absztrakt
az erdőtüzek füstje hetekig fennmaradhat a környezetben, és bár jelentős mennyiségű szakirodalom vizsgálja a füstnek a vetőmag csírázására gyakorolt hatását, a füstnek a levél működésére gyakorolt hatását szinte nem vizsgálták. A tanulmány célja a lombhullató zárvatermők és az örökzöld tűlevelű fafajok növekedési és primer és szekunder metabolikus válaszainak összehasonlítása volt a rövid füst expozícióval. A húsz perces füst expozíció a fotoszintetikus kapacitás több mint 50% – os csökkenését eredményezte az általunk vizsgált hat faj közül ötben. A füstre adott fotoszintézis károsodása a sztomatális vezetőképesség csökkenésének és a biokémiai korlátoknak a függvénye volt. Általában a lombhullató zárvatermő fajok nagyobb érzékenységet mutattak, mint az örökzöld tűlevelűek. Bár a fotoszintézis és a sztóma vezetőképessége jelentősen csökkent, a füstnek nem volt jelentős hatása a növekedésre vagy a másodlagos védelmi vegyületek termelésére a vizsgált fafajok egyikében sem.
1. Bevezetés
a tűz az elmúlt 350 millió évben alakította a szárazföldi növényközösségeket . Az Intermountain West-ben a tűz szerves szerepet játszott a növényközösségek strukturálásában, tipikus tűzvisszatérési intervallumokkal 35 és 200 év között . A tűzből származó füst az üzemanyag terhelésétől, intenzitásától és az égés időtartamától függ, és hetekig fennmaradhat a levegőben . A növények füstre adott reakcióinak jobb megértése egyre fontosabbá válik, mivel a hosszabb tenyészidőszak, valamint a jövőbeni éghajlati forgatókönyvek szerint előre jelzett megnövekedett aszály-gyakoriság és-időtartam várhatóan az erdőtüzek növekedését eredményezi .
szinte az összes tanulmány, amely a füstnek a növény fiziológiájára és fejlődésére gyakorolt hatását vizsgálja, a vetőmag csírázásához kapcsolódik . Viszonylag keveset tudunk arról, hogy a füst hogyan befolyásolja a növények elsődleges és másodlagos anyagcseréjét. Davies és az Unam megvizsgálta az indonéziai erdőtüzek fotoszintézisre gyakorolt hatását, és megállapította, hogy a tüzek CO2-szintjének növekedése ellenére a fotoszintetikus arány csökkent. Gilbert és Ripley kimutatták, hogy a füst expozíció csökkentette a sztóma vezetőképességét, a CO2 asszimilációs sebességét és az intercelluláris levél CO2 koncentrációját.
elméletileg a füst fizikai és/vagy kémiai folyamatok révén csökkentheti a fotoszintézist. Fizikailag a füsttermelés magas gőznyomás-hiányhoz vezethet, amely kiválthatja a sztóma bezáródását . Kémiailag több mint 100 vegyületet azonosítottak a füstben . Az azonosítottak közül sokról ismert, hogy fiziológiailag hatással van a növényekre , beleértve az NO2-t, a CO2-t, az SO2-t és az O3-t . Az O3 a klorofill pusztulásához kapcsolódik, és kimutatták, hogy gátolja a K + csatornákat, amelyek szabályozzák az őrsejtek működését, és viszont szabályozzák a sztóma megnyitását . Az SO2 csökkenti a sztóma vezetőképességét, gátolja a fotoszintetikus oxigén evolúciót és az elektrontranszportot, és inaktiválja a Calvin-ciklusú enzimeket . Az NO2 és SO2 keverékek additív módon gátolják a fotoszintézist . Az NO2 és SO2 hosszú távú expozíciója a szuperoxid-diszmutáz és a glutation-reduktáz későbbi csökkenését mutatja , amelyek a növények fő antioxidáns enzimei . Az antioxidáns enzim funkció letiltása az ózon magas szintjével együtt, amely egy erős pro-oxidáns, elősegítheti az oxidatív stresszt a hosszabb füst expozíció során.
