abstrakt
røg fra skovbrande kan fortsætte i miljøet i uger, og mens der er en betydelig mængde litteratur, der undersøger virkningerne af røgeksponering på frøspiring, er virkningerne af røg på bladfunktionen næsten ikke undersøgt. Formålet med denne undersøgelse var at sammenligne vækst og primære og sekundære metaboliske reaktioner af løvfældende angiosperm og stedsegrønne nåletræarter med kort røgeksponering. Tyve minutters røgeksponering resulterede i en større end 50% reduktion i fotosyntetisk kapacitet hos fem af de seks arter, vi undersøgte. Forringelse af fotosyntese som reaktion på røg var en funktion af reduktioner i stomatal konduktans og biokemiske begrænsninger. Generelt viste løvfældende angiospermarter en større følsomhed end stedsegrønne nåletræer. Mens der var signifikante fald i fotosyntese og stomatal konduktans, røg havde ingen signifikant effekt på vækst eller sekundær forsvarsforbindelsesproduktion i nogen af de undersøgte træarter.
1. Introduktion
Brand har formet jordbaserede plantesamfund i de sidste 350 millioner år . I Intermountain vest har ild haft en integreret rolle i struktureringen af plantesamfund med typiske brandreturintervaller mellem 35 og 200 år . Røg produceret fra brande varierer med brændstofbelastningen, intensiteten og varigheden af brændingen og kan fortsætte i luften i uger . En bedre forståelse af planternes reaktioner på røg bliver stadig mere relevant, da længere vækstsæsoner og øget tørkefrekvens og varighed, der forventes under fremtidige klimascenarier, forventes at resultere i en stigning i skovbrande .
næsten alle de undersøgelser, der undersøger virkningen af røg på plantefysiologi og udvikling, er bundet til frøspiring . Relativt lidt er kendt om, hvordan røg påvirker primær og sekundær metabolisme i planter. Davies og Unam studerede virkningerne af skovbrande i Indonesien på fotosyntese og fandt, at på trods af stigninger i CO2 fra brande blev fotosyntetiske satser sænket. Gilbert og Ripley viste, at røgeksponering reducerede stomatal konduktans, CO2-assimileringshastighed og intercellulære CO2-koncentrationer i blade.
i teorien kan røg reducere fotosyntese gennem fysiske og/eller kemiske processer. Fysisk kan røgproduktion føre til underskud med højt damptryk, der kan udløse stomatal lukning . Kemisk er over 100 forbindelser blevet identificeret i røg . Af dem, der er blevet identificeret, er mange kendt for at have fysiologisk virkninger på planter , herunder NO2, CO2, SO2 og O3 . O3 har været forbundet med ødelæggelsen af klorofyl og har også vist sig at hæmme K+ – kanalerne, der regulerer beskyttelsescellefunktion og igen styrer stomatal åbning . SO2 reducerer stomatalkonduktans, hæmmer fotosyntetisk iltudvikling og elektrontransport og inaktiverer Calvincyklus . Når de kombineres, har NO2-og SO2-blandinger vist sig at hæmme fotosyntesen additivt . Langtidseksponeringer med NO2 og SO2 viser efterfølgende reduktioner i superkildesimutase og glutathionreduktase , som er vigtige antioksidantstoffer i planter . Dette er en af de mest almindelige årsager til, at en person er i stand til at blive udsat for rygning.
ændringer i miljøforhold efter en brand kan reducere det biotiske stresstryk, som planter oplever. Morits og Odion fandt et stærkt forhold mellem fraværet af infektion af Phytophthora ramorum og tid siden sidste forbrænding. De foreslog, at brand kan hæmme patogenaktivitet ved at øge tilgængeligheden af Ca, hvilket er afgørende for plantebestandighed mod sygdom . Tørrere mikroklimaer efter brand kan begrænse svampepatogens vækst. foreslået, at de fungicide egenskaber ved røg reducerede svampeinfektion og vækst på blade .
