Résumé
La fumée des feux de forêt peut persister dans l’environnement pendant des semaines et, bien qu’il existe une quantité importante de littérature examinant les effets de l’exposition à la fumée sur la germination des graines, les effets de la fumée sur la fonction foliaire ne sont presque pas étudiés. L’objectif de cette étude était de comparer la croissance et les réponses métaboliques primaires et secondaires des angiospermes à feuilles caduques et des conifères à feuilles persistantes à une courte exposition à la fumée. Vingt minutes d’exposition à la fumée ont entraîné une réduction de plus de 50 % de la capacité photosynthétique chez cinq des six espèces que nous avons examinées. L’altération de la photosynthèse en réponse à la fumée était fonction de la réduction de la conductance stomatique et des limitations biochimiques. En général, les espèces d’angiospermes à feuilles caduques ont montré une plus grande sensibilité que les conifères à feuilles persistantes. Bien qu’il y ait eu des diminutions significatives de la photosynthèse et de la conductance stomatique, la fumée n’a eu aucun effet significatif sur la croissance ou la production de composés de défense secondaire chez aucune des espèces d’arbres examinées.
1. Introduction
Le feu a façonné les communautés végétales terrestres au cours des 350 derniers millions d’années. Dans l’Ouest Intermountain, le feu a joué un rôle essentiel dans la structuration des communautés végétales avec des intervalles typiques de retour de feu entre 35 et 200 ans. La fumée produite par les incendies varie en fonction des charges de combustible, de l’intensité et de la durée de combustion, et peut persister dans l’air pendant des semaines. Une meilleure compréhension des réactions des plantes à la fumée devient de plus en plus pertinente car des saisons de croissance plus longues et une fréquence et une durée de sécheresse accrues prévues dans les scénarios climatiques futurs devraient entraîner une augmentation des incendies de forêt.
Presque toutes les études qui examinent les effets de la fumée sur la physiologie et le développement des plantes ont été liées à la germination des graines. On sait relativement peu de choses sur l’influence de la fumée sur le métabolisme primaire et secondaire des plantes. Davies et l’Unam ont étudié les effets des feux de forêt en Indonésie sur la photosynthèse et ont constaté que malgré l’augmentation du CO2 des incendies, les taux de photosynthèse étaient réduits. Gilbert et Ripley ont montré que l’exposition à la fumée réduisait la conductance stomatique, le taux d’assimilation du CO2 et les concentrations de CO2 des feuilles intercellulaires.
En théorie, la fumée pourrait réduire la photosynthèse par des processus physiques et/ ou chimiques. Physiquement, la production de fumée peut entraîner des déficits de pression de vapeur élevés qui peuvent déclencher la fermeture stomatique. Chimiquement, plus de 100 composés ont été identifiés dans la fumée. Parmi ceux qui ont été identifiés, beaucoup sont connus pour avoir des effets physiologiques sur les plantes, y compris NO2, CO2, SO2 et O3. L’O3 a été lié à la destruction de la chlorophylle et il a également été démontré qu’il inhibe les canaux K+ qui régulent la fonction des cellules de garde et contrôlent à leur tour l’ouverture stomatique. Le SO2 réduit la conductance stomatique, inhibe l’évolution photosynthétique de l’oxygène et le transport des électrons, et inactive les enzymes du cycle de Calvin. Lorsqu’ils sont combinés, les mélanges de NO2 et de SO2 ont montré une inhibition additive de la photosynthèse. Les expositions à long terme au NO2 et au SO2 montrent des réductions ultérieures de la superoxyde dismutase et de la glutathion réductase, qui sont des enzymes antioxydantes majeures chez les plantes. La désactivation de la fonction enzymatique antioxydante associée à des niveaux élevés d’ozone, un puissant pro-oxydant, peut favoriser le stress oxydatif lors d’une exposition prolongée à la fumée.