a környezeti feltételek tűz után bekövetkező változásai csökkenthetik a növények által tapasztalt biotikus stressznyomást. Moritz és Odion szoros kapcsolatot talált a Phytophthora ramorum fertőzés hiánya és az utolsó égés óta eltelt idő között. Azt javasolták, hogy a tűz gátolhatja a kórokozó aktivitását azáltal, hogy növeli a Ca elérhetőségét, ami döntő fontosságú a növények betegségekkel szembeni rezisztenciája szempontjából . A tüzet követő szárazabb mikroklímák korlátozhatják a gombás kórokozók növekedését, Schwartz et al. javasolta, hogy a fungicid tulajdonságait füst csökkent gombás fertőzés és a növekedés a levelek .
a füst egy rendkívül összetett kémiai koktél növényi hatóanyagokkal, amelyek információt szolgáltathatnak az ökoszisztémákban lévő növényeknek, amelyek nemrégiben tüzet tapasztaltak. Például, füst használják a végszó a magok néhány tűz adaptált növényfajok, mint egy jel, hogy a feltételek kedvezőek a csírázás, például,. A butenolid 3-metil-2H-furopiran-2-on egy füstben lévő vegyület, amely csírázást vált ki . Nem ismert, hogy a mag hogyan érzékeli a butenolidot, de bizonyíték van arra, hogy a víz felvételének megkönnyítésével csírázást vált ki . Mivel a tűz után sok változás következik be a környezeti feltételekben (pl., a verseny csökkenése, tápanyagimpulzusok a talajban és csökkent kórokozóterhelés), a növények a füstöt környezeti jelzésként használhatják más adaptív anyagcsere-és növekedési válaszok elindításához.
a kondenzált tanninok és fenolos glikozidok olyan lombvédő vegyületek, amelyeket a növények gyakran nagyon magas koncentrációban termelnek (egyes fajoknál akár 30% száraz tömeg), hogy megvédjék magukat a növényevő és kórokozó támadásoktól . Az erőforrások védelmi kémiai termelésre történő elosztása kompromisszumot eredményez, ahol csökken a növekedési potenciál . Bizonyították a védelmi kémia termelésének plaszticitását a környezeti feltételek változásaira reagálva . Tűz utáni forgatókönyv esetén a kórokozó-és rovarnyomás csökkenése csökkentheti a másodlagos védelmi vegyületek magas szintjének szükségességét, és ezáltal nagyobb erőforrás-allokációt tesz lehetővé a növekedés és a szaporodás számára.
itt három lombhullató zárvatermő (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) és három örökzöld tűlevelű (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii és Picea pungens) fafajnak a rövid távú füst expozícióra adott válaszait vizsgáljuk. Feltételezzük, hogy: (1) a füstnek való kitettség csökkenti a fotoszintézis és a sztóma vezetőképességét; (2) a füst olyan jelként szolgál, amely a magoncok erőforrásainak elosztását eredményezi a védelmi kémia termelésétől a növekedésig.
2. Anyagok és módszerek
hat fafajt (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii és Picea pungens) használtak második növekedési évükben kezelési egységként. Ezeket a fajokat azért választották, mert olyan adaptációkkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra a tűz túlélését ellenállás vagy regeneráció révén, ami azt jelzi, hogy a tűzre reagálva fejlődtek ki. A Populus tremuloides (reszkető nyárfa), az Acer glabrum (sziklás-hegyi juhar) és a Quercus gambelii (gamble tölgy) a tűzre a gyökérszívókon keresztül történő újracsírázással reagálnak . Az olyan örökzöld tűlevelű fajok, mint a Pinus ponderosa (ponderosa pine) és a Pseudotsuga menziesii (Douglas-fenyő), vastag kérgükkel tűzállósági stratégiát alkalmaznak . A Picea pungens (kék lucfenyő) nem ismert tűzállóságáról, de hasznos, mint egy másik örökzöld tűlevelű faj, amely rendszeresen tapasztal tüzet. Ezek a fajok gyakoriak a Sziklás-hegységben, és ökológiailag fontos fajok. A Populus tremuloides-t egy közönséges klón vad gyökér dugványaiból termesztették, a fennmaradó öt fajt pedig két faiskolából (Sun Mountain growers, Kaysville, Utah, és Plants of The Wild, Tekoa, Washington) cserepes és csupasz gyökér palántaként nyerték.
