Abstrakt
kouř z lesních požárů může přetrvávat v životním prostředí týdny a přestože existuje značné množství literatury zkoumající účinky expozice kouře na klíčení semen, účinky kouře na funkci listů jsou téměř nezkoumané. Cílem této studie bylo porovnat růst a primární a sekundární metabolické odpovědi listnatých krytosemenných a stálezelených jehličnatých dřevin s krátkou expozicí kouři. Dvacet minut expozice kouře vedlo k většímu než 50% snížení fotosyntetické kapacity u pěti ze šesti druhů, které jsme zkoumali. Zhoršení fotosyntézy v reakci na kouř bylo funkcí snížení stomatální vodivosti a biochemických omezení. Obecně platí, že listnaté druhy krytosemenných rostlin vykazovaly větší citlivost než stálezelené jehličnany. I když došlo k významnému poklesu fotosyntézy a stomatální vodivosti, kouř neměl významný vliv na růst nebo produkci sloučenin sekundární obrany u žádného ze zkoumaných druhů stromů.
1. Úvod
oheň formoval suchozemské rostlinné komunity za posledních 350 milionů let . Na Západě Intermountain měl oheň nedílnou roli při strukturování rostlinných společenstev s typickými intervaly návratu požáru mezi 35 a 200 lety . Kouř produkovaný z požárů se liší podle zatížení paliva, intenzita, a trvání hoření, a může přetrvávat ve vzduchu týdny . Lepší porozumění reakcím rostlin na kouř je stále důležitější, protože se očekává, že delší vegetační období a zvýšená frekvence a trvání sucha předpokládané v budoucích klimatických scénářích povedou ke zvýšení požárů .
téměř všechny studie, které zkoumají účinky kouře na fyziologii a vývoj rostlin, byly spojeny s klíčením semen . Relativně málo je známo o tom, jak kouř ovlivňuje primární a sekundární metabolismus v rostlinách. Davies a Unam studovali účinky lesních požárů v Indonésii na fotosyntézu a zjistili, že i přes zvýšení CO2 z požárů byla rychlost fotosyntézy snížena. Gilbert a Ripley ukázali, že expozice kouři snížila stomatální vodivost, rychlost asimilace CO2, a koncentrace CO2 v mezibuněčných listech.
teoreticky by kouř mohl snížit fotosyntézu fyzikálními a / nebo chemickými procesy. Fyzicky může produkce kouře vést k deficitům vysokého tlaku par, které mohou vyvolat stomatální uzavření . Chemicky bylo v kouři identifikováno více než 100 sloučenin . Z těch, které byly identifikovány, je známo, že mnoho z nich má fyziologicky účinky na rostliny, včetně NO2, CO2, SO2 a O3 . O3 byl spojen s destrukcí chlorofylu a bylo také prokázáno, že inhibuje kanály K+, které regulují funkci ochranných buněk a zase řídí otevírání stomatálu . SO2 snižuje stomatální vodivost, inhibuje fotosyntetický vývoj kyslíku a transport elektronů a inaktivuje enzymy Kalvinového cyklu . Při kombinaci se ukázalo, že směsi NO2 a SO2 aditivně inhibují fotosyntézu . Dlouhodobé expozice NO2 a SO2 vykazují následné snížení superoxiddismutázy a glutathionreduktázy, což jsou hlavní antioxidační enzymy v rostlinách . Deaktivace funkce antioxidačních enzymů ve spojení s vysokou hladinou ozonu, silného prooxidantu, může podporovat oxidační stres během prodloužené expozice kouři.
změny podmínek prostředí po požáru mohou snížit tlak biotického stresu, který rostliny zažívají. Moritz a Odion našli silný vztah mezi nepřítomností infekce Phytophthora ramorum a časem od posledního popálení. Navrhli, že oheň může inhibovat aktivitu patogenů zvýšením dostupnosti Ca, což je zásadní pro odolnost rostlin vůči chorobám . Sušší mikroklima po požáru mohou omezit růst houbových patogenů, a Schwartz et al. navrhl, že fungicidní vlastnosti kouře snižuje plísňové infekce a růst na listech .