Les changements dans les conditions environnementales à la suite d’un incendie peuvent réduire la pression de contrainte biotique subie par les plantes. Moritz et Odion ont trouvé une forte relation entre l’absence d’infection de Phytophthora ramorum et le temps écoulé depuis la dernière brûlure. Ils ont suggéré que le feu pourrait inhiber l’activité des agents pathogènes en augmentant la disponibilité de Ca, ce qui est crucial pour la résistance des plantes aux maladies. Des microclimats plus secs après un incendie peuvent limiter la croissance des pathogènes fongiques, et Schwartz et al. proposé que les propriétés fongicides de la fumée réduisent l’infection fongique et la croissance des feuilles.
La fumée est un cocktail chimique très complexe avec des composés actifs des plantes qui peuvent fournir des informations aux plantes dans les écosystèmes qui ont récemment subi un incendie. Par exemple, la fumée est utilisée comme signal par les graines de certaines espèces végétales adaptées au feu comme signal que les conditions sont favorables à la germination, par exemple. Le buténolide 3-méthyl-2H-furopyran-2-one est un composé présent dans la fumée qui induit la germination. On ignore comment la graine perçoit le buténolide, mais il existe des preuves qu’elle déclenche la germination en facilitant l’absorption de l’eau. Comme il y a beaucoup de changements dans les conditions environnementales après un incendie (p. ex., réduction de la compétition, impulsions nutritives dans le sol et diminution des charges d’agents pathogènes), les plantes peuvent utiliser la fumée comme signal environnemental pour initier d’autres réactions métaboliques et de croissance adaptatives.
Les tanins condensés et les glycosides phénoliques sont des composés de défense foliaire que les plantes produisent souvent en très fortes concentrations (jusqu’à 30% en poids sec chez certaines espèces) pour se défendre contre les attaques d’herbivores et d’agents pathogènes. L’allocation de ressources à la production de chimie de défense entraîne un compromis où le potentiel de croissance est réduit. La plasticité dans la production de la chimie de défense en réponse aux changements des conditions environnementales a été démontrée. Dans un scénario post-feu, une réduction de la pression des agents pathogènes et des insectes peut entraîner une réduction du besoin de niveaux élevés de composés de défense secondaires et permettre ainsi une plus grande allocation de ressources à la croissance et à la reproduction.
Nous étudions ici les réponses de trois espèces d’arbres angiospermes à feuilles caduques (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) et de trois conifères à feuilles persistantes (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii et Picea pungens) à des expositions à court terme à la fumée. Nous émettons l’hypothèse que: (1) l’exposition à la fumée réduit les taux de photosynthèse et de conductance stomatique; (2) la fumée sert de signal qui entraîne l’allocation des ressources des semis loin de la production de chimie de défense à la croissance.
2. Matériaux et méthodes
Six espèces d’arbres (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii et Picea pungens) dans leur deuxième année de croissance ont été utilisées comme unités de traitement. Ces espèces ont été choisies parce qu’elles ont des adaptations qui leur permettent de survivre au feu par résistance ou régénération, ce qui indique qu’elles ont évolué en réponse au feu. Populus tremuloides (peuplier faux-tremble), Acer glabrum (érable des montagnes Rocheuses) et Quercus gambelii (chêne de gamble) réagissent au feu en se propageant à travers les drageons. Les espèces de conifères à feuilles persistantes telles que Pinus ponderosa (pin ponderosa) et Pseudotsuga menziesii (Douglas) utilisent une stratégie de résistance au feu avec leur écorce épaisse. Picea pungens (épinette bleue) n’est pas connue pour sa résistance au feu, mais elle est utile comme une autre espèce de conifères à feuilles persistantes qui subit régulièrement des incendies. Toutes ces espèces sont communes dans les montagnes Rocheuses et sont des espèces d’importance écologique. Populus tremuloides a été cultivé à partir de boutures de racines sauvages provenant d’un clone commun, et les cinq espèces restantes ont été obtenues à partir de deux pépinières d’arbres (Sun Mountain growers, à Kaysville, Utah, et Plants of the Wild, Tekoa, Washington) sous forme de semis en pot et à racines nues.
