Resumen
El humo de los incendios forestales puede persistir en el medio ambiente durante semanas y, si bien hay una cantidad sustancial de literatura que examina los efectos de la exposición al humo en la germinación de las semillas, los efectos del humo en la función de las hojas casi no se investigan. El objetivo de este estudio fue comparar el crecimiento y las respuestas metabólicas primarias y secundarias de las especies de árboles de angiospermas deciduas y coníferas perennes con la exposición corta al humo. Veinte minutos de exposición al humo resultaron en una reducción de más del 50% en la capacidad fotosintética en cinco de las seis especies que examinamos. El deterioro de la fotosíntesis en respuesta al humo fue una función de la reducción de la conductancia estomática y de las limitaciones bioquímicas. En general, las especies de angiospermas deciduas mostraron una mayor sensibilidad que las coníferas perennes. Si bien hubo disminuciones significativas en la fotosíntesis y la conductancia estomática, el humo no tuvo un efecto significativo en el crecimiento o la producción de compuestos de defensa secundaria en ninguna de las especies de árboles examinadas.
1. Introducción
El fuego ha dado forma a comunidades de plantas terrestres durante los últimos 350 millones de años . En el oeste Intermontano, el fuego ha tenido un papel integral en la estructuración de comunidades de plantas con intervalos de retorno de incendios típicos entre 35 y 200 años . El humo producido por los incendios varía con la carga de combustible, la intensidad y la duración de la combustión, y puede persistir en el aire durante semanas . Una mejor comprensión de las respuestas de las plantas al humo es cada vez más pertinente, ya que se espera que las temporadas de crecimiento más largas y el aumento de la frecuencia y la duración de las sequías previstas en futuros escenarios climáticos den lugar a un aumento de los incendios forestales .
Casi todos los estudios que examinan los efectos del humo en la fisiología y el desarrollo de las plantas se han relacionado con la germinación de las semillas . Se sabe relativamente poco sobre cómo influye el humo en el metabolismo primario y secundario de las plantas. Davies y la Unam estudiaron los efectos de los incendios forestales en Indonesia sobre la fotosíntesis y descubrieron que, a pesar de los aumentos en el CO2 de los incendios, las tasas de fotosíntesis disminuyeron. Gilbert y Ripley mostraron que la exposición al humo redujo la conductancia estomática, la tasa de asimilación de CO2 y las concentraciones intercelulares de CO2 en las hojas.
En teoría, el humo podría reducir la fotosíntesis a través de procesos físicos y / o químicos. Físicamente, la producción de humo puede provocar déficits de alta presión de vapor que pueden desencadenar el cierre estomático . Químicamente, se han identificado más de 100 compuestos en el humo . De los que se han identificado, se sabe que muchos tienen efectos fisiológicos en las plantas, incluidos el NO2, el CO2, el SO2 y el O3 . El O3 se ha relacionado con la destrucción de la clorofila y también se ha demostrado que inhibe los canales K+ que regulan la función de la célula protectora y, a su vez, controla la apertura estomática . El SO2 reduce la conductancia estomática, inhibe la evolución fotosintética del oxígeno y el transporte de electrones, e inactiva las enzimas del ciclo Calvin . Cuando se combinan, las mezclas de NO2 y SO2 han demostrado inhibir aditivamente la fotosíntesis . Las exposiciones a largo plazo al NO2 y al SO2 muestran reducciones posteriores en la superóxido dismutasa y la glutatión reductasa , que son las principales enzimas antioxidantes de las plantas . La desactivación de la función enzimática antioxidante junto con altos niveles de ozono, un potente prooxidante, puede promover el estrés oxidativo durante la exposición prolongada al humo.
Los cambios en las condiciones ambientales después de un incendio pueden reducir la presión de estrés biótico experimentada por las plantas. Moritz y Odion encontraron una fuerte relación entre la ausencia de infección de Phytophthora ramorum y el tiempo transcurrido desde la última quemadura. Sugirieron que el fuego puede inhibir la actividad de los patógenos al aumentar la disponibilidad de Ac, que es crucial para la resistencia de las plantas a las enfermedades . Microclimas más secos después de un incendio pueden limitar el crecimiento de patógenos fúngicos, y Schwartz et al. propuso que las propiedades fungicidas del humo redujeron la infección por hongos y el crecimiento en las hojas .
