Abstract
Il fumo degli incendi boschivi può persistere nell’ambiente per settimane e mentre esiste una notevole quantità di letteratura che esamina gli effetti dell’esposizione al fumo sulla germinazione dei semi, gli effetti del fumo sulla funzione fogliare sono quasi non investigati. L’obiettivo di questo studio era quello di confrontare la crescita e le risposte metaboliche primarie e secondarie di angiosperme decidue e specie di conifere sempreverdi a breve esposizione al fumo. Venti minuti di esposizione al fumo hanno comportato una riduzione superiore al 50% della capacità fotosintetica in cinque delle sei specie che abbiamo esaminato. La compromissione della fotosintesi in risposta al fumo era una funzione della riduzione della conduttanza stomatica e delle limitazioni biochimiche. In generale, le specie di angiosperme decidue hanno mostrato una maggiore sensibilità rispetto alle conifere sempreverdi. Mentre c’erano diminuzioni significative nella fotosintesi e nella conduttanza stomatica, il fumo non ha avuto alcun effetto significativo sulla crescita o sulla produzione di composti di difesa secondaria in nessuna delle specie di alberi esaminate.
1. Introduzione
Il fuoco ha plasmato le comunità vegetali terrestri negli ultimi 350 milioni di anni . Nell’Intermountain West, il fuoco ha avuto un ruolo fondamentale nella strutturazione delle comunità vegetali con intervalli di risposta al fuoco tipici tra 35 e 200 anni . Il fumo prodotto dagli incendi varia con i carichi di carburante, l’intensità e la durata della combustione e può persistere nell’aria per settimane . Una migliore comprensione delle risposte delle piante al fumo sta diventando sempre più rilevante in quanto le stagioni di crescita più lunghe e l’aumento della frequenza e della durata della siccità proiettate in futuri scenari climatici dovrebbero comportare un aumento degli incendi .
Quasi tutti gli studi che esaminano gli effetti del fumo sulla fisiologia e sullo sviluppo delle piante sono stati legati alla germinazione dei semi . Relativamente poco si sa su come il fumo influenza il metabolismo primario e secondario nelle piante. Davies e Unam hanno studiato gli effetti degli incendi boschivi in Indonesia sulla fotosintesi e hanno scoperto che, nonostante gli aumenti di CO2 causati dagli incendi, i tassi di fotosintesi sono stati abbassati. Gilbert e Ripley hanno dimostrato che l’esposizione al fumo ha ridotto la conduttanza stomatica, il tasso di assimilazione della CO2 e le concentrazioni di CO2 delle foglie intercellulari.
In teoria, il fumo potrebbe ridurre la fotosintesi attraverso processi fisici e/o chimici. Fisicamente, la produzione di fumo può portare a deficit di alta pressione di vapore che possono innescare la chiusura stomatica . Chimicamente, oltre 100 composti sono stati identificati nel fumo . Di quelli che sono stati identificati, molti sono noti per avere effetti fisiologici sulle piante, tra cui NO2, CO2, SO2 e O3 . O3 è stato collegato alla distruzione della clorofilla ed è stato anche dimostrato di inibire i canali K+ che regolano la funzione delle cellule di guardia e a sua volta controlla l’apertura stomatica . SO2 riduce la conduttanza stomatica, inibisce l’evoluzione fotosintetica dell’ossigeno ed il trasporto dell’elettrone ed inattiva gli enzimi del Calvin-ciclo . Una volta combinati, le miscele di NO2 e SO2 hanno dimostrato di inibire in modo additivo la fotosintesi . Le esposizioni a lungo termine a NO2 e SO2 mostrano successive riduzioni della superossido dismutasi e della glutatione reduttasi , che sono i principali enzimi antiossidanti nelle piante . La disattivazione della funzione enzimatica antiossidante in combinazione con alti livelli di ozono, un potente pro-ossidante, può promuovere lo stress ossidativo durante l’esposizione prolungata al fumo.
