要約
森林火災による煙は数週間持続する可能性があり、種子の発芽に及ぼす煙曝露の影響を調べる文献はかなりあるが、葉の機能に及ぼす煙の影響はほとんど調査されていない。 本研究の目的は、短い煙暴露に落葉被子植物と常緑針葉樹樹種の成長と一次および二次代謝応答を比較することでした。 煙暴露の二十分は、我々が調べた六つの種の五つの光合成能力の50％以上の減少をもたらしました。 煙に応答した光合成の障害は、気孔コンダクタンスと生化学的限界の減少の関数であった。 一般に，落葉被子植物種は常緑針葉樹よりも高い感受性を示した。 光合成と気孔コンダクタンスの有意な減少があったが、煙は、調べた樹種のいずれかの成長または二次防御化合物の生産に有意な影響を与えなかった。
1. はじめに
火は、過去3億5000万年の間、陸生植物群落を形作ってきました。 Intermountain西では、火は35と200年の間の典型的な火のリターン間隔の植物のコミュニティの構造化に不可欠な役割を持っていました。 火災から発生する煙は、燃料負荷、強度、および燃焼の持続時間によって異なり、数週間空気中に持続する可能性があります。 成長期が長くなり、将来の気候シナリオの下で予測される干ばつの頻度と持続時間が増加すると、山火事が増加することが予想されるため、煙に対する植物の反応のより良い理解がますます重要になってきています。
煙が植物の生理と発達に及ぼす影響を調べる研究のほぼすべてが種子の発芽に関連している。 煙が植物の一次代謝および二次代謝にどのように影響するかについては、比較的ほとんど知られていない。 DaviesとUnamは、インドネシアの森林火災が光合成に及ぼす影響を研究し、火災からのCO2の増加にもかかわらず、光合成速度が低下することを発見した。 ギルバートとリプリーは、煙の暴露は、気孔コンダクタンス、CO2同化速度、および細胞間葉CO2濃度を減少させることを示した。
理論的には、煙は物理的および/または化学的プロセスを通じて光合成を減少させる可能性があります。 物理的には、煙の生産は、気孔閉鎖を引き起こす可能性のある高蒸気圧の赤字につながる可能性があります。 化学的には、煙中で100以上の化合物が同定されている。 同定されているもののうち、多くは、NO2、CO2、SO2、およびO3を含む植物に対して生理学的効果を有することが知られている。 O3はクロロフィルの破壊にリンクされており、また、ガード細胞機能を調節し、順番に気孔開口部を制御するK+チャネルを阻害することが示されてい SO2は気孔のコンダクタンスを減らし、光合成の酸素の進化および電子輸送を禁じ、そしてカルビン周期の酵素を不活性化します。 組み合わせた場合、NO2とSO2の混合物は、付加的に光合成を阻害することが示されています。 NO2とSO2への長期暴露は、植物の主要な抗酸化酵素であるスーパーオキシドジスムターゼとグルタチオンレダクターゼのその後の減少を示しています。 強力な酸化促進剤である高レベルのオゾンと一緒に抗酸化酵素機能を無効にすることは、煙曝露の延長中に酸化ストレスを促進する可能性がある。
火災後の環境条件の変化は、植物が経験する生物的ストレス圧力を低下させる可能性があります。 MoritzとOdionは、Phytophthora ramorumの感染がないことと、最後の火傷以来の時間との間に強い関係を見出しました。 彼らは、火災が病気に対する植物抵抗性にとって重要なCaの利用可能性を高めることによって病原体活性を阻害する可能性があることを示唆した。 火災後の乾燥した微気候は、真菌病原体の増殖を制限する可能性があり、Schwartz et al. 煙の殺菌特性は、葉の真菌感染および成長を減少させることを提案した。
煙は、最近火災を経験した生態系の植物に情報を提供することができる植物活性化合物を含む非常に複雑な化学カクテルです。 例えば、煙は、例えば、発芽に有利な条件であるという信号として、いくつかの火災適合植物種における種子による合図として使用される。 ブテノリド3-メチル-2H-フロピラン-2-ワン(Butenolide3-methyl-2h-furopyran-2-one)は、煙中の化合物で、発芽を誘導する。 種子がブテノリドをどのように知覚するかは不明であるが、水の取り込みを促進することによって発芽を誘発するという証拠がある。 火災後の環境条件には多くの変化があるため（例：、競争の減少、土壌中の栄養パルスおよび病原体負荷の減少）、植物は、他の適応代謝および成長応答を開始するための環境キューとして煙を使用することが