kouř je vysoce komplexní chemický koktejl s rostlinnými aktivními sloučeninami, který může poskytnout informace rostlinám v ekosystémech, které nedávno zažily požár. Například, kouř je používán jako tágo semeny u některých druhů rostlin přizpůsobených ohni jako signál, že podmínky jsou příznivé pro klíčení, například, . Butenolid 3-methyl-2H-furopyran-2-On je sloučenina v kouři, která indukuje klíčení . Není známo, jak semeno vnímá butenolid, ale existují důkazy, že spouští klíčení usnadněním absorpce vody . Vzhledem k tomu, že po požáru dochází k mnoha změnám podmínek prostředí (např. v půdě a snížené zatížení patogenem), rostliny mohou používat kouř jako environmentální podnět k zahájení dalších adaptivních metabolických a růstových reakcí.
kondenzované taniny a fenolické glykosidy jsou listové obranné sloučeniny, které rostliny často produkují ve velmi vysokých koncentracích (u některých druhů až 30% suché hmotnosti), aby se bránily proti napadení býložravci a patogeny . Přidělení zdrojů na výrobu obranné chemie má za následek kompromis, kde je snížen růstový potenciál . Byla prokázána plasticita ve výrobě obranné chemie v reakci na posuny v podmínkách prostředí . Ve scénáři po požáru může snížení tlaku patogenů a hmyzu vést ke snížené potřebě vysokých hladin sekundárních obranných sloučenin, a tím umožnit větší alokaci zdrojů pro růst a reprodukci.
Zde zkoumáme reakce tří listnatých krytosemenných (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) a tří stálezelených jehličnanů (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii a Picea pungens) na krátkodobé expozice kouře. Předpokládáme, že: (1) vystavení kouři snižuje rychlost fotosyntézy a stomatální vodivosti; (2) kouř slouží jako signál, který má za následek přidělení zdrojů sazenic od produkce obranné chemie k růstu.
2. Materiály a metody
šest druhů stromů (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii a Picea pungens) ve druhém roce růstu bylo použito jako léčebné jednotky. Tyto druhy byly vybrány, protože mají úpravy, které jim umožňují přežít oheň prostřednictvím odporu nebo regenerace, což naznačuje, že se vyvinuly v reakci na oheň. Populus tremuloides (třesoucí se osika), Acer glabrum (Javor Skalnatých hor) a Quercus gambelii (dub hazardní) reagují na oheň opětovným výhonkem kořenů. Stálezelené druhy jehličnanů, jako je Pinus ponderosa (borovice ponderosa) a Pseudotsuga menziesii (Douglas-jedle), používají strategii požární odolnosti svou silnou kůrou . Picea pungens (modrý smrk) není známý pro požární odolnost, ale je užitečný jako další stálezelený druh jehličnanů, který pravidelně zažívá oheň. Všechny tyto druhy jsou běžné ve Skalistých horách a jsou ekologicky důležitými druhy. Populus tremuloides byl pěstován z divokých kořenových řízků ze společného klonu a zbývajících pět druhů bylo získáno ze dvou stromových školek (Sun Mountain growers, v Kaysville, Utah a Plants of the Wild, Tekoa, Washington) jako hrnkové a holé kořenové sazenice.
před výsadbou byly kořeny sazenic promyty a změřena čerstvá hmotnost rostlin. V rámci každého druhu byly ve studii použity stromy jednotné hmotnosti a výšky. Ve dnech 26. -27. března 2008 byl každý strom transplantován do rašeliny / perlitu (3 : 1) – založené médium 75% -80% Kanadský rašeliník rašeliník se sádrou, perlit, vápenec a smáčedla (Sunshine Mix #1, Sun Gro zahradnictví, Bellevue, WA) v květináčích 23,5 cm 11,5 cm2. Do každé nádoby byly přidány čtyři gramy rostlinné potravy Osmocote Smart Release s 14-14-14, aby se poskytly potřebné živiny pro růst. Stromy byly po zbytek léta ve skleníku s řízeným klimatem a dvakrát týdně byly napojeny na nasycení.