I cambiamenti nelle condizioni ambientali a seguito di un incendio possono ridurre la pressione di stress biotico sperimentata dalle piante. Moritz e Odion hanno trovato una forte relazione tra l’assenza di infezione di Phytophthora ramorum e il tempo dall’ultima bruciatura. Hanno suggerito che il fuoco può inibire l’attività del patogeno aumentando la disponibilità di Ca, che è cruciale per la resistenza delle piante alle malattie . I microclimi più secchi dopo l’incendio possono limitare la crescita dei patogeni fungini e Schwartz et al. proposto che le proprietà fungicide del fumo ridotto infezione fungina e la crescita sulle foglie .
Il fumo è un cocktail chimico altamente complesso con composti attivi vegetali che possono fornire informazioni alle piante negli ecosistemi che hanno recentemente sperimentato il fuoco. Ad esempio, il fumo viene utilizzato come spunto dai semi in alcune specie di piante adattate al fuoco come segnale che le condizioni sono favorevoli per la germinazione, ad esempio,. Butenolide 3-metil-2H-furopyran-2-one è un composto in fumo che induce la germinazione . Non è noto come il seme percepisca il butenolide, ma ci sono prove che innesca la germinazione facilitando l’assorbimento di acqua . Poiché ci sono molti cambiamenti nelle condizioni ambientali dopo un incendio (ad es., riduzione della concorrenza, impulsi nutrienti nel suolo e diminuzione dei carichi patogeni), le piante possono utilizzare il fumo come spunto ambientale per avviare altre risposte metaboliche e di crescita adattive.
I tannini condensati e i glicosidi fenolici sono composti di difesa fogliare che le piante spesso producono in concentrazioni molto elevate (fino al 30% in peso secco in alcune specie) per difendersi dagli attacchi erbivori e patogeni . L’allocazione delle risorse alla produzione chimica della difesa si traduce in un compromesso in cui il potenziale di crescita è ridotto . È stata dimostrata la plasticità nella produzione di chimica della difesa in risposta a cambiamenti nelle condizioni ambientali . In uno scenario post-incendio, una riduzione della pressione degli agenti patogeni e degli insetti può comportare una ridotta necessità di alti livelli di composti di difesa secondaria e quindi consentire una maggiore allocazione delle risorse alla crescita e alla riproduzione.
Qui esaminiamo le risposte di tre angiosperme decidue (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) e tre specie di conifere sempreverdi (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii e Picea pungens) alle esposizioni di fumo a breve termine. Ipotizziamo che: (1) l’esposizione al fumo riduce i tassi di fotosintesi e conduttanza stomatica; (2) il fumo serve come segnale che si traduce nell’allocazione delle risorse della piantina dalla produzione di chimica della difesa alla crescita.
2. Materiali e metodi
Sei specie arboree (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii e Picea pungens) nel loro secondo anno di crescita sono state utilizzate come unità di trattamento. Queste specie sono state scelte perché hanno adattamenti che consentono loro di sopravvivere al fuoco attraverso la resistenza o la rigenerazione, il che indica che si sono evoluti in risposta al fuoco. Il Populus tremuloides (pioppo tremulo tremulo), l’Acer glabrum (acero delle Montagne rocciose) e il Quercus gambelii (quercia del gamble) rispondono al fuoco con il resprouting attraverso i polloni delle radici . Specie di conifere sempreverdi come Pinus ponderosa (ponderosa pine) e Pseudotsuga menziesii (Douglas-fir) impiegano una strategia di resistenza al fuoco con la loro corteccia spessa . Picea pungens (abete rosso blu) non è noto per la resistenza al fuoco, ma è utile come un’altra specie di conifere sempreverdi che sperimenta regolarmente il fuoco. Tutte queste specie sono comuni nelle Montagne Rocciose e sono specie ecologicamente importanti. Populus tremuloides è stato coltivato da talee di radici selvatiche da un clone comune, e le restanti cinque specie sono state ottenute da due vivai (Sun Mountain growers, a Kaysville, Utah, e Plants of the Wild, Tekoa, Washington) come piantine di radici in vaso e nude.