Avant la plantation, les racines des semis ont été lavées et la masse de la plante en poids frais a été mesurée. Au sein de chaque espèce, des arbres de masse et de hauteur uniformes ont été utilisés dans l’étude. Les 26 et 27 mars 2008, chaque arbre a été transplanté dans une tourbe/perlite (3 : 1) milieu à base de mousse de tourbe de sphaigne canadienne à 75% -80% avec gypse, perlite, calcaire et agent mouillant (Sunshine Mix #1, Sun Gro Horticulture, Bellevue, WA) dans des pots de 23,5 cm 11,5 cm2. Quatre grammes de nourriture végétale Osmocote Smart Release avec 14-14-14 ont été ajoutés à chaque pot pour fournir les nutriments nécessaires à la croissance. Les arbres étaient dans une serre climatisée pour le reste de l’été et étaient arrosés à saturation deux fois par semaine.
2.1. Traitement de la fumée
Du 26 au 30 mai 2008, cinq semis de chaque espèce ont été exposés à la fumée de façon échelonnée dans le temps (une reproduction par jour, sur une période de cinq jours). L’exposition à la fumée s’est produite pendant 20 minutes. Un deuxième cycle d’exposition à la fumée sur les mêmes plantes s’est produit du 9 au 13 juin 2008.
La chambre de fumée a été fabriquée à partir d’un refroidisseur en plastique scellé (95 cm 38 cm 45 cm). Des parties égales de feuilles séchées obtenues de chacune des six espèces d’arbres de l’étude ont été utilisées pour générer la fumée. Les feuilles ont été brûlées dans un entonnoir en verre monté dans un flacon relié au sommet d’un flacon en verre. Le ballon a été refroidi dans un bain de glace pour éliminer les augmentations de température à l’intérieur de la chambre. Pendant 25 secondes, 500 mg de mélange de feuilles ont été brûlés en cendres avec un briquet au butane et la fumée a été aspirée à travers un tube en plastique dans la chambre à l’aide d’un vide relié à un tube au fond du refroidisseur. Un ventilateur à l’intérieur du refroidisseur a dispersé la fumée et une lumière fluorescente à l’intérieur du refroidisseur a fourni de faibles niveaux de lumière. Les températures à l’intérieur de la chambre de fumée n’ont jamais été dépassées, telles que mesurées par un enregistreur de données Hobo U10-003 (OnsetEt Computer Corporation, Pocasset, MA). Une deuxième chambre identique à la première a été utilisée pour les traitements de contrôle. Toutes les procédures étaient exactement les mêmes pour la chambre de contrôle, à l’exception du fait que le matériau des feuilles n’était pas placé dans l’entonnoir en verre.
Il est difficile de comparer notre exposition à la fumée avec ce qui se produit en milieu naturel, car la production de fumée est extrêmement variable dans l’ouest de l’Amérique du Nord. Cela est dû en partie aux variations de la charge de carburant, de la consommation de carburant, du taux d’émissions et des taux de dispersion. Les charges de combustible des forêts mixtes de conifères peuvent varier de 63 à 112 MT et celles des forêts de trembles de 20 à 83 MT. Comme nous avons utilisé 0,03 MT (surface de masse foliaire de la chambre à fumée), nous estimons que notre exposition à la fumée est moins concentrée que ce qui est ressenti lors d’un incendie de forêt.