røg er en meget kompleks kemisk cocktail med planteaktive forbindelser, der kan give information til planter i økosystemer, der for nylig har oplevet ild. For eksempel anvendes røg som et signal af frø i nogle brandtilpassede plantearter som et signal om, at betingelserne er gunstige for spiring, for eksempel,. Butenolid 3-methyl-2H-furopyran-2-one er en forbindelse i røg, der inducerer spiring . Det er ukendt, hvordan frøet opfatter butenolidet, men der er tegn på, at det udløser spiring ved at lette optagelsen af vand . Da der er mange ændringer i miljøforholdene efter en brand (f. eks., reduktion i konkurrence, næringsimpulser i jorden og nedsat patogenbelastning), kan planter bruge røg som et miljømæssigt signal til at indlede andre adaptive metaboliske og vækstresponser.
kondenserede tanniner og phenolglycosider er bladforsvarsforbindelser, som planter ofte producerer i meget høje koncentrationer (op til 30% tørvægt hos nogle arter) for at forsvare sig mod planteædende og patogenangreb . Tildeling af ressourcer til forsvarskemiproduktion resulterer i en afvejning, hvor vækstpotentialet reduceres . Plasticitet i forsvarskemiproduktion som reaktion på skift i miljøforhold er blevet demonstreret . I et postfire-scenarie kan en reduktion i patogen-og insekttryk resultere i et reduceret behov for høje niveauer af sekundære forsvarsforbindelser og derved muliggøre en større ressourceallokering til vækst og reproduktion.
Her undersøger vi svarene fra tre løvfældende angiosperm (Populus tremuloides, Acer glabrum, Gambelii) og tre stedsegrønne nåletræer (Pinus ponderosa, Pseudotsuga mensiesii og Picea pungens) træarter til kortvarig røgeksponering. Vi antager, at: (1) eksponering for røg reducerer hastigheden af fotosyntese og stomatal konduktans; (2) røg tjener som et signal, der resulterer i tildeling af frøplanteressourcer væk fra forsvarskemiproduktion til vækst.
2. Materialer og metoder
seks træarter (Populus tremuloides, Acer glabrum, Gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga mensiesii og Picea pungens) i deres andet vækstår blev brugt som behandlingsenheder. Disse arter blev valgt, fordi de har tilpasninger, der giver dem mulighed for at overleve ild gennem modstand eller regenerering, hvilket indikerer, at de har udviklet sig som reaktion på ild. Populus tremuloides (skælvende asp), Acer glabrum (Rocky Mountain maple) og Gambelii (gamble oak) reagerer på ild med resprouting gennem rodsugere . Stedsegrønne nåletræarter som Pinus ponderosa (Ponderosa pine) og Pseudotsuga menciesii (Douglas-gran) anvender en strategi for brandmodstand med deres tykke bark . Picea pungens (blå gran) er ikke kendt for brandmodstand, men det er nyttigt som en anden stedsegrøn nåletræsart, der regelmæssigt oplever ild. Alle disse arter er almindelige i Rocky Mountains og er økologisk vigtige arter. Populus tremuloides blev dyrket af vilde rodstiklinger fra en almindelig klon, og de resterende fem arter blev opnået fra to træplanteskoler (Sun Mountain avlere, i Kaysville, Utah, og planter af naturen, Tekoa, USA) som potteplanter og bare rodplanter.
før plantning blev frøplanterødder vasket og frisk vægt plantemasse blev målt. Inden for hver art blev træer med ensartet masse og højde anvendt i undersøgelsen. Den 26. -27. marts 2008 blev hvert træ transplanteret i en tørv / perlit (3 : 1) – baseret medium på 75% -80% Canadisk Sphagnum tørvemos med gips, perlit, kalksten og befugtningsmiddel (Solskinsblanding #1, Solgro havebrug, Bellevue, V) i potter 23,5 cm 11,5 cm2. Fire gram Osmocote Smart Release plantemad med 14-14-14 blev tilsat til hver gryde for at give nødvendige næringsstoffer til vækst. Træerne var i et klimakontrolleret drivhus resten af sommeren og blev vandet til mætning to gange om ugen.