Prima della semina, le radici della piantina sono state lavate e la massa vegetale fresca è stata misurata. All’interno di ciascuna specie, sono stati utilizzati alberi di massa e altezza uniformi nello studio. Il 26-27 marzo 2008, ogni albero è stato trapiantato in una torba / perlite (3 : 1) terreno a base di 75% -80% Muschio di torba di sfagno canadese con gesso, perlite, calcare e agente bagnante (Sunshine Mix #1, Sun Gro Horticulture, Bellevue, WA) in vasi 23.5 cm 11.5 cm2. Quattro grammi di Osmocote Smart Release Plant Food con 14-14-14 sono stati aggiunti a ciascun piatto per fornire i nutrienti necessari per la crescita. Gli alberi erano in una serra controllata dal clima per il resto dell’estate e venivano annaffiati fino alla saturazione due volte a settimana.
2.1. Trattamento del fumo
Dal 26 al 30 maggio 2008, cinque piantine replicate di ciascuna specie sono state esposte al fumo sfalsate nel tempo (una replica ogni giorno, per un periodo di cinque giorni). L’esposizione al fumo si è verificata per 20 minuti. Un secondo ciclo di esposizione al fumo sulle stesse piante si è verificato dal 9 al 13 giugno 2008.
La camera di fumo è stata fabbricata da un refrigeratore di plastica sigillato (95 cm 38 cm 45 cm). Per generare il fumo sono state utilizzate parti uguali di materiale fogliare essiccato ottenuto da ciascuna delle sei specie arboree dello studio. Le foglie sono state bruciate in un imbuto di vetro montato in un pallone che è stato collegato alla parte superiore di un pallone di vetro. Il pallone è stato raffreddato in un bagno di ghiaccio per eliminare gli aumenti di temperatura all’interno della camera. Per 25 secondi, 500 mg di miscela di materiale fogliare sono stati bruciati in cenere con un accendino butano e il fumo è stato tirato attraverso tubi di plastica nella camera utilizzando un vuoto collegato al tubo nella parte inferiore del dispositivo di raffreddamento. Una ventola all’interno del dispositivo di raffreddamento ha disperso il fumo e una luce fluorescente all’interno del dispositivo di raffreddamento ha fornito bassi livelli di luce. Temperature all’interno della camera di fumo mai superato , come misurato da un Hobo U10-003 data logger (Onset Computer Corporation, Pocasset, MA). Una seconda camera identica alla prima è stata utilizzata per i trattamenti di controllo. Tutte le procedure erano esattamente le stesse per la camera di controllo, ad eccezione del fatto che il materiale fogliare non è stato inserito nell’imbuto di vetro.
È difficile confrontare la nostra esposizione al fumo con ciò che viene sperimentato in ambienti naturali poiché la produzione di fumo è estremamente variabile nel Nord America occidentale . Ciò è dovuto in parte alle variazioni del carico di carburante, del consumo di carburante, del tasso di emissioni e dei tassi di dispersione . I carichi misti di combustibile per foreste di conifere possono variare da 63-112 MT e foreste di pioppi da 20-83 MT . Poiché abbiamo utilizzato 0,03 MT (area di massa fogliare della camera di fumo), stimiamo che la nostra esposizione al fumo sia meno concentrata di quella sperimentata in un incendio boschivo.