El humo es un cóctel químico altamente complejo con compuestos activos vegetales que pueden proporcionar información a las plantas en ecosistemas que han experimentado incendios recientemente. Por ejemplo, el humo es utilizado como señal por las semillas en algunas especies de plantas adaptadas al fuego como señal de que las condiciones son favorables para la germinación, por ejemplo,. La butenolida 3-metil-2H-furopiran-2-one es un compuesto en el humo que induce la germinación . Se desconoce cómo percibe la semilla el butenolido, pero hay evidencia de que desencadena la germinación al facilitar la absorción de agua . Como hay muchos cambios en las condiciones ambientales después de un incendio (p. ej. reducción de la competencia, pulsos de nutrientes en el suelo y disminución de las cargas de patógenos), las plantas pueden usar el humo como una señal ambiental para iniciar otras respuestas metabólicas y de crecimiento adaptativas.
Los taninos condensados y los glucósidos fenólicos son compuestos de defensa foliar que las plantas a menudo producen en concentraciones muy altas (hasta un 30% de peso seco en algunas especies) para defenderse contra el ataque de herbívoros y patógenos . La asignación de recursos a la producción de química de defensa resulta en una compensación en la que se reduce el potencial de crecimiento . Se ha demostrado la plasticidad en la producción de química de defensa en respuesta a cambios en las condiciones ambientales . En un escenario posterior al incendio, una reducción de la presión de patógenos e insectos puede resultar en una menor necesidad de altos niveles de compuestos de defensa secundarios y, por lo tanto, permitir una mayor asignación de recursos para el crecimiento y la reproducción.
Aquí investigamos las respuestas de tres especies de árboles de angiosperma caducifolia (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) y tres coníferas perennes (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii y Picea pungens) a exposiciones de humo a corto plazo. Planteamos la hipótesis de que: (1) la exposición al humo reduce las tasas de fotosíntesis y conductancia estomática; (2) el humo sirve como una señal que resulta en la asignación de recursos de plántulas desde la producción de química de defensa hasta el crecimiento.
2. Materiales y Métodos
Se utilizaron como unidades de tratamiento seis especies de árboles (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii y Picea pungens) en su segundo año de crecimiento. Estas especies fueron elegidas porque tienen adaptaciones que les permiten sobrevivir al fuego a través de la resistencia o la regeneración, lo que indica que han evolucionado en respuesta al fuego. Populus tremuloides (álamo tembloroso), Acer glabrum (arce de las Montañas Rocosas) y Quercus gambelii (roble gamble) responden al fuego con retoños de raíz . Las especies de coníferas perennes como Pinus ponderosa (pino ponderosa) y Pseudotsuga menziesii (abeto douglas) emplean una estrategia de resistencia al fuego con su corteza gruesa . Picea pungens (abeto azul) no es conocida por su resistencia al fuego, pero es útil como otra especie de conífera perenne que experimenta fuego regularmente. Todas estas especies son comunes en las Montañas Rocosas y son especies ecológicamente importantes. Populus tremuloides se cultivó a partir de esquejes de raíces silvestres de un clon común, y las cinco especies restantes se obtuvieron de dos viveros de árboles (Sun Mountain growers, en Kaysville, Utah, y Plants of the Wild, Tekoa, Washington) como plántulas de raíz desnuda y en maceta.
Antes de la siembra, se lavaron las raíces de las plántulas y se midió la masa de la planta en peso fresco. Dentro de cada especie, se utilizaron árboles de masa y altura uniformes en el estudio. El 26 y 27 de marzo de 2008, cada árbol fue trasplantado en una turba / perlita (3 : 1) medio a base de turba de Esfagno canadiense 75% -80% con yeso, perlita, piedra caliza y agente humectante (Sunshine Mix #1, Sun Gro Horticulture, Bellevue, WA) en macetas de 23,5 cm 11,5 cm2. Se agregaron cuatro gramos de Alimento Vegetal de Liberación Inteligente de Osmocote con 14-14-14 a cada maceta para proporcionar los nutrientes necesarios para el crecimiento. Los árboles se encontraban en un invernadero con clima controlado durante el resto del verano y se regaban hasta la saturación dos veces por semana.
2.1. Tratamiento de humo
Del 26 al 30 de mayo de 2008, cinco plántulas replicadas de cada especie fueron expuestas al humo escalonadas a lo largo del tiempo (una réplica cada día, durante un período de cinco días). La exposición al humo se produjo durante 20 minutos. Un segundo ciclo de exposición al humo en las mismas plantas ocurrió del 9 al 13 de junio de 2008.