2.2. Échange gazeux
Après exposition à la fumée, les plantes traitées ont été retirées de la chambre de fumée pour mesurer les taux de photosynthèse et de conductance stomatique avec un système d’échange gazeux (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Des mesures photosynthétiques ont été effectuées à une densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD) de 1200 mol m−2 s−1 avec la source de lumière LED bleu-rouge 6400-04 à température et humidité ambiantes. Deux mesures ont été effectuées à des concentrations de CO2 de 385 ppm et 1000 ppm, respectivement, les concentrations de CO2 étant obtenues à l’aide du mélangeur de CO2 pour déterminer si les effets de la fumée sur la photosynthèse étaient liés à des limitations stomatales et/ou biochimiques. Les mesures ont été initiées en scellant la feuille dans la chambre sur la feuille ou les aiguilles les plus jeunes de chaque arbre. Une fois que les concentrations de CO2 et de vapeur d’eau dans la chambre foliaire ont atteint un état d’équilibre (60 à 90 secondes), les taux de photosynthèse et de conductance stomatique ont été enregistrés. Les mesures ont été prises immédiatement après l’exposition à la fumée, 30 minutes après l’exposition, puis toutes les 70 minutes jusqu’à 310 minutes par la suite.
Pour calculer la surface foliaire des feuilles qui ne remplissaient pas la chambre foliaire, les feuilles ont été tracées sur du papier qui a été découpé puis mesuré pour la surface avec le mètre de surface foliaire (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). La surface de l’aiguille a été calculée en scannant une image des aiguilles et en mesurant la surface avec Scion Image pour Windows (Frederick, Maryland, États-Unis).
2.3. Croissance
Le 29 juillet 2008, les arbres ont été récoltés pour des mesures de croissance et de masse. La hauteur de la tige a été mesurée, puis le plant a été coupé au niveau du sol et les racines et les pousses ont été séchées pendant 72 heures pour obtenir une masse sèche à l’aide d’une balance analytique (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, USA).
2.4. Chimie secondaire
Les feuilles et les aiguilles ont été retirées des plantules neuf semaines après l’exposition à la fumée (le 29 juillet 2008) et emballées sur de la glace carbonique avant d’être déplacées au stockage au pour une analyse ultérieure des glycosides phénoliques et des tanins condensés. Les feuilles ont été lyophilisées et les aiguilles ont été séchées au four pendant 72 heures. Les feuilles et les aiguilles ont ensuite été broyées dans un moulin Wiley à l’aide d’un tamis no 10. Les tanins ont été quantifiés pour toutes les espèces en utilisant une méthode butanol-HCL modifiée décrite dans Porter et al. , où environ 50 mg de matière foliaire ont été placés dans des tubes à microcentrifugeuse à capuchon à vis de 2 mL en suspension dans 1 mL d’une solution d’acide ascorbique à 70% acétone-10 mM. Les échantillons ont ensuite été vortexés à haute température pendant 20 minutes. Le surnageant liquide a ensuite été éliminé et l’extraction a été répétée. La concentration en tanins a ensuite été quantifiée par spectrophotométrie (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Canada) en utilisant des tanins purifiés comme étalon.
Les glycosides phénoliques, la salicortine et la trémulacine, ont été extraits d’environ 50 mg de tissu de feuilles de tremble (les autres espèces ne contiennent pas de niveaux significatifs de glycosides phénoliques). Les échantillons de tissus ont été placés dans des tubes de micro-centrifugeuse à bouchon à vis de 2 mL et mis en suspension dans du méthanol. Les échantillons ont ensuite été vortexés à haute température pendant 5 minutes. Le surnageant liquide est éliminé et l’extraction est répétée. Les concentrations finales de salicortine et de trémulacine ont été quantifiées par chromatographie liquide à haute performance (série Agilent 1100, Santa Clara, CA, USA) avec une colonne Luna 2, C18 (150 4,6 mm, 5 m) à un débit de 1 mL / min. Des pics composés ont été détectés à l’aide d’une lampe UV à une longueur d’onde de 280 nm avec des étalons de salicortine et de trémulacine purifiés isolés des feuilles de tremble.