2.1. Røgbehandling
fra 26.Til 30. maj 2008 blev fem replikerede kimplanter af hver art udsat for røg forskudt over tid (en replikat hver dag over en fem-dages periode). Røgeksponering fandt sted i 20 minutter. En anden cyklus af røgeksponering på de samme planter fandt sted fra 9.til 13. juni 2008.
røgkammeret blev fremstillet af en forseglet plastkøler (95 cm 38 cm 45 cm). Lige dele af tørret bladmateriale opnået fra hver af de seks træarter i undersøgelsen blev brugt til at generere røgen. Bladene blev forbrændt i en glastragt monteret i en kolbe, der var forbundet til toppen af en glaskolbe. Kolben blev afkølet i et isbad for at eliminere temperaturstigninger inde i kammeret. I 25 sekunder blev 500 mg bladmaterialeblanding brændt til aske med en butanlighter, og røgen blev trukket gennem plastrør ind i kammeret ved hjælp af et vakuum forbundet med slangen i bunden af køleren. En ventilator inde i køleren spredte røg og et fluorescerende lys inde i køleren gav lave lysniveauer. Temperaturerne inde i røgkammeret overskrides aldrig, målt ved en Hobo U10 – 003 datalogger (Onset Computer Corporation, Pocasset, MA). Et andet kammer identisk med det første blev brugt til kontrolbehandlinger. Alle procedurer var nøjagtigt de samme for kontrolkammeret med den undtagelse, at bladmateriale ikke blev anbragt i glastragten.
det er vanskeligt at sammenligne vores røgeksponering med det, der opleves i naturlige omgivelser, da røgproduktionen er ekstremt variabel i det vestlige Nordamerika . Dette skyldes til dels variationer i brændstofbelastning, brændstofforbrug, emissionshastighed og spredningshastigheder . Blandet nåletræ skov brændstof belastninger kan variere fra 63-112 MT og aspens skove fra 20-83 MT . Da vi brugte 0,03 MT (bladmasseareal af røgkammer), vurderer vi, at vores røgeksponering er mindre koncentreret end hvad der opleves i en skovbrand.
2.2. Gasudveksling
efter røgeksponering blev de behandlede planter fjernet fra røgkammeret for at måle hastigheden af fotosyntese og stomatal konduktans med et gasudvekslingssystem (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Fotosyntetiske målinger blev taget ved en fotosyntetisk fotonstrømningstæthed (PPFD) på 1200 mol m−2 s−1 med 6400-04 LED blå-rød lyskilde ved omgivelsestemperatur og fugtighed. Der blev foretaget to målinger ved CO2-koncentrationer på henholdsvis 385 ppm og 1000 ppm, hvor CO2-koncentrationer blev opnået ved hjælp af CO2-blanderen for at skelne mellem, om røgeffekter på fotosyntese var relateret til stomatale og/eller biokemiske begrænsninger . Målinger blev initieret ved at forsegle bladet i kammeret på det yngste fuldt udvidede blad eller nåle på hvert træ. Efter at CO2-og vanddampkoncentrationer i bladkammeret nåede en stabil tilstand (60-90 sekunder), blev hastigheden af fotosyntese og stomatal konduktans logget. Målinger blev taget umiddelbart efter røgeksponering, 30 minutter efter eksponering og derefter hvert 70.minut indtil 310 minutter derefter.
for at beregne bladareal for blade, der ikke fyldte bladkammeret, blev blade sporet på papir, der blev skåret ud og derefter målt for areal med bladarealmåleren (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). Nål område blev beregnet ved at scanne et billede af nåle og måling område med Scion billede til vinduer (Frederick, Maryland, USA).
2.3. Vækst
den 29.juli 2008 blev træerne høstet til vækst-og massemålinger. Stamhøjde blev målt, og derefter blev kimplanten afskåret på jordniveau, og både rødder og skud blev tørret i 72 timer for at opnå tør masse ved hjælp af en analytisk balance (GeneMate GP-600, ISC Bioekspress, Kaysville, UT, USA).
2.4. Sekundær Kemi
blade og nåle blev fjernet fra kimplanterne ni uger efter røgeksponering (29.juli 2008) og pakket på tøris, inden de blev flyttet til opbevaring ved til senere analyse af phenolglycosider og kondenserede tanniner. Bladene blev frysetørret, og nåle blev ovntørret i 72 timer. Blad og nål materiale blev derefter knust i en Viley Mølle ved hjælp af en No. 10 skærm. Tanniner blev kvantificeret for alle arter ved anvendelse af en modificeret butanol-HCL-metode beskrevet i Porter et al. 50 mg bladmateriale blev anbragt i 2 mL mikrocentrifugerør med skruelåg suspenderet i 1 mL 70% acetone-10 mM askorbinsyre-opløsning. Prøverne blev derefter hvirvlet højt ved i 20 minutter. Den flydende supernatant blev derefter fjernet, og ekstraktionen blev gentaget. Koncentrationen af tanniner blev derefter kvantificeret spektrofotometrisk (Spektromaks Plus 384, MDS, Toronto, Canada) ved anvendelse af rensede tanniner som standard.