La cámara de humo se fabricó con un enfriador de plástico sellado (95 cm 38 cm 45 cm). Para generar el humo se utilizaron partes iguales de material de hojas secas obtenidas de cada una de las seis especies de árboles del estudio. Las hojas se quemaron en un embudo de vidrio colocado en un matraz que estaba conectado a la parte superior de un matraz de vidrio. El matraz se enfrió en un baño de hielo para eliminar los aumentos de temperatura dentro de la cámara. Durante 25 segundos, se quemaron 500 mg de mezcla de material foliar hasta convertirlos en cenizas con un encendedor de butano y el humo se extrajo a través de un tubo de plástico hacia la cámara mediante un vacío conectado a un tubo en la parte inferior del enfriador. Un ventilador dentro del refrigerador dispersaba el humo y una luz fluorescente dentro del refrigerador proporcionaba niveles de luz bajos. Las temperaturas dentro de la cámara de humo nunca se excedieron, según lo medido por un registrador de datos Hobo U10-003 (OnsetEt Computer Corporation, Pocasset, MA). Se utilizó una segunda cámara idéntica a la primera para los tratamientos de control. Todos los procedimientos fueron exactamente los mismos para la cámara de control, con la excepción de que el material foliar no se colocó en el embudo de vidrio.
Es difícil comparar nuestra exposición al humo con lo que se experimenta en entornos naturales, ya que la producción de humo es extremadamente variable en el oeste de América del Norte . Esto se debe en parte a las variaciones en la carga de combustible, el consumo de combustible, la tasa de emisiones y las tasas de dispersión . Las cargas de combustible de los bosques de coníferas mixtas pueden variar de 63 a 112 MT y los bosques de álamos de 20 a 83 MT . Como usamos 0,03 MT (área de masa de hojas de la cámara de humo), estimamos que nuestra exposición al humo es menos concentrada que la experimentada en un incendio forestal.
2.2. Intercambio gaseoso
Después de la exposición al humo, las plantas tratadas se retiraron de la cámara de humo para medir las tasas de fotosíntesis y conductancia estomática con un sistema de intercambio gaseoso (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Las mediciones fotosintéticas se realizaron con una densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) de 1200 mol m−2 s−1 con la fuente de luz azul-roja de 6400-04 LED a temperatura y humedad ambiente. Se realizaron dos mediciones a concentraciones de CO2 de 385 ppm y 1000 ppm, respectivamente, y se lograron concentraciones de CO2 utilizando el mezclador de CO2 para distinguir si los efectos del humo en la fotosíntesis estaban relacionados con limitaciones estomáticas y/o bioquímicas . Las mediciones se iniciaron sellando la hoja en la cámara en la hoja más joven o agujas completamente expandidas de cada árbol. Después de que las concentraciones de CO2 y vapor de agua en la cámara foliar alcanzaron un estado estacionario (60-90 segundos), se registraron las tasas de fotosíntesis y conductancia estomática. Las mediciones se tomaron inmediatamente después de la exposición al humo, 30 minutos después de la exposición y luego cada 70 minutos hasta 310 minutos después.
Para calcular el área foliar de las hojas que no llenaban la cámara foliar, se trazaron las hojas en papel que se recortó y luego se midió el área con el medidor de área foliar (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, EE.UU.). El área de la aguja se calculó escaneando una imagen de las agujas y midiendo el área con la Imagen del Vástago para Windows (Frederick, Maryland, EE.UU.).
2.3. Crecimiento
El 29 de julio de 2008, los árboles fueron cosechados para mediciones de crecimiento y masa. Se midió la altura del tallo y luego se cortó la plántula a nivel del suelo y se secaron las raíces y los brotes durante 72 horas para obtener masa seca utilizando un balance analítico (GeneMato GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, EE.UU.).
2.4. Química secundaria
Las hojas y agujas se retiraron de las plántulas nueve semanas después de la exposición al humo (29 de julio de 2008) y se empacaron en hielo seco antes de ser trasladadas al almacén para un análisis posterior de glucósidos fenólicos y taninos condensados. Las hojas se liofilizaron y las agujas se secaron al horno durante 72 horas. El material de hoja y aguja se trituró en un molino Wiley utilizando una criba no. 10. Los taninos se cuantificaron para todas las especies utilizando un método modificado de butanol-HCL descrito en Porter et al. , donde se colocaron aproximadamente 50 mg de material foliar en tubos de microcentrífuga con tapa roscada de 2 mL suspendidos en 1 mL de solución de ácido ascórbico al 70% de acetona-10 mm. Las muestras se agitaron en vórtice a alta temperatura durante 20 minutos. Se retiró el sobrenadante líquido y se repitió la extracción. La concentración de taninos se cuantificó espectrofotométricamente (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Canadá) utilizando taninos purificados como estándar.