az ültetés előtt a csemete gyökereit megmossuk, és megmértük a növény friss tömegét. Az egyes fajokon belül egységes tömegű és magasságú fákat használtak a vizsgálatban. Március 26-27, 2008, minden fa átültetett egy tőzeg / perlit (3 : 1) – alapú közeg 75% -80% Kanadai tőzegmoha gipsz, perlit, mészkő és nedvesítő szer (Sunshine Mix # 1, Sun Gro Kertészet, Bellevue, WA) cserépben 23,5 cm 11,5 cm2. Minden edénybe négy gramm Osmocote Smart Release növényi ételt adtak 14-14-14-gyel, hogy biztosítsák a növekedéshez szükséges tápanyagokat. A fák a nyár hátralévő részében klimatizált üvegházban voltak, és hetente kétszer telítettek.
2.1. Füst kezelés
május 26-30, 2008, öt replikált palánták minden faj voltak kitéve füst lépcsőzetes időben (egy replikált minden nap, több mint egy öt napos időszak). A füst expozíciója 20 percig történt. A második ciklus füst expozíció ugyanazon növények történt június 9-13, 2008.
a füstkamrát zárt műanyag hűtőből készítették (95 cm 38 cm 45 cm). A füst előállításához a vizsgálatban szereplő hat fafaj mindegyikéből nyert szárított levélanyag egyenlő részét használtuk fel. A leveleket egy üvegtölcsérben égették el, amelyet egy üveglombik tetejéhez csatlakoztatott lombikba illesztettek. A lombikot jégfürdőben hűtöttük, hogy kiküszöböljük a kamrában a hőmérséklet emelkedését. 25 másodpercig 500 mg levélanyag-keveréket hamuvá égettek egy butángyújtóval, és a füstöt műanyag csöveken keresztül a hűtő alján lévő csövekhez csatlakoztatott vákuum segítségével a kamrába húzták. A hűtőben lévő ventilátor eloszlatta a füstöt, a hűtőben lévő fluoreszkáló fény pedig alacsony fényszintet biztosított. A füstkamra belsejében a hőmérséklet soha nem haladta meg , a Hobo U10-003 adatgyűjtő (kezdet Computer Corporation, Pocasset, MA). A kontroll kezelésekhez az elsővel azonos második kamrát használtunk. Az összes eljárás pontosan ugyanaz volt a kontrollkamra esetében, azzal a kivétellel, hogy a levélanyagot nem helyezték az üvegtölcsérbe.
nehéz összehasonlítani a füst expozíciót a természeti környezetben tapasztaltakkal, mivel a füsttermelés rendkívül változó Észak-Amerika nyugati részén . Ez részben az üzemanyag-terhelés, az üzemanyag-fogyasztás, a kibocsátás mértéke és a diszperziós sebesség változásainak tudható be . A vegyes tűlevelű erdők üzemanyag-terhelése 63-112 MT, a nyárfák pedig 20-83 MT között változhat . Mivel 0,03 MT-t (a füstkamra levél tömegterülete) használtunk, becsléseink szerint a füst expozíciónk kevésbé koncentrált, mint az erdőtűz esetén.