phenolglykosiderne, salicortin og tremulacin, blev ekstraheret fra ca.50 mg aspenbladvæv (de andre arter indeholder ikke signifikante niveauer af phenolglycosider). Vævsprøverne blev anbragt i 2 mL skruelåg mikrocentrifuge rør og suspenderet i methanol. Prøverne blev derefter hvirvlet på høj i 5 minutter. Den flydende supernatant blev fjernet, og ekstraktionen blev gentaget. Endelige koncentrationer af salicortin og tremulacin blev kvantificeret ved anvendelse af højtydende væskekromatografi (Agilent 1100-serien, Santa Clara, CA, USA) med en Luna 2, C18-søjle (150 4,6 mm, 5 m) ved en strømningshastighed på 1 mL/min. Sammensatte toppe blev påvist ved anvendelse af en UV-lampe ved en bølgelængde på 280 nm med oprensede salicortin-og tremulacinstandarder isoleret fra aspeblade .
2.5. Statistisk analyse
vi kørte en studerendes test for at teste for forskelle i forsvarskemi og vækst. Gentagne målinger variansanalyse (ANOVA) blev brugt til at teste virkningerne af røgeksponering på fotosyntesehastigheder fra 30 minutter efter eksponering til 310 minutter efter eksponering ved hjælp af tid som “inden for” faktor . Homogenitet af varians og normalitet blev testet med Shapiro-Viks statistik og lige varians test. Data, der ikke opfyldte antagelserne for de parametriske tests, blev testet ved hjælp af en rank sum-test, mens dataene i graferne og tabellerne var ikke-transformerede. Statistisk analyse blev udført ved hjælp af JMP version 7 statistisk programmel (SAS Institute, Cary, NC, USA).
3. Resultater
alle arter viste signifikante forskelle i stomatal konduktans og fotosyntesehastigheder 30 minutter efter eksponering undtagen Douglas-gran. Aspen og Ponderosa fyr viste de største reduktioner i fotosyntese (Figur 1). Douglas-fir viste oprindeligt et signifikant fald i og (data ikke vist). To uger efter eksponering blev fotosyntesehastighederne målt igen, og der var en fuldstændig bedring hos alle arter (data ikke vist).
(a)
(b)
(a)
(b)
(maksimal fotosyntesehastighed) og (stomatal konduktans) efter 30 minutters røgeksponering. Den eneste art uden signifikante forskelle mellem behandlinger (på niveau) var Douglas-gran.
den gentagne måleanalyse af fotosyntesehastigheder ved 1000 ppm viste CO2 en signifikant tidseffekt (- værdi), hvor fotosyntesehastigheder genvundet fra røgeksponering efterhånden som tiden skred frem (figur 2). Ved 1000 ppm var der også en signifikant interaktion mellem tid og artstype(løvfældende angiospermer og stedsegrønne nåletræ) (-værdi = .0073) med løvfældende angiospermarter, der viser langsommere bedring (figur 2). Ved 385 ppm CO2 var tiden den eneste signifikante effekt i modellen med gentagne målinger (-værdi =.0209). Artstypen var marginalt signifikant (- værdi = .0709).
(a)
(b)
(a)
(b)
reducerede fotosyntesehastigheder udtrykt som procentforskel fra kontrol ved både omgivende (a) (385 ppm) og mættende (b) (1000 ppm) CO2-koncentrationer.
der var ingen signifikante forskelle for vækst, kondenserede tanniner eller phenolglycosider (figur 3; data ikke vist for sidstnævnte).
(a)
(b)
(a)
(b)
sammenligninger af biomasse og kondenserede tanniner i røgeksponerede prøver og kontroller. Der var ingen signifikante forskelle mellem behandlinger af nogen art.