2.2. Scambio di gas
Dopo l’esposizione al fumo, le piante trattate sono state rimosse dalla camera di fumo per misurare i tassi di fotosintesi e conduttanza stomatica con un sistema di scambio di gas (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Le misurazioni fotosintetiche sono state effettuate con una densità di flusso di fotoni fotosintetici (PPFD) di 1200 mol m−2 s−1 con la sorgente luminosa 6400-04 LED blu-rosso a temperatura ambiente e umidità. Sono state effettuate due misurazioni a concentrazioni di CO2 di 385 ppm e 1000 ppm, rispettivamente, con concentrazioni di CO2 raggiunte utilizzando il miscelatore di CO2 per distinguere se gli effetti del fumo sulla fotosintesi fossero correlati a limitazioni stomatali e/o biochimiche . Le misurazioni sono state avviate sigillando la foglia nella camera sulla foglia o sugli aghi completamente espansi più giovani di ciascun albero. Dopo che le concentrazioni di CO2 e vapore acqueo nella camera fogliare hanno raggiunto uno stato stazionario (60-90 secondi), sono stati registrati i tassi di fotosintesi e conduttanza stomatica. Le misurazioni sono state effettuate immediatamente dopo l’esposizione al fumo, 30 minuti dopo l’esposizione, e poi ogni 70 minuti fino a 310 minuti dopo.
Per calcolare l’area fogliare per le foglie che non riempivano la camera fogliare, le foglie sono state tracciate su carta che è stata tagliata e poi misurata per l’area con il misuratore di area fogliare (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). L’area dell’ago è stata calcolata scansionando un’immagine degli aghi e misurando l’area con Scion Image per Windows (Frederick, Maryland, USA).
2.3. Crescita
Il 29 luglio 2008, gli alberi sono stati raccolti per la crescita e le misurazioni di massa. L’altezza dello stelo è stata misurata e quindi la piantina è stata tagliata a livello del suolo e sia le radici che i germogli sono stati essiccati per 72 ore per ottenere massa secca utilizzando una bilancia analitica (GeneMate GP-600, Bio Bioexpress, Kaysville, UT, USA).
2.4. Chimica secondaria
Foglie e aghi sono stati rimossi dalle piantine nove settimane dopo l’esposizione al fumo (29 luglio 2008) e confezionati su ghiaccio secco prima di essere spostati allo stoccaggio per una successiva analisi dei glicosidi fenolici e tannini condensati. Le foglie sono state liofilizzate e gli aghi sono stati essiccati al forno per 72 ore. Foglia e materiale ago è stato poi schiacciato in un mulino Wiley utilizzando uno schermo no. 10. I tannini sono stati quantificati per tutte le specie utilizzando un metodo butanolo-HCL modificato descritto in Porter et al. , dove circa 50 mg di materiale fogliare sono stati posti in tubi di microcentrifuga a tappo a vite da 2 ml sospesi in 1 ml di soluzione di acido ascorbico al 70% di acetone-10 mm. I campioni sono stati poi vortexed in alto a per 20 minuti. Il surnatante liquido è stato quindi rimosso e l’estrazione è stata ripetuta. La concentrazione di tannini è stata quindi quantificata spettrofotometricamente (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Canada) utilizzando tannini purificati come standard.
I glicosidi fenolici, salicortina e tremulacina, sono stati estratti da circa 50 mg di tessuto fogliare di pioppo (le altre specie non contengono livelli significativi di glicosidi fenolici). I campioni di tessuto sono stati posti in provette per micro-centrifuga da 2 ml con tappo a vite e sospesi in metanolo. I campioni sono stati poi vortexed in alto per 5 minuti. Il surnatante liquido è stato rimosso e l’estrazione è stata ripetuta. Le concentrazioni finali di salicortina e tremulacina sono state quantificate utilizzando cromatografia liquida ad alte prestazioni (serie Agilent 1100, Santa Clara, CA, USA) con una colonna Luna 2, C18 (150 4,6 mm, 5 m) ad una portata di 1 mL/min. I picchi composti sono stati rilevati utilizzando una lampada UV a una lunghezza d’onda di 280 nm con standard di salicortina e tremulacina purificati isolati dalle foglie di pioppo .