Los glucósidos fenólicos, salicortina y tremulacina, se extrajeron de aproximadamente 50 mg de tejido de hoja de álamo temblón (las otras especies no contienen niveles significativos de glucósidos fenólicos). Las muestras de tejido se colocaron en tubos de microcentrifugadora con tapón de rosca de 2 mL y se suspendieron en metanol. Las muestras se agitaron en vórtice alto durante 5 minutos. Se retiró el sobrenadante líquido y se repitió la extracción. Las concentraciones finales de salicortina y tremulacina se cuantificaron mediante cromatografía líquida de alto rendimiento (Serie Agilent 1100, Santa Clara, CA, EE.UU.) con una columna Luna 2, C18 (150 4,6 mm, 5 m) a un caudal de 1 ml/min. Se detectaron picos de compuestos utilizando una lámpara UV a una longitud de onda de 280 nm con patrones de salicortina y tremulacina purificadas aislados de hojas de álamo temblón .
2.5. Análisis estadístico
Realizamos una prueba de estudiante para comprobar las diferencias en la química de defensa y el crecimiento. Se utilizó el análisis de varianza de medidas repetidas (ANOVA) para probar los efectos de la exposición al humo en las tasas de fotosíntesis desde 30 minutos después de la exposición hasta 310 minutos después de la exposición, utilizando el tiempo como factor «dentro». La homogeneidad de la varianza y la normalidad se probaron con estadísticas W de Shapiro-Wilk y pruebas de varianza igual. Los datos que no cumplían con los supuestos de las pruebas paramétricas se probaron utilizando una prueba de suma de rangos de Wilcox, mientras que los datos de los gráficos y tablas no se transformaron. El análisis estadístico se realizó con el software estadístico JMP versión 7 (SAS Institute, Cary, NC, EE. UU.).
3. Resultados
Todas las especies mostraron diferencias significativas en la conductancia estomática y las tasas de fotosíntesis 30 minutos después de la exposición, excepto el abeto Douglas. El álamo temblón y el pino ponderosa mostraron las mayores reducciones en la fotosíntesis (Figura 1). El abeto douglas mostró inicialmente una disminución significativa en y (datos no mostrados). Dos semanas después de la exposición, se volvieron a medir las tasas de fotosíntesis y hubo una recuperación completa en todas las especies (no se muestran los datos).
(un)
(b)
(a)
(b)
(la máxima tasa de fotosíntesis) y la conductancia estomática) después de 30 minutos de la exposición al humo. La única especie sin diferencias significativas entre tratamientos (a nivel) fue el abeto Douglas.
El análisis de medidas repetidas de las tasas de fotosíntesis a 1000 ppm de CO2 mostró un efecto temporal significativo (valor -) en el que las tasas de fotosíntesis se recuperaron de la exposición al humo a medida que avanzaba el tiempo (Figura 2). A 1000 ppm también hubo una interacción significativa entre el tiempo y el tipo de especie(angiospermas deciduas y coníferas perennes) (valor -=.0073) con especies de angiospermas deciduas que muestran una recuperación más lenta (Figura 2). A 385 ppm de CO2, el tiempo fue el único efecto significativo en el modelo de medidas repetidas (valor -=.0209). El tipo de especie fue marginalmente significativo (- valor=.0709).
(un)
(b)
(a)
(b)
la Disminución de las tasas de fotosíntesis se expresa como la diferencia porcentual de control a temperatura ambiente (a) (385 ppm) y saturación (b) (1000 ppm) de las concentraciones de CO2.
No hubo diferencias significativas para el crecimiento, los taninos condensados o los glucósidos fenólicos (Figura 3; datos no mostrados para estos últimos).
(un)
(b)
(a)
(b)
Comparaciones de la biomasa y de los taninos condensados de humo expuestas las muestras y los controles. No hubo diferencias significativas entre los tratamientos de ninguna especie.
