It is commonly assumed that transpiration does not occur at night because leaf stomata are closed in the dark. We tested this assumption across a diversity of ecosystems and woody plant species by various methods to explore the circumstances when this assumption is false. Our primary goals were: (1) to evaluate the nature and magnitude of nighttime transpiration, En, or stomatal conductance, gn; and (2) to seek potential generalizations about where and when it occurs. Sap-flow, porometry and stable isotope tracer measurements were made on 18 tree and eight shrub species from seven ecosystem types. Coupled with environmental data, our findings revealed that most of these species transpired at night. For some species and circumstances, nighttime leaf water loss constituted a significant fraction of total daily water use. Our evidence shows that En or gn can occur in all but one shrub species across the systems we investigated. However, under conditions of high nighttime evaporative demand or low soil water availability, stomata were closed and En or gn approached zero in eleven tree and seven shrub species. When soil water was available, En or gn was measurable in these same species demonstrating plasticity for En or gn. We detected En or gn in both trees and shrubs, and values were highest in plants from sites with higher soil water contents and in plants from ecosystems that were less prone to atmospheric or soil water deficits. Irrespective of plant or ecosystem type, many species showed En or gn when soil water deficits were slight or non-existent, or immediately after rainfall events that followed a period of soil water deficit. The strongest relationship was between En or gn and warm, low humidity and (or) windy (> 0.8 m s−1) nights when the vapor pressure deficit remained high (> 0.2 kPa in wet sites, > 0.7 kPa in dry sites). Why En or gn occurs likely varies with species and ecosystem type; however, our data support four plausible explanations: (1) it may facilitate carbon fixation earlier in the day because stomata are already open; (2) it may enhance nutrient supply to distal parts of the crown when these nutrients are most available (in wet soils) and transport is rapid; (3) it may allow for the delivery of dissolved O2 via the parenchyma to woody tissue sinks; or (4) it may occur simply because of leaky cuticles in older leaves or when stomata cannot close fully because of obstructions from stomatal (waxy) plugs, leaf endophytes or asymmetrical guard cells (all non-adaptive reasons). We discuss the methodological, ecophysiological, and theoretical implications of the occurrence of En or gn for investigations at a variety of scales.

Summary During the Cretaceous (145-66 Ma), early angiosperms rapidly diversified, eventually outcompeting the ferns and gymnosperms previously dominating most ecosystems. Heightened competitive abilities of angiosperms are often attributed to higher rates of transpiration facilitating faster growth. This hypothesis does not explain how angiosperms were able to develop leaves with smaller, but densely packed stomata and highly branched venation networks needed to support increased gas exchange rates. Although genome duplication and reorganization have likely facilitated angiosperm diversification, here we show that genome downsizing facilitated reductions in cell size necessary to construct leaves with a high density stomata and veins. Rapid genome downsizing during the early Cretaceous allowed angiosperms to push the frontiers of anatomical trait space. In contrast, during the same time period ferns and gymnosperms exhibited no such changes in genome size, stomatal size, or vein density. Further reinforcing the effect of genome downsizing on increased gas exchange rates, we found that species employing water-loss limiting crassulacean acid metabolism (CAM) photosynthesis, have significantly larger genomes than C3 and C4 species. By directly affecting cell size and gas exchange capacity, genome downsizing brought actual primary productivity closer to its maximum potential. These results suggest species with small genomes, exhibiting a larger range of final cell size, can more finely tune their leaf physiology to environmental conditions and inhabit a broader range of habitats.

Summary - Producing and maintaining flowers is essential for reproduction in most angiosperms, underpinning population persistence and speciation. Although the physiological costs of flowers often oppose pollinator selection, these physiological costs have rarely been quantified. - We measured a suite of physiological traits quantifying the water and carbon costs and drought tolerance on flowers and leaves of over 100 phylogenetically diverse species, including water and dry mass contents, minimum epidermal conductance to water vapor ( g min ), vein density, and dry mass per area. - Although there was substantial variation among species, flowers had significantly higher g min and water content per unit area than leaves, but significantly lower vein density and dry mass per area than leaves. Both leaves and flowers exhibited similarly strong scaling between dry mass investment and water content. - The higher g min of flowers offset their higher water content, suggesting that flowers may desiccate more rapidly than leaves during drought. The coordination between dry mass and water investment suggests that flowers rely on a hydrostatic skeleton to remain upright rather than on a carbon-based skeleton. For short-lived structures like flowers, water may be relatively cheaper than carbon, particularly given the relatively high amount of water loss per unit of carbon synthesized in photosynthesis.