2.5. Analisi statistica
Abbiamo eseguito un test per studenti per verificare le differenze nella chimica della difesa e nella crescita. Misure ripetute l’analisi della varianza (ANOVA) è stata utilizzata per testare gli effetti dell’esposizione al fumo sui tassi di fotosintesi da 30 minuti dopo l’esposizione a 310 minuti dopo l’esposizione usando il tempo come fattore “interno”. L’omogeneità della varianza e della normalità sono state testate con le statistiche di Shapiro-Wilk W e i test di varianza uguale. I dati che non soddisfacevano le ipotesi per i test parametrici sono stati testati utilizzando un test Wilcox rank sum, mentre i dati nei grafici e nelle tabelle non sono stati tradotti. L’analisi statistica è stata eseguita utilizzando il software statistico JMP versione 7 (SAS Institute, Cary, NC, USA).
3. Risultati
Tutte le specie hanno mostrato differenze significative nella conduttanza stomatica e nei tassi di fotosintesi 30 minuti dopo l’esposizione, ad eccezione di Douglas-fir. Il pioppo tremulo e il pino ponderosa hanno mostrato le maggiori riduzioni della fotosintesi (Figura 1). Douglas-fir inizialmente ha mostrato una significativa diminuzione di e (dati non mostrati). Due settimane dopo l’esposizione, i tassi di fotosintesi sono stati misurati di nuovo e c’è stato un recupero completo in tutte le specie (dati non mostrati).
(a)
(b)
(a)
(b)
(massimo tasso di fotosintesi) e (conduttanza stomatica) dopo 30 minuti di esposizione al fumo. L’unica specie senza differenze significative tra i trattamenti (a livello) era Douglas-fir.
L’analisi delle misure ripetute sui tassi di fotosintesi a 1000 ppm, CO2 ha mostrato un significativo effetto temporale (valore -) in cui i tassi di fotosintesi si sono recuperati dall’esposizione al fumo con il progredire del tempo (Figura 2). A 1000 ppm c’è stata anche una significativa interazione tra tempo e tipo di specie (angiosperme decidue e conifere sempreverdi) (- valore = .0073) con specie di angiosperme decidue che mostrano un recupero più lento (Figura 2). A 385 ppm di CO2, il tempo è stato l’unico effetto significativo nel modello di misure ripetute (- valore=.0209). Il tipo di specie era marginalmente significativo (- valore = .0709).
(a)
(b)
(a)
(b)
Diminuito i tassi di fotosintesi espresso come % di differenza dal controllo sia a temperatura ambiente (a) (385 ppm) e la saturazione (b) (1000 ppm) concentrazioni di CO2.
Non c’erano differenze significative per la crescita, i tannini condensati o i glicosidi fenolici (Figura 3; dati non mostrati per quest’ultimo).
(a)
(b)
(a)
(b)
Confronti di biomassa e di tannini condensati in esposti al fumo di campioni e controlli. Non ci sono state differenze significative tra i trattamenti di nessuna specie.
4. Discussione
I dati sono coerenti con la nostra prima ipotesi che l’esposizione al fumo riduce i tassi di fotosintesi. Confrontando le risposte fotosintetiche alle concentrazioni di CO2 ambiente e saturando suggerisce che il fumo influisce sulla funzione fotosintetica riducendo la conduttanza stomatica e compromettendo la funzione biochimica (Figura 2). I nostri risultati mostrano per la prima volta che la sensibilità fotosintetica al fumo si verifica in un campione diversificato di specie arboree e che esiste una variazione di sensibilità ad ampio raggio tra quelle specie.