2.5. Analyse statistique
Nous avons effectué un test d’étudiant pour tester les différences de chimie de défense et de croissance. L’analyse de variance par mesures répétées (ANOVA) a été utilisée pour tester les effets de l’exposition à la fumée sur les taux de photosynthèse de 30 minutes après l’exposition à 310 minutes après l’exposition en utilisant le temps comme facteur « intérieur ». L’homogénéité de la variance et de la normalité ont été testées avec des statistiques de Shapiro-Wilk W et des tests de variance égale. Les données qui ne répondaient pas aux hypothèses des tests paramétriques ont été testées à l’aide d’un test de somme de rang Wilcox, tandis que les données des graphiques et des tableaux n’étaient pas transformées. L’analyse statistique a été réalisée à l’aide du logiciel statistique JMP version 7 (SAS Institute, Cary, NC, USA).
3. Résultats
Toutes les espèces ont montré des différences significatives dans la conductance stomatique et les taux de photosynthèse 30 minutes après l’exposition, sauf pour le douglas taxifolié. Le peuplier faux-tremble et le pin ponderosa ont montré les plus fortes réductions de la photosynthèse (figure 1). Le douglas taxifolié a d’abord montré une diminution significative de et (données non présentées). Deux semaines après l’exposition, les taux de photosynthèse ont été mesurés à nouveau et il y a eu un rétablissement complet chez toutes les espèces (données non présentées).
(a)
(d)
(a)
(b)
( taux maximal de photosynthèse) et (conductance stomatique) après 30 minutes d’exposition à la fumée. La seule espèce sans différences significatives entre les traitements (au niveau) était le douglas taxifolié.
L’analyse des mesures répétées sur les taux de photosynthèse à 1000 ppm de CO2 a montré un effet temporel significatif (valeur -) dans lequel les taux de photosynthèse se sont rétablis de l’exposition à la fumée au fil du temps (figure 2). À 1000 ppm, il y avait également une interaction significative entre le temps et le type d’espèce (angiospermes à feuilles caduques et conifères à feuilles persistantes) (- valeur =.0073) avec des espèces d’angiospermes à feuilles caduques montrant un rétablissement plus lent (figure 2). À 385 ppm de CO2, le temps était le seul effet significatif dans le modèle de mesures répétées (- valeur =.0209). Le type d’espèce était marginalement significatif (- valeur =.0709).
(a)
(d)
(a)
(b)
Diminution des taux de photosynthèse exprimée en pourcentage de différence par rapport au témoin aux concentrations de CO2 ambiantes (a) (385 ppm) et saturantes (b) (1000 ppm).
Il n’y avait pas de différences significatives pour la croissance, les tanins condensés ou les glycosides phénoliques (figure 3; données non présentées pour ces derniers).
(a)
(d)
(a)
(b)
Comparaisons de la biomasse et des tanins condensés dans des échantillons et des témoins exposés à la fumée. Il n’y avait pas de différences significatives entre les traitements de toutes les espèces.
4. Discussion
Les données concordent avec notre première hypothèse selon laquelle l’exposition à la fumée réduit les taux de photosynthèse. La comparaison des réponses photosynthétiques aux concentrations ambiantes et saturantes de CO2 suggère que la fumée affecte la fonction photosynthétique en réduisant la conductance stomatique et en altérant la fonction biochimique (figure 2). Nos résultats montrent pour la première fois que la sensibilité photosynthétique à la fumée se produit dans un échantillon diversifié d’espèces d’arbres et qu’il existe une grande variation de sensibilité entre ces espèces.
En raison de la complexité des constituants de la fumée, il est difficile de déterminer quels produits chimiques peuvent nuire à la photosynthèse. Différents composés de la fumée, tels que le NO et le NO2, affectent les espèces végétales à des degrés divers. Nous avons constaté que les conifères à feuilles persistantes se sont d’abord remis de l’exposition à la fumée plus rapidement que les angiospermes à feuilles caduques (figure 2). Trente minutes après la fin des traitements contre la fumée, seul le Douglas s’était complètement rétabli (taux de photosynthèse initialement diminués non représentés) (Figure 1). Bien que les conifères à feuilles persistantes se soient rétablis plus rapidement que les angiospermes à feuilles caduques, il n’y a eu aucun changement dans les schémas de croissance ou la production chimique de défense en réponse à l’exposition à la fumée (figure 3). Cela indique qu’il n’y a pas eu d’effets à long terme de nos expositions à la fumée relativement courtes de 20 minutes.