2.2. Gázcsere
a füstnek való kitettség után a kezelt növényeket eltávolították a füstkamrából a fotoszintézis és a sztómavezetés sebességének mérésére egy gázcserélő rendszerrel (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). A fotoszintetikus méréseket 1200 mol m−2 s−1 fotoszintetikus fotonfluxus sűrűséggel (PPFD) végeztük a 6400-04 LED kék-piros fényforrással környezeti hőmérsékleten és páratartalom mellett. Két mérést végeztek 385 ppm és 1000 ppm CO2-koncentráció mellett, a CO2-koncentrációt a CO2-keverő segítségével érték el annak megkülönböztetésére, hogy a füst fotoszintézisre gyakorolt hatása összefügg-e a sztómás és/vagy biokémiai korlátokkal . A méréseket úgy kezdeményeztük, hogy a kamrában lévő levél lezárult az egyes fák legfiatalabb, teljesen kibővített levélén vagy tűin. Miután a levélkamrában a CO2 és a vízgőz koncentrációja elérte az egyensúlyi állapotot (60-90 másodperc), feljegyezték a fotoszintézis és a sztómavezetés sebességét. A méréseket közvetlenül a füst expozíció után, 30 perccel az expozíció után, majd 70 percenként 310 percig végeztük.
a levélkamrát nem kitöltő levelek levélterületének kiszámításához a leveleket papíron nyomon követték, amelyet kivágtak, majd a levélterület-mérővel megmérték a területet (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). A tűterületet a tűk képének beolvasásával számítottuk ki, a mérési területet pedig a Scion Image for Windows segítségével (Frederick, Maryland, USA).
2.3. Növekedés
július 29-én 2008-ban a fákat betakarították a növekedés és a tömegmérések céljából. A szár magasságát megmértük, majd a palántát a talaj szintjén levágtuk, és mind a gyökereket, mind a hajtásokat 72 órán át szárítottuk, hogy analitikai mérleg segítségével száraz tömeget kapjunk (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, USA).
2.4. Másodlagos kémia
a leveleket és a tűket kilenc héttel a füst expozíció után (július 29, 2008) eltávolították a palántákból, és szárazjégre csomagolták, mielőtt a fenolos glikozidok és a kondenzált tanninok későbbi elemzéséhez tárolásra kerültek. A leveleket fagyasztva szárítottuk, a tűket pedig kemencében szárítottuk 72 órák. A levél és a tű anyagát ezután egy Wiley malomban összetörték egy 10-es Szita segítségével. A tanninokat minden fajra számszerűsítettük egy módosított butanol-HCL módszerrel, amelyet Porter et al. , ahol körülbelül 50 mg levélanyagot helyeztünk 2 mL csavaros kupakkal ellátott mikrocentrifuga csövekbe, 1 mL 70%-os aceton-10 mM aszkorbinsav oldatban szuszpendálva. A mintákat ezután magasan örvényeltük 20 percek. A folyékony felülúszót ezután eltávolítottuk, majd az extrakciót megismételtük. A tanninok koncentrációját ezután spektrofotometriásan (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Kanada) tisztított tanninok alkalmazásával standardként.
a fenolos glikozidokat, a szalikortint és a tremulacint körülbelül 50 mg nyárfa levélszövetből vonták ki (a többi faj nem tartalmaz jelentős mennyiségű fenolos glikozidot). A szövetmintákat 2 mL-es csavaros kupakkal ellátott mikrocentrifugacsövekbe helyeztük, majd metanolban szuszpendáltuk. A mintákat ezután 5 percig magasra örvényeltük. A folyékony felülúszót eltávolítottuk, majd az extrakciót megismételtük. A szalikortin és a tremulacin végső koncentrációját nagy teljesítményű folyadékkromatográfiával (Agilent 1100 sorozat, Santa Clara, CA, USA), Luna 2, C18 oszloppal (150 4,6 mm, 5 m) határoztuk meg 1 mL/perc áramlási sebességgel. Összetett csúcsok észlelt használata, UV lámpa, a hullámhossz, a 280 nm-en, tisztított salicortin, valamint tremulacin szabványok izolált aspen levelek .