4. Discusión
Los datos son consistentes con nuestra primera hipótesis de que la exposición al humo reduce las tasas de fotosíntesis. La comparación de las respuestas fotosintéticas a concentraciones ambientales y saturadas de CO2 sugiere que el humo afecta la función fotosintética al reducir la conductancia estomática y el deterioro de la función bioquímica (Figura 2). Nuestros resultados muestran por primera vez que la sensibilidad fotosintética al humo se produce en un muestreo diverso de especies de árboles y que hay una amplia variación en la sensibilidad entre esas especies.
Debido a la complejidad de los componentes del humo, es difícil determinar qué sustancias químicas pueden estar afectando negativamente a la fotosíntesis. Diferentes compuestos en el humo, como el NO y el NO2, afectan a las especies de plantas en diversos grados . Encontramos que las coníferas perennes se recuperaron inicialmente de la exposición al humo más rápido que las angiospermas deciduas (Figura 2). Treinta minutos después de que terminaran los tratamientos con humo, solo el abeto Douglas se había recuperado por completo (no se muestran las tasas iniciales de fotosíntesis disminuidas) (Figura 1). Aunque las coníferas perennes se recuperaron más rápido que las angiospermas deciduas, no hubo cambios en los patrones de crecimiento ni en la producción de química de defensa en respuesta a la exposición al humo (Figura 3). Esto indica que no hubo efectos a largo plazo de nuestras exposiciones al humo relativamente cortas de 20 minutos.
Se desconoce por qué las coníferas perennes se recuperaron inicialmente más rápido que las angiospermas deciduas. Las especies de plantas pueden desarrollar tolerancia a contaminantes que se sabe que afectan la fotosíntesis . La mayor tolerancia en coníferas perennes podría ser el resultado de las diferentes estrategias de fuego, en las que el roble gamble, el arce de las montañas rocosas y el álamo temblón emplean una estrategia de supervivencia de moralidad exagerada seguida de regeneración asexual en algún momento posterior . En contraste, las especies de coníferas perennes, como el pino ponderosa y el abeto Douglas, emplean una estrategia de resistencia al fuego con su corteza gruesa que permite que la superficie sobreviva . Planteamos la hipótesis de que las especies que emplean una estrategia de resistencia al fuego tendrían una mayor necesidad de desarrollar mecanismos de tolerancia para evitar los efectos negativos de la exposición de agujas al humo durante largos períodos de tiempo.
Los resultados son inconsistentes con las segundas hipótesis de que el humo altera los patrones de crecimiento o la asignación a la química de defensa. Es probable que dos exposiciones al humo de 20 minutos sean insuficientes para provocar una respuesta de crecimiento. En el oeste de América del Norte, las plantas pueden estar expuestas al humo en escalas de semanas a meses, según se reseña en . Las exposiciones al humo de tal longitud no son prácticas en estudios controlados, pero los datos de anillos de árboles podrían utilizarse potencialmente para examinar las correlaciones entre las tasas de crecimiento y la extensión del humo durante la temporada de verano si se pueden tener en cuenta otros factores de confusión.
Hay algunas posibles razones por las que no encontramos diferencias significativas en la química de defensa en respuesta a los tratamientos con humo. En primer lugar, para el álamo temblón, se sabe que los diferentes genotipos responden de manera diferente a los cambios ambientales . Aquí solo usamos un genotipo y eso podría resultar en respuestas faltantes que ocurren en otros genotipos de álamo temblón. En segundo lugar, en contraste con la germinación de semillas, las plantas no pueden usar el humo como una señal para las respuestas fisiológicas de las hojas después del fuego. En tercer lugar, si bien observamos dos compuestos de defensa importantes basados en la cantidad y la función, ciertamente no realizamos una encuesta exhaustiva de las respuestas metabólicas secundarias. Por último, también es posible que la firma de nuestras exposiciones al humo (química, tiempo, intensidad) no fuera adecuada para provocar una respuesta de defensa.
Debido a que hay muchos compuestos en el humo y sabemos muy poco sobre cómo pueden afectar a las plantas, tenemos mucho que aprender sobre la influencia del humo en la función de las plantas. El hecho de que diferentes especies de plantas puedan mostrar respuestas variables al humo, además del potencial de que diferentes especies de plantas produzcan su propio complejo conjunto de compuestos, sugiere que puede haber algunos roles intrigantes para el humo en la función de las plantas y los ecosistemas.
Reconocimiento
Se agradece a Joey Schmutz por ayudar a plantar y monitorear las plántulas, a Eric Smith por ayudar en la exposición al humo y el procesamiento de muestras, y a Mitchell Calder por ayudar con la cosecha.
