitrogen. In conclusion, eCO 2 improved photosynthesis of control and HS wheat, and improved biomass and grain yield of control plants only. Under well-watered conditions, HS was not detrimental to photosynthesis or growth but precluded a yield response to eCO 2 . Key message High temperatures increased photosynthetic rates only at eCO 2 and photosynthesis was upregulated after recovery from heat stress at eCO 2 in Scout suggesting that eCO 2 increased optimum temperature of photosynthesis.

Abstract Hexokinases (HXK) were the first sugar signalling proteins identified in plants and are well known for their feedback regulation of photosynthetic gene expression. In some C 3 plants, HXKs have been found to regulate stomatal function. However, the role of HXK in C 4 photosynthesis, which is inherently more water use efficient than C 3 metabolism, remains poorly understood. Here, we report on the first tissue-specific modification of HXK in a C 4 plant. SvHXK6 was expressed in the model C 4 grass Setaria viridis under the control of the ZmPEPC promoter ( ZmPEPC pro ), which directs expression in the leaf mesophyll tissue. Three S. viridis transgenic lines with increased abundance of SvHXK6 transcripts in the leaf tissue showed significant reduction in stomatal conductance with minimal effects on leaf CO 2 assimilation rate. Consequently, the transgenic lines had higher leaf-level water use efficiency relative to the control (wild-type and null) plants. Overexpression of SvHXK6 had no effect on shoot biomass or seed yield of the S. viridis plants. Our study shows conserved function of HXK in regulating stomatal conductance in a C 4 grass, demonstrating possible widespread utility in improving water use efficiency in C 4 as well as C 3 species.

Summary Improvements in leaf water use efficiency ( iWUE ) can maintain crop productivity in water limited environments under rising temperatures. We investigated the leaf anatomical traits which underpin our recently identified link between leaf width ( LW ) and iWUE . Ten sorghum lines with varying LW were grown under three temperatures to expand the range of variation of both LW and gas exchange rates. Leaf gas exchange, surface morphology and cross-sectional anatomy were measured and analysed using structural equations modelling. Narrower leaves had lower stomatal conductance ( g s ) and higher iWUE across growth temperatures. They also had smaller intercellular airspaces, stomatal size, percentage of open stomatal aperture relative to maximum, hydraulic pathway, mesophyll thickness, and leaf mass per area. Structural modelling revealed a developmental association among leaf anatomical traits that underpinned g s variation in sorghum. Growing temperature and LW both impacted leaf gas exchange rates, but only LW directly impacted leaf anatomy. Wider leaves may be more productive under well-watered conditions, but consume more water for growth and development, which is detrimental under water stress. Highlight Coordination between leaf width and leaf anatomy underpins stomatal conductance variation in sorghum grown under different temperatures.