2.5. Statisztikai Elemzés
futottunk egy Diák -teszt, teszt különbségek védelem kémia, valamint a növekedést. Ismételt mérési variancia-elemzést (ANOVA) használtunk a füst expozíciójának a fotoszintézis sebességére gyakorolt hatásának tesztelésére az expozíciót követő 30 perctől az expozíciót követő 310 percig, az időt “belül” tényezőként használva . A variancia és a normalitás homogenitását Shapiro-Wilk w statisztikákkal és egyenlő variancia tesztekkel vizsgáltuk. Azokat az adatokat, amelyek nem feleltek meg a paraméteres tesztekre vonatkozó feltételezéseknek, Wilcox rank sum teszttel teszteltük, míg a grafikonokban és táblázatokban szereplő adatokat nem alakítottuk át. A statisztikai elemzést JMP 7-es verziójú statisztikai szoftverrel végeztük (SAS Intézet, Cary, NC, USA).
3. Eredmények
a Douglas-fir kivételével az összes faj szignifikáns különbséget mutatott a sztóma vezetőképességében és a fotoszintézis sebességében 30 perccel az expozíció után. Az Aspen és a ponderosa fenyő a fotoszintézis legnagyobb csökkenését mutatta (1.ábra). A Douglas-fir kezdetben szignifikáns csökkenést mutatott az and – ben (az adatok nem jelennek meg). Két héttel az expozíció után ismét megmérték a fotoszintézis sebességét, és minden fajban teljes gyógyulás történt (az adatok nem jelennek meg).
(a)
(b)
a)
b)
(fotoszintézis maximális sebessége) és (sztomatális vezetőképesség) 30 perces füst expozíció után. Az egyetlen faj, amely nem volt szignifikáns különbség a kezelések között (szinten), a Douglas-fenyő volt.
az 1000 ppm-es fotoszintézis sebességének ismételt mérése során a CO2 szignifikáns időhatást (-értéket ) mutatott, amelyben a fotoszintézis aránya az idő előrehaladtával helyreállt a füst expozíciójából (2.ábra). 1000 ppm-nél szintén jelentős kölcsönhatás volt az idő és a fajtípus(lombhullató zárvatermők és örökzöld tűlevelűek) között (-érték = .0073) lombhullató zárvatermő fajokkal, amelyek lassabban gyógyulnak (2. ábra). 385 ppm CO2-nál az idő volt az egyetlen jelentős hatás az ismételt mérési modellben (-érték =.0209). A faj típusa marginálisan szignifikáns volt (- érték = .0709).
(a)
(b)
(a)
(b)
a fotoszintézis csökkent aránya a kontrolltól való százalékos különbségben kifejezve mind a környezeti (a) (385 ppm), mind a telített (b) (1000 ppm) CO2-koncentrációban.
nem volt szignifikáns különbség a növekedés, a kondenzált tanninok vagy a fenolos glikozidok tekintetében (3.ábra; az utóbbira nem mutattunk adatokat).
(a)
(b)
a)
b)
a biomassza és a kondenzált tanninok összehasonlítása füstnek kitett mintákban és kontrollokban. Egyetlen faj kezelése között sem volt szignifikáns különbség.
4. Vita
az adatok összhangban vannak az első hipotézisünkkel, miszerint a füst expozíciója csökkenti a fotoszintézis sebességét. A fotoszintetikus válaszok összehasonlítása környezeti és telített CO2-koncentrációknál azt sugallja, hogy a füst befolyásolja a fotoszintetikus funkciókat azáltal, hogy csökkenti a sztóma vezetőképességét és a biokémiai funkciók károsodását (2.ábra). Eredményeink először mutatják, hogy a fotoszintetikus füstérzékenység a fafajok sokféle mintavételén keresztül jelentkezik, és hogy az érzékenység széles körű eltérést mutat e Fajok között.
a füst összetevőinek összetettsége miatt nehéz pontosan meghatározni, hogy mely vegyi anyagok befolyásolhatják hátrányosan a fotoszintézist. A füstben lévő különböző vegyületek, mint például a NO és az NO2, különböző mértékben befolyásolják a növényfajokat . Megállapítottuk, hogy az örökzöld tűlevelűek kezdetben gyorsabban felépültek a füst expozíciójából, mint a lombhullató zárvatermők (2.ábra). Harminc perccel a füstkezelés befejezése után csak a Douglas-fir gyógyult meg teljesen (a fotoszintézis kezdeti csökkenése nem látható) (1.ábra). Bár az örökzöld tűlevelűek gyorsabban gyógyultak, mint a lombhullató zárvatermők, a növekedési mintákban vagy a védelmi kémiai termelésben nem történt változás a füst expozíciójára reagálva (3.ábra). Ez azt jelzi, hogy a viszonylag rövid, 20 perces füst expozíciónak nem volt hosszú távú hatása.