2.1. Léčba kouřem
od 26. do 30. května 2008 bylo pět replikovaných sazenic každého druhu vystaveno kouři rozloženému v čase (jedna replika každý den, po dobu pěti dnů). Expozice kouře nastala po dobu 20 minut. Druhý cyklus expozice kouře na stejných rostlinách nastal od 9. do 13. června 2008.
kouřová komora byla vyrobena z uzavřeného plastového chladiče (95 cm 38 cm 45 cm). Ke generování kouře byly použity stejné části sušeného listového materiálu získané z každého ze šesti druhů stromů ve studii. Listy byly spáleny ve skleněné nálevce namontované do baňky, která byla připojena k horní části skleněné baňky. Baňka byla ochlazena v ledové lázni, aby se eliminovalo zvýšení teploty uvnitř komory. Po dobu 25 sekund bylo 500 mg směsi listového materiálu spáleno na popel butanovým zapalovačem a kouř byl vytažen plastovými hadičkami do komory pomocí vakua připojeného k hadičkám na dně chladiče. Ventilátor uvnitř chladiče rozptýlil kouř a fluorescenční světlo uvnitř chladiče poskytovalo nízkou úroveň osvětlení. Teploty uvnitř kouřové komory nikdy nepřekročily, měřeno datovým záznamníkem Hobo U10-003 (Počátek Computer Corporation, Pocasset, MA). Pro kontrolní ošetření byla použita druhá komora identická s první. Všechny postupy byly přesně stejné pro kontrolní komoru s tou výjimkou, že listový materiál nebyl umístěn do skleněné nálevky.
je obtížné porovnat naši expozici kouře s tím, co se vyskytuje v přírodním prostředí, protože produkce kouře je v západní Severní Americe extrémně variabilní . To je částečně způsobeno změnami v zatížení paliva, spotřebě paliva, rychlosti emisí a rychlosti rozptylu . Smíšené jehličnaté lesní palivové zatížení se může lišit od 63-112 MT a osiky od 20-83 MT . Když jsme použili 0,03 MT (Plocha listové hmoty kouřové komory), odhadujeme, že naše expozice kouře je méně koncentrovaná než to, co se vyskytuje při lesním požáru.
2.2. Výměna plynů
po expozici kouře byly ošetřené rostliny odstraněny z kouřové komory, aby se měřily rychlosti fotosyntézy a stomatální vodivosti systémem výměny plynů (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Fotosyntetická měření byla provedena při fotosyntetické hustotě fotonového toku (PPFD) 1200 mol m−2 s−1 se zdrojem 6400-04 LED modro-červeného světla při okolní teplotě a vlhkosti. Byla provedena dvě měření při koncentracích CO2 385 ppm a 1000 ppm, přičemž koncentrace CO2 byly dosaženy pomocí mixéru CO2 k rozlišení, zda účinky kouře na fotosyntézu souvisejí se stomatálními a / nebo biochemickými omezeními . Měření byla zahájena utěsněním listu v komoře na nejmladším plně rozšířeném listu nebo jehlách každého stromu. Poté, co koncentrace CO2 a vodní páry v listové komoře dosáhly ustáleného stavu (60-90 sekund), byly zaznamenány rychlosti fotosyntézy a stomatální vodivosti. Měření byla provedena bezprostředně po expozici kouři, 30 minut po expozici a poté každých 70 minut až do 310 minut.
pro výpočet plochy listů pro listy, které nenaplnily listovou komoru, byly listy vysledovány na papíře, který byl vyříznut a poté změřen pro plochu pomocí měřiče plochy listů (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). Plocha jehly byla vypočtena skenováním obrazu jehel a měřicí oblasti s obrazem Scion pro Windows (Frederick, Maryland, USA).
2.3. Růst
29. července 2008 byly stromy sklizeny pro měření růstu a hmotnosti. Byla změřena výška stonku a poté byla sazenice odříznuta na úrovni půdy a kořeny i výhonky byly sušeny po dobu 72 hodin, aby se získala suchá hmota pomocí analytické rovnováhy (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, USA).
2.4. Sekundární chemie
listy a jehly byly odstraněny ze sazenic devět týdnů po expozici kouři (29. července 2008)a zabaleny na suchý led, než byly přemístěny do skladu pro pozdější analýzu fenolických glykosidů a kondenzovaných taninů. Listy byly lyofilizovány a jehly byly sušeny v peci po dobu 72 hodin. Materiál listů a jehel byl poté rozdrcen v mlýně Wiley pomocí obrazovky č. 10. Taniny byly kvantifikovány pro všechny druhy pomocí modifikované metody butanol-HCL popsané v Porter et al. , kde bylo přibližně 50 mg listového materiálu umístěno do 2 mL zkumavek se šroubovacím uzávěrem, suspendovaných v 1 mL 70% roztoku kyseliny aceton-10 mM kyseliny askorbové. Vzorky byly poté vortexovány na vysoké úrovni po dobu 20 minut. Kapalný supernatant byl poté odstraněn a extrakce byla opakována. Koncentrace taninů byla poté kvantifikována spektrofotometricky (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Kanada) za použití čištěných taninů jako standardu.