ABSTRACT Background and Aims While genome size limits the minimum sizes and maximum numbers of cells that can be packed into a given leaf volume, mature cell sizes can be substantially larger than their meristematic precursors and vary in response to abiotic conditions. Mangroves are iconic examples of how abiotic conditions can influence the evolution of plant phenotypes. Methods Here, we examined the coordination between genome size, leaf cell sizes, and cell packing densities, and leaf size in 13 mangrove species across four sites. Four of these species occurred at more than one site, allowing us to test the effect of climate on leaf anatomy. Results We found that genome sizes of mangroves were very small compared to other angiosperms, and, like other angiosperms, mangrove cells were always larger than the minimum size defined by genome size. Increasing mean annual temperature of a growth site led to higher packing densities of veins ( D v ) and stomata ( D s ) and smaller epidermal cells but had no effect on stomatal size. Contrary to other angiosperms, mangroves exhibited (1) a negative relationship between guard cell size and genome size; (2) epidermal cells that were smaller than stomata, and (3) coordination between D v and D s that was not mediated by epidermal cell size. Furthermore, mangrove epidermal cell sizes and packing densities covaried with leaf size. Conclusions While mangroves exhibited coordination between veins and stomata and attained a maximum theoretical stomatal conductance similar to other angiosperms, the tissue-level tradeoffs underlying these similar relationships across species and environments was markedly different, perhaps indicative of the unique structural and physiological adaptations of mangroves to their stressful environments.

Flowers are critical for successful reproduction, yet we know little about how they remain turgid and showy throughout anthesis to attract pollinators. Recent evidence suggests that early in angiosperm evolution there was a major shift in the hydraulic structure-function relationships of flowers, with early-divergent ANA grade and magnoliid flowers exhibiting traits more reminiscent of leaves. Among extant species, flowers of the genus Calycanthus (Calycanthaceae) have the highest whole-flower hydraulic conductance, suggesting that they rely predominantly on continuous delivery of water by the xylem. Here we combine diurnal measurements of gas exchange and water potential, pressure-volume relations, functional responses of gas exchange, and high resolution X-ray computed microtomographic imaging to characterize how Calycanthus flowers maintain turgor and prevent embolism formation. Flowers always exhibited water potentials intermediate between stems and leaves, yet flowers had higher turgor loss points and higher hydraulic capacitances than leaves. Despite having a high turgor loss point (-0.45 MPa), C. floridus flowers did not exhibit embolism until water potentials declined below -2 MPa, lower than any floral water potentials measured in the field. Because flowers had limited capacity to regulate water loss, floral transpiration exceeded foliar transpiration under hot, dry conditions. Through a combination of high hydraulic conductance and high hydraulic capacitance, water potential gradients between stems and flowers were minimized. These results suggest that the loss of stomatal control to minimize transpiration from flowers requires high hydraulic capacitance, which helps to minimize water potential declines and prevent embolism formation.

The need to maintain water balance has been a critical constraints shaping the evolution of leaf form and function. Vein and stomatal traits have undergone coordinated evolution to maintain water supply and prevent water loss. However, flowers, which are heterotrophic and relatively short-lived, may not be constrained by the same physiological and developmental factors. We measured a variety of physiological parameters derived from pressure-volume curves for leaves and flowers of 22 species from the magnoliids, monocots, and eudicots to determine whether floral hydraulic traits are governed by the same constraints as leaves. The trait the differentiated flowers and leaves the most was the saturated water content, which was a strong predictor of hydraulic capacitance for leaves and flowers. Using principal component analysis, we show that flowers occupied not only a different region of multivariate trait space than leaves but also that hydraulic strategies are more diverse in flowers than their conspecific leaves. These results suggest that relaxing constraints on maintaining high transpiration rates has allowed flowers to rely on other hydraulic traits to maintain turgor, which has important implications for both the costs of reproduction and for the biomechanical performance of flowers, particularly during drought.