4. Diskussion
dataene er i overensstemmelse med vores første hypotese om, at røgeksponering reducerer fotosyntesehastighederne. Sammenligning af fotosyntetiske reaktioner ved omgivende og mættende CO2-koncentrationer antyder, at røg påvirker fotosyntetisk funktion ved at reducere stomatal konduktans og gennem forringelse af biokemisk funktion (Figur 2). Vores resultater viser for første gang, at fotosyntetisk følsomhed over for røg forekommer på tværs af en forskellig prøveudtagning af træarter, og at der er bred variation i følsomhed mellem disse arter.
på grund af kompleksiteten af røgbestanddele er det svært at finde ud af, hvilke kemikalier der kan påvirke fotosyntesen negativt. Forskellige forbindelser i røg, såsom NO og NO2, påvirker plantearter i varierende grad . Vi fandt ud af, at de stedsegrønne nåletræer oprindeligt kom sig efter røgeksponeringen hurtigere end de løvfældende angiospermer (figur 2). Tredive minutter efter, at røgbehandlingerne var afsluttet, var kun Douglas-gran kommet sig fuldstændigt (indledende nedsatte fotosyntesehastigheder ikke vist) (Figur 1). Selvom stedsegrønne nåletræer kom sig hurtigere end de løvfældende angiospermer, var der ingen ændringer i vækstmønstre eller forsvarskemiproduktion som reaktion på røgeksponeringer (figur 3). Dette indikerer, at der ikke var nogen langsigtede virkninger fra vores relativt korte 20-minutters røgeksponeringer.
hvorfor de stedsegrønne nåletræer oprindeligt kom sig hurtigere end de løvfældende angiospermer er ukendt. Plantearter kan udvikle tolerance over for forurenende stoffer, der vides at påvirke fotosyntese . Den større tolerance i stedsegrønne nåletræer kan være et resultat af de forskellige brandstrategier, hvor gamble oak, rocky mountain maple og aspen anvender en overlevelsesstrategi for overdreven moral efterfulgt af aseksuel regenerering på et senere tidspunkt . I modsætning hertil anvender stedsegrønne nåletræarter, herunder Ponderosa fyr og Douglas-gran, en strategi for brandmodstand med deres tykke bark, der gør det muligt for overstory at overleve . Vi antager, at arter, der anvender en strategi for brandmodstand, ville have et større behov for at udvikle tolerancemekanismer for at undgå de negative virkninger af nåleeksponering for røg i længere perioder.
resultaterne er uforenelige med anden hypoteser om, at røg ændrer vækstmønstre eller tildeling til forsvarskemi. Det er sandsynligt, at to 20-minutters røgeksponeringer er utilstrækkelige til at fremkalde et vækstrespons. I det vestlige Nordamerika kan planter udsættes for røg på skalaer fra uger til måneder, som gennemgået i . Røgeksponeringer af en sådan længde er upraktiske i kontrollerede undersøgelser, men træringsdata kan potentielt bruges til at undersøge sammenhænge mellem vækstrater og røgomfang i sommersæsonen, hvis der kan redegøres for andre forvirrende faktorer.
der er et par mulige grunde til, at vi ikke fandt nogen signifikante forskelle i forsvarskemi som reaktion på røgbehandlinger. For det første er det kendt for ASP, at forskellige genotyper reagerer forskelligt på miljøændringer . Her brugte vi kun en genotype, og det kunne resultere i manglende svar, der forekommer i andre aspengenotyper. For det andet, i modsætning til frøspiring, planter bruger muligvis ikke røg som et signal til fysiologiske bladresponser efter brand. For det tredje, mens vi kiggede på to vigtige forsvarsforbindelser baseret på mængde og funktion, gennemførte vi bestemt ikke en omfattende undersøgelse af sekundære metaboliske reaktioner. Endelig er det også muligt, at underskriften af vores røgeksponeringer (Kemi, timing, intensitet) ikke var tilstrækkelig til at fremkalde et forsvarsrespons.
fordi der er mange forbindelser i røg, og vi ved så lidt om, hvordan de kan påvirke planter, har vi meget at lære om indflydelsen af røg på plantefunktionen. Det faktum, at forskellige plantearter kan vise forskellige reaktioner på røg, ud over potentialet for forskellige plantearter til at producere deres egen komplekse suite af forbindelser, antyder, at der kan være nogle spændende roller for røg i plante-og økosystemfunktion.
anerkendelse
tak til Joey Schmut for at hjælpe med at plante og overvåge kimplanterne, Eric Smith for hjælp til røgeksponering og prøvebehandling og Mitchell Calder for at hjælpe med høst.