miért az örökzöld tűlevelűek kezdetben gyorsabban gyógyultak, mint a lombhullató zárvatermők, nem ismert. A növényfajok toleranciát alakíthatnak ki azokkal a szennyező anyagokkal szemben, amelyekről ismert, hogy befolyásolják a fotoszintézist . Az örökzöld tűlevelűek nagyobb toleranciája a különböző tűzstratégiák következménye lehet, amelyekben a gamble oak, a rocky mountain maple és a aspen túlélési stratégiát alkalmaz a túlzó erkölcsiségről, amelyet később aszexuális regeneráció követ . Ezzel szemben, örökzöld, tűlevelű fajok, beleértve a ponderosa fenyő, valamint Douglas-fenyő foglalkoztat egy stratégia tűzállósági a vastag kérget, amely lehetővé teszi a overstory, hogy túlélje . Mi feltételezem, hogy a faj foglalkoztató stratégia tűzállósági volna egy nagyobb kell, hogy dolgozzon ki olyan mechanizmusokat, a tolerancia, hogy elkerüljék a negatív hatások a tű expozíció füst hosszabb ideig.
Az eredmények nincsenek összhangban a második hipotézis, hogy a füst megváltoztatja növekedési minták vagy elosztási védelmi kémia. Valószínű, hogy két 20 perces füst expozíció nem elegendő a növekedési válasz kiváltásához. Észak-Amerika nyugati részén, a növényeket hetektől hónapokig terjedő füstnek lehet kitenni ,amint azt a. Az ilyen hosszúságú füst expozíció kontrollált vizsgálatokban nem praktikus, de a fagyűrű adatai potenciálisan felhasználhatók a növekedési ütem és a füst terjedelme közötti összefüggések vizsgálatára a nyári szezonban, ha más zavaró tényezők is elszámolhatók.
néhány lehetséges oka van annak, hogy miért nem találtunk szignifikáns különbségeket a védelmi kémiában a füstkezelésekre adott válaszokban. Először is, a nyárfa esetében ismert, hogy a különböző genotípusok eltérően reagálnak a környezeti változásokra . Itt csak egy genotípust használtunk, ami hiányzó válaszokat eredményezhet, amelyek más nyárfa genotípusokban fordulnak elő. Másodszor, a vetőmag csírázásával ellentétben a növények nem használhatják a füstöt a tüzet követő fiziológiai levélreakciók jelzésére. Harmadszor, miközben két fontos védelmi vegyületet vizsgáltunk a mennyiség és a funkció alapján, biztosan nem végeztünk átfogó felmérést a másodlagos anyagcsere-válaszokról. Végül az is lehetséges, hogy a füst expozíciónk (kémia, időzítés, intenzitás) aláírása nem volt megfelelő a védelmi válasz kiváltásához.
mivel sok vegyület van a füstben, és olyan keveset tudunk arról, hogy hogyan befolyásolhatják a növényeket, sokat kell tanulnunk a füstnek a növény működésére gyakorolt hatásáról. Az a tény, hogy a különböző növényfajok eltérő válaszokat mutathatnak a füstre, amellett, hogy a különböző növényfajok képesek saját összetett vegyületkészletüket előállítani, azt sugallja, hogy a füstnek érdekes szerepe lehet a növényekben és az ökoszisztéma működésében.
Köszönetnyilvánítás
Köszönjük Joey Schmutznak, hogy segített elültetni és felügyelni a palántákat, Eric Smith-nek, hogy segített a füstnek való kitettségben és a minta feldolgozásában, és Mitchell Caldernek, hogy segített a betakarításban.