凝縮タンニンおよびフェノール配糖体は、植物が草食および病原体の攻撃から身を守るために、非常に高濃度（一部の種では乾燥重量30％まで）で産生する 防衛化学生産への資源の配分は、成長の可能性が低下するトレードオフをもたらす。 環境条件の変化に対応した防衛化学生産における可塑性が実証されている。 火災後のシナリオでは、病原体および昆虫の圧力の低下は、高レベルの二次防御化合物の必要性の減少をもたらし、それによって成長および生殖へのよ
ここでは、三つの落葉被子植物（Populus tremuloides、Acer glabrum、Quercus gambelii）と三つの常緑針葉樹（Pinus ponderosa、Pseudotsuga menziesii、およびPicea pungens）の樹種の短期煙曝露に対する応答を調べます。 我々は、（1）煙への暴露は、光合成と気孔コンダクタンスの速度を減少させることを仮定し、（2）煙は離れて防衛化学生産から成長に苗のリソースの割り当て
2. 材料および方法
成長の二年目の六つの樹種（Populus tremuloides、Acer glabrum、Quercus gambelii、Pinus ponderosa、Pseudotsuga menziesii、およびPicea pungens）を処理単位として使用しました。 これらの種は、彼らが火に反応して進化したことを示す抵抗または再生によって火を生き残ることを可能にする適応を持っているので選ばれま Populus tremuloides（quaking aspen）、Acer glabrum（Rocky Mountain maple）、Quercus gambelii（gamble oak）は、根の吸盤を介してresproutingで火に反応します。 Pinus ponderosa（ponderosa pine）やPseudotsuga menziesii（Douglas-fir）のような常緑針葉樹種は、厚い樹皮で耐火性の戦略を採用しています。 Picea pungens（青いトウヒ）は耐火性のために知られていないが、それは規則的に火を経験する別の常緑針葉樹種として有用である。 これらの種はすべてロッキー山脈で一般的であり、生態学的に重要な種です。 Ｐｏｐｕｌｕｓｔｒｅｍｕｌｏｉｄｅｓは共通クローンからの野生根挿し木から栽培し，残りの五種は二つの木の苗床（ユタ州ＫａｙｓｖｉｌｌｅのＳｕｎｍａｉｎｔａｎｅｇｒｏｗｅｒｓ，およびワシントン州Ｔｅｋｏａの野生植物）から鉢植えおよび裸根苗として得た。
植え付け前に、苗の根を洗浄し、新鮮な重量の植物の質量を測定しました。 それぞれの種の中で、均一な質量と高さの木が研究に使用された。 月に26-27,2008,各ツリーは、泥炭/パーライトに移植されました(3 : 1)-75%-80%のカナダのミズゴケのベースの媒体ギプス、パーライト、石灰岩および湿潤剤(日光の組合せ#1、Sun Groの園芸、Bellevue、WA)鍋23.5cm11.5cm2の。 成長のために必要な栄養素を提供するために、各ポットに14-14-14のOsmocote Smart Release植物食品の四グラムを加えました。 木は夏の残りのための気候制御温室にあり、週に二度飽和するように骨抜きにされました。
2.1. 煙処理
2008年5月26日から30日にかけて、各種の5本の複製苗が時間をかけてずらされた煙に曝された（毎日1本、5日間にわたって1本の複製）。 煙暴露は20分間発生した。 同じ植物の煙の露出の第二のサイクルは、June9-13、2008から発生しました。