Flowers play a critical role in reproduction for most of the flowering plants, and maintaining flowers throughout their lifespan can require substantial resources, such as carbon and water. Increases in temperature and aridity due to climate change are shifting the atmospheric conditions experienced by flowers, potentially altering the costs of floral maintenance. However, little is known about floral physiology and the capacity of flowers to regulate water loss. Because many flowers have few, if any, stomata, flowers may not be able to curtail water loss when the atmospheric demand for water vapor is high. Here, we tested whether the surface conductance of of flower petals, tepals, and showy bracts responds dynamically to changes in the vapor pressure gradient driving water loss. We measure the responses of flower surface conductance (gs) to step changes in the vapor pressure gradient on nine species. Across species, gs was low among all species, and there was little, if any, response in gs to step changes in humidity. The lack of response in gs resulted in linear responses of transpirational water loss to variation in vapor pressure deficit. These results suggest that unusually hot, dry conditions could elevate water loss from flowers, leading to premature wilting and senescence, thereby shortening floral longevity.

A central challenge in plant ecology is to define the major axes of plant functional variation with direct consequences for fitness. Central to the three main components of plant fitness (growth, survival, and reproduction) is the rate of metabolic conversion of CO2 into carbon that can be allocated to various structures and functions. Here we (1) argue that a primary constraint on the maximum rate of photosynthesis per unit leaf area is the size and packing density of cells and (2) show that variation in genome size is a strong predictor of cell sizes, packing densities, and the maximum rate of photosynthesis across terrestrial vascular plants. Regardless of the genic content associated with variation in genome size, the simple biophysical constraints of encapsulating the genome define the lower limit of cell size and the upper limit of cell packing densities, as well as the range of possible cell sizes and densities. Genome size, therefore, acts as a first-order constraint on carbon gain and is predicted to define the upper limits of allocation to growth, reproduction, and defense. The strong effects of genome size on metabolism, therefore, have broad implications for plant biogeography and for other theories of plant ecology, and suggest that selection on metabolism may have a role in genome size evolution.

Maintaining high rates of photosynthesis in leaves requires efficient movement of CO2 from the atmosphere to the chloroplasts inside the leaf where it is converted into sugar. Throughout the evolution of vascular plants, CO2 diffusion across the leaf surface was maximized by reducing the sizes of the guard cells that form stomatal pores in the leaf epidermis. Once inside the leaf, CO2 must diffuse through the intercellular airspace and into the mesophyll cells where photosynthesis occurs. However, the diffusive interface defined by the mesophyll cells and the airspace and its coordinated evolution with other leaf traits are not well described. Here we show that among vascular plants variation in the total amount of mesophyll surface area per unit mesophyll volume is driven primarily by cell size, the lower limit of which is defined by genome size. The higher surface area enabled by smaller cells allows for more efficient CO2 diffusion into photosynthetic mesophyll cells. Our results demonstrate that genome downsizing among the flowering plants6 was critical to restructuring the entire pathway of CO2 diffusion, facilitating high rates of CO2 supply to the leaf mesophyll cells despite declining atmospheric CO2 levels during the Cretaceous.

Background and Aims: Despite the predominance of scaling photosynthetic metabolism by two-dimensional leaf surface area, leaves are three-dimensional structures composed of multiple tissues that directly and indirectly influence photosynthetic metabolism. The structure of leaf surfaces for CO2 diffusion and light transmission and the internal volume of tissues that process energy and matter work together to control rates of resource acquisition and turnover. Here we investigate the influence of cell size and packing density on resource acquisition as measured by surface conductance to CO2 and water vapor and on resource turnover as measured by leaf water turnover time. Methods: We sampled wild and cultivated congeneric species in the genus Rhododendron (Ericaceae) and measured genome size, anatomical traits related to cell sizes and packing densities, and morphological traits related to water content and dry mass allocation. Results: Among Rhododendron, anatomical traits related to cell size and morphological traits related to water content and dry mass investment varied largely orthogonally to each other, allowing for many combinations of leaf traits to exist. However, there was a strong, negative relationship between the leaf water residence time (τ) and the maximum leaf surface conductance per leaf volume (gmax,vol), both of which are influenced by cell size and cell packing densities. Conclusions: Despite leaf function being controlled by many potential combinations of leaf cell- and tissue-level traits, cell size has a pervasive effect on leaf function. Small cells allow for higher diffusion of CO2 and water vapor per unit leaf volume (gmax,vol) even at constant leaf thickness, but small cells also result in shorter leaf water residence times (τ). The strong tradeoff between gmax,vol and (τ) illuminates how genome size-cell size allometry influences the fast-slow continuum of plant carbon and water economy.