fenolické glykosidy, salicortin a tremulacin, byly extrahovány z přibližně 50 mg tkáně osikových listů (ostatní druhy neobsahují významné hladiny fenolických glykosidů). Vzorky tkáně byly umístěny do 2 mL zkumavek se šroubovacím uzávěrem a suspendovány v methanolu. Vzorky byly pak vortexed na vysoké po dobu 5 minut. Kapalný supernatant byl odstraněn a extrakce byla opakována. Konečné koncentrace salikortinu a tremulacinu byly kvantifikovány pomocí vysoce výkonné kapalinové chromatografie (řada Agilent 1100, Santa Clara, CA, USA)s kolonou Luna 2, C18 (150 4,6 mm, 5 m) při průtoku 1 mL / min. Píky sloučenin byly detekovány pomocí UV lampy o vlnové délce 280 nm s purifikovanými standardy salicortinu a tremulacinu izolovanými z listů osiky .
2.5. Statistická analýza
provedli jsme studentský test, který testoval rozdíly v obranné chemii a růstu. Analýza rozptylu opakovaných měření (ANOVA )byla použita k testování účinků expozice kouře na rychlosti fotosyntézy od 30 minut po expozici do 310 minut po expozici pomocí času jako faktoru“ uvnitř“. Homogenita rozptylu a normality byla testována pomocí statistik Shapiro-Wilk W a testů stejné rozptylu. Data, která nesplňovala předpoklady pro parametrické testy, byla testována pomocí testu Wilcox rank sum, zatímco data v grafech a tabulkách nebyla transformována. Statistická analýza byla provedena pomocí statistického softwaru JMP verze 7 (SAS Institute, Cary, NC, USA).
3. Výsledky
všechny druhy vykazovaly významné rozdíly ve stomatální vodivosti a rychlosti fotosyntézy 30 minut po expozici, s výjimkou douglasky. Osika a borovice ponderosa vykazovaly největší snížení fotosyntézy (Obrázek 1). Douglas-fir zpočátku vykazoval významný pokles a (údaje nejsou zobrazeny). Dva týdny po expozici byly znovu měřeny rychlosti fotosyntézy a u všech druhů došlo k úplnému zotavení (údaje nejsou zobrazeny).
(a)
(b)
(a)
(b)
(maximální rychlost fotosyntézy) a (stomatální vodivost) po 30 minutách expozice kouři. Jediným druhem bez významných rozdílů mezi ošetřeními (na úrovni) byla douglaska.
analýza opakovaných měření rychlosti fotosyntézy při 1000 ppm CO2 ukázala významný časový efekt (- hodnota), ve kterém se rychlost fotosyntézy zotavila z expozice kouře v průběhu času (Obrázek 2). Při 1000 ppm došlo také k významné interakci mezi časem a typem druhu (opadavé krytosemenné a stálezelené jehličnany) (- value = .0073) s opadavými druhy krytosemenných rostlin vykazujícími pomalejší zotavení (Obrázek 2). Při 385 ppm CO2 byl čas jediným významným účinkem v modelu opakovaných opatření (- value =.0209). Druhový typ byl okrajově významný (- value = .0709).
(a)
(b)
(a)
(b)
snížené rychlosti fotosyntézy vyjádřené jako procentní rozdíl od kontroly při koncentracích CO2 v prostředí (a) (385 ppm) a saturaci (b) (1000 ppm).
nebyly zjištěny žádné významné rozdíly v růstu, kondenzovaných taninech nebo fenolických glykosidech (obrázek 3; Údaje nejsou uvedeny pro posledně uvedené).
(a)
(b)
(a)
(b)
srovnání biomasy a kondenzovaných taninů ve vzorcích a kontrolách vystavených kouři. Nebyly zjištěny žádné významné rozdíly mezi léčbou jakéhokoli druhu.