On ignore pourquoi les conifères à feuilles persistantes se sont initialement rétablis plus rapidement que les angiospermes à feuilles caduques. Les espèces végétales peuvent développer une tolérance aux polluants connus pour affecter la photosynthèse. La plus grande tolérance chez les conifères à feuilles persistantes pourrait être le résultat des différentes stratégies de feu, dans lesquelles le chêne gamble, l’érable des montagnes rocheuses et le peuplier faux-tremble utilisent une stratégie de survie de moralité supérieure suivie d’une régénération asexuée plus tard. En revanche, les espèces de conifères à feuilles persistantes, y compris le pin ponderosa et le sapin de Douglas, utilisent une stratégie de résistance au feu avec leur écorce épaisse qui permet à l’étage supérieur de survivre. Nous émettons l’hypothèse que les espèces qui utilisent une stratégie de résistance au feu auraient davantage besoin de développer des mécanismes de tolérance pour éviter les effets négatifs de l’exposition des aiguilles à la fumée pendant de longues périodes.
Les résultats sont incompatibles avec les deuxièmes hypothèses selon lesquelles la fumée modifie les modèles de croissance ou l’allocation à la chimie de défense. Il est probable que deux expositions à la fumée de 20 minutes soient insuffisantes pour provoquer une réaction de croissance. Dans l’ouest de l’Amérique du Nord, les plantes peuvent être exposées à la fumée à des échelles de semaines à des mois, tel qu’examiné dans. Des expositions à la fumée d’une telle longueur ne sont pas pratiques dans les études contrôlées, mais les données sur les cernes des arbres pourraient potentiellement être utilisées pour examiner les corrélations entre les taux de croissance et l’étendue de la fumée au cours de la saison estivale si d’autres facteurs de confusion peuvent être pris en compte.
Il y a plusieurs raisons possibles pour lesquelles nous n’avons pas trouvé de différences significatives dans la chimie de défense en réponse aux traitements de la fumée. Premièrement, pour le tremble, on sait que différents génotypes réagissent différemment aux changements environnementaux. Ici, nous n’avons utilisé qu’un seul génotype et cela pourrait entraîner des réponses manquantes chez d’autres génotypes de tremble. Deuxièmement, contrairement à la germination des graines, les plantes peuvent ne pas utiliser la fumée comme signal pour les réponses physiologiques des feuilles après un incendie. Troisièmement, alors que nous avons examiné deux composés de défense importants en fonction de la quantité et de la fonction, nous n’avons certainement pas mené d’enquête complète sur les réponses métaboliques secondaires. Enfin, il est également possible que la signature de nos expositions à la fumée (chimie, timing, intensité) ne soit pas adéquate pour susciter une réponse de défense.
Parce qu’il y a beaucoup de composés dans la fumée et que nous en savons si peu sur la façon dont ils peuvent affecter les plantes, nous avons beaucoup à apprendre sur l’influence de la fumée sur la fonction des plantes. Le fait que différentes espèces végétales peuvent présenter des réponses variables à la fumée, en plus du potentiel pour différentes espèces végétales de produire leur propre suite complexe de composés, suggère qu’il peut y avoir des rôles intrigants pour la fumée dans le fonctionnement des plantes et des écosystèmes.
Remerciements
Nous remercions Joey Schmutz d’avoir aidé à planter et à surveiller les semis, Eric Smith pour son aide dans l’exposition à la fumée et le traitement des échantillons, et Mitchell Calder pour son aide à la récolte.