A causa della complessità dei componenti del fumo, è difficile individuare quali sostanze chimiche possono influire negativamente sulla fotosintesi. Diversi composti nel fumo, come NO e NO2, influenzano le specie vegetali in vari gradi . Abbiamo scoperto che le conifere sempreverdi inizialmente si riprendevano dall’esposizione al fumo più velocemente delle angiosperme decidue (Figura 2). Trenta minuti dopo che i trattamenti per il fumo erano terminati, solo Douglas-fir si era completamente ripreso (tassi iniziali diminuiti di fotosintesi non mostrati) (Figura 1). Sebbene le conifere sempreverdi si siano riprese più velocemente delle angiosperme decidue, non ci sono stati cambiamenti nei modelli di crescita o nella produzione di chimica di difesa in risposta alle esposizioni al fumo (Figura 3). Ciò indica che non ci sono stati effetti a lungo termine dalle nostre esposizioni di fumo relativamente brevi di 20 minuti.
Perché le conifere sempreverdi si siano inizialmente riprese più velocemente delle angiosperme decidue non è noto. Le specie vegetali possono sviluppare tolleranza agli inquinanti che sono noti per influenzare la fotosintesi . La maggiore tolleranza nelle conifere sempreverdi potrebbe essere il risultato delle diverse strategie di fuoco, in cui gamble oak, rocky mountain maple e aspen impiegano una strategia di sopravvivenza di moralità sopravvalutata seguita da rigenerazione asessuata in un secondo momento . Al contrario, le specie di conifere sempreverdi, tra cui il pino ponderosa e l’abete Douglas, impiegano una strategia di resistenza al fuoco con la loro corteccia spessa che consente alla foresta di sopravvivere . Ipotizziamo che le specie che impiegano una strategia di resistenza al fuoco avrebbero una maggiore necessità di sviluppare meccanismi di tolleranza per evitare gli effetti negativi dell’esposizione dell’ago al fumo per lunghi periodi di tempo.
I risultati non sono coerenti con le seconde ipotesi che il fumo altera i modelli di crescita o l’allocazione alla chimica della difesa. È probabile che due esposizioni di fumo di 20 minuti non siano sufficienti a suscitare una risposta alla crescita. Nel Nord America occidentale, le piante possono essere esposte al fumo su scale di settimane a mesi, come rivisto in . Esposizioni al fumo di tale lunghezza non sono pratiche negli studi controllati, ma i dati degli anelli degli alberi potrebbero potenzialmente essere utilizzati per esaminare le correlazioni tra i tassi di crescita e l’estensione del fumo durante la stagione estiva se si possono tenere conto di altri fattori confondenti.
Ci sono alcune possibili ragioni per cui non abbiamo trovato differenze significative nella chimica della difesa in risposta ai trattamenti del fumo. Innanzitutto, per aspen, è noto che diversi genotipi rispondono in modo diverso ai cambiamenti ambientali . Qui abbiamo usato solo un genotipo e questo potrebbe causare risposte mancanti che si verificano in altri genotipi di aspen. In secondo luogo, a differenza della germinazione dei semi, le piante non possono utilizzare il fumo come spunto per le risposte fisiologiche delle foglie dopo il fuoco. In terzo luogo, mentre abbiamo esaminato due importanti composti di difesa basati sulla quantità e sulla funzione, certamente non abbiamo condotto un’indagine completa delle risposte metaboliche secondarie. Infine, è anche possibile che la firma delle nostre esposizioni al fumo (chimica, tempistica, intensità) non fosse adeguata per suscitare una risposta di difesa.
Poiché ci sono molti composti nel fumo e sappiamo così poco su come possono influenzare le piante, abbiamo molto da imparare sull’influenza del fumo sulla funzione delle piante. Il fatto che diverse specie vegetali possano mostrare risposte variabili al fumo, oltre al potenziale per diverse specie vegetali di produrre la propria suite complessa di composti, suggerisce che potrebbero esserci alcuni ruoli intriganti per il fumo nella funzione vegetale ed ecosistemica.
Riconoscimento
Grazie a Joey Schmutz per aver aiutato a piantare e monitorare le piantine, Eric Smith per l’assistenza nell’esposizione al fumo e nell’elaborazione del campione e Mitchell Calder per aver aiutato con la raccolta.