4. Diskuse
data jsou v souladu s naší první hypotézou, že expozice kouře snižuje rychlost fotosyntézy. Porovnání fotosyntetických reakcí při okolních a saturačních koncentracích CO2 naznačuje, že kouř ovlivňuje fotosyntetickou funkci snížením stomatální vodivosti a poškozením biochemické funkce (Obrázek 2). Naše výsledky poprvé ukazují, že fotosyntetická citlivost na kouř se vyskytuje u různých vzorků dřevin a že mezi těmito druhy existuje široká variabilita citlivosti.
vzhledem ke složitosti složek kouře je těžké určit, které chemikálie mohou nepříznivě ovlivňovat fotosyntézu. Různé sloučeniny v kouři, jako jsou NO a NO2, ovlivňují druhy rostlin v různé míře . Zjistili jsme, že stálezelené jehličnany se zpočátku zotavovaly z expozice kouře rychleji než listnaté krytosemenné rostliny (Obrázek 2). Třicet minut po ukončení léčby kouřem se úplně zotavila pouze jedle Douglasová (počáteční snížené rychlosti fotosyntézy nejsou zobrazeny) (Obrázek 1). Přestože se stálezelené jehličnany zotavovaly rychleji než listnaté krytosemenné rostliny, nedošlo k žádným změnám ve vzorcích růstu nebo produkci obranné chemie v reakci na expozici kouře (obrázek 3). To naznačuje, že z našich relativně krátkých 20minutových expozic kouře nebyly žádné dlouhodobé účinky.
proč se stálezelené jehličnany zpočátku zotavovaly rychleji než listnaté krytosemenné rostliny, není známo. Druhy rostlin mohou vyvinout toleranci vůči znečišťujícím látkám, o nichž je známo, že ovlivňují fotosyntézu . Větší tolerance u stálezelených jehličnanů by mohla být výsledkem různých požárních strategií, ve kterém gamble oak, rocky mountain maple, a osika používají strategii přežití nadměrné morálky následovanou asexuální regenerací později . V porovnání, stálezelené druhy jehličnanů, včetně borovice ponderosa a jedle douglasky, používají strategii požární odolnosti s jejich silnou kůrou, která umožňuje přežití overstory . Předpokládáme, že druhy, které používají strategii požární odolnosti, by měly větší potřebu vyvinout mechanismy tolerance, aby se zabránilo negativním účinkům vystavení jehly kouři po delší dobu.
výsledky jsou v rozporu s druhými hypotézami, které kouř mění růstové vzorce nebo alokaci obranné chemie. Je pravděpodobné, že dvě 20minutové expozice kouře nestačí k vyvolání růstové reakce. V západní Severní Americe, rostliny mohou být vystaveny kouři na stupnicích týdnů až měsíců, jak je přezkoumáno v. Expozice kouře takové délky jsou v kontrolovaných studiích nepraktické, ale údaje o letokruzích by mohly být potenciálně použity ke zkoumání korelací mezi tempem růstu a rozsahem kouře v letní sezóně, pokud lze započítat další matoucí faktory.
existuje několik možných důvodů, proč jsme nenašli žádné významné rozdíly v obranné chemii v reakci na léčbu kouře. Za prvé, pro osika je známo, že různé genotypy reagují odlišně na změny prostředí . Zde jsme použili pouze jeden genotyp a to by mohlo vést k chybějícím reakcím, které se vyskytují u jiných genotypů osiky. Za druhé, na rozdíl od klíčení semen, rostliny nemusí používat kouř jako podnět pro fyziologické reakce listů po požáru. Zatřetí, zatímco jsme se podívali na dvě důležité obranné sloučeniny založené na množství a funkci, rozhodně jsme neprovedli komplexní průzkum sekundárních metabolických odpovědí. Konečně je také možné, že podpis našich expozic kouře (chemie, načasování, intenzita) nebyl dostatečný pro vyvolání obranné reakce.
protože v kouři je mnoho sloučenin a víme tak málo o tom, jak mohou ovlivnit rostliny, musíme se hodně dozvědět o vlivu kouře na funkci rostlin. Skutečnost, že různé druhy rostlin mohou vykazovat různé reakce na kouř, kromě potenciálu různých druhů rostlin produkovat vlastní komplexní sadu sloučenin, naznačuje, že ve funkci rostlin a ekosystémů mohou existovat některé zajímavé role kouře.
poděkování
Děkujeme Joey Schmutzovi za pomoc při výsadbě a sledování sazenic, Eric Smith za pomoc při expozici kouře a zpracování vzorků a Mitchell Calder za pomoc při sklizni.