煙室は密閉されたプラスチック製の冷却器（95cm38cm45cm）から製造された。 この研究で得られた六つの樹種のそれぞれから得られた乾燥葉材料の等しい部分を使用して煙を発生させた。 葉は、ガラスフラスコの上部に接続されたフラスコに取り付けられたガラス漏斗で燃焼された。 フラスコを氷浴中で冷却して、チャンバ内の温度上昇を排除した。 25秒間、500mgの葉材料混合物をブタンライターで灰に燃焼させ、煙を冷却器の底部のチューブに接続された真空を使用してプラスチックチューブを通してチャンバに引き込んだ。 冷却器の中のファンは煙を分散させ、冷却器の中のflorescentライトは微光のレベルを提供した。 Ｈｏｂｏ Ｕ１ ０−０ ０ ３データロガー（Ｏｎｓｅｃｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｐｏｃａｓｓｅｔ，Ｍ Ａ）によって測定されたように、煙室内の温度は決して超えなかった。 第一のものと同一の第二のチャンバを対照処理に使用した。 すべての手順は、葉材料がガラス漏斗に入れられなかったことを除いて、制御チャンバについて全く同じであった。
北アメリカ西部では煙の生産量が非常に変動するため、自然環境で経験されているものと煙の曝露を比較することは困難です。 これは、部分的には、燃料負荷、燃料消費量、排出量、および分散速度の変動によるものである。 混合針葉樹林の燃料負荷は、63-112MTと20-83MTのアスペン林から変化する可能性があります。 我々は0.03MT（煙室の葉の質量面積）を使用したように、我々は私たちの煙の暴露は、森林火災で経験されているものよりも集中していないと推定しています。
2.2. ガス交換
煙曝露後、処理された植物を煙室から除去し、ガス交換システム（LI-Cor6400,Li-Cor Biosciences,Lincoln,NE）を用いて光合成速度および気孔コンダクタンスを測定した。 光合成測定は、周囲温度および湿度で6400−04LED青赤色光源を用いて、1200mol m−2s-1の光合成光子束密度（PPFD）で行われた。 二つの測定は、光合成に対する煙の影響が気孔および/または生化学的限界に関連していたかどうかを区別するために、CO2ミキサーを使用して達成され 測定は、各木の最も若い完全に拡張された葉または針にチャンバ内の葉を密封することによって開始された。 葉室内のCO2と水蒸気濃度が定常状態（60-90秒）に達した後、光合成と気孔コンダクタンスの速度が記録された。 測定は、煙曝露の直後、曝露の30分後、およびその後70分ごとに310分後まで行った。 ＜3440＞＜2079＞葉室を満たさなかった葉の葉面積を計算するために、切り取られた紙上で葉を追跡し、葉面積計（Li-Cor3000,Li-Cor Biosciences,Lincoln,NE,USA）で面積を測定した。 針の面積は、針の画像を走査し、Ｓｃｉｏｎ Ｉｍａｇｅ ｆｏｒ Ｗｉｎｄｏｗｓ（Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ，Ｍａｒｙｌａｎｄ，ＵＳＡ）を用いて面積を測定することによって計算した。
2.3. 成長
2008年7月29日、成長と質量測定のために樹木を収穫した。 茎の高さを測定し、次いで、実生を土壌レベルで切断し、根および芽の両方を７ ２時間乾燥させて、分析バランス（Ｇｅｎｅｍａｔｅ ＧＰ−６ ０ ０，ＩＳＣ Ｂｉｏｅｘｐｒｅｓｓ，Ｋａｙｓｖｉｌｌｅ，ＵＴ，ＵＳＡ）を使用して乾燥塊を得た。
2.4. 二次化学
葉と針は、煙暴露から九週間後（July29、2008）に苗から除去され、ドライアイス上に詰められた後、フェノール配糖体と凝縮タンニンの後の分析のために貯蔵 葉を凍結乾燥させ、針を７ ２時間オーブン乾燥させた。 次いで、葉および針材料を、Ｗｉｌｅｙ Ｍｉｌｌで、ｎｏ． タンニンは、Ｐｏｒｔｅｒ ｅ ｔ ａ ｌ．，２ ０ ０ １，２ ０ ０ ２に記載されている修飾ブタノール−ＨＣＬ法を用いて、全ての種について定量した。 ここで、約50mgの葉材料を、1mLの70％アセトン-10mMアスコルビン酸溶液中に懸濁した2mLのスクリューキャップ微小遠心管に入れた。 次いで、試料を高ａｔで２ ０分間渦動させた。 次いで、液体上清を除去し、抽出を繰り返した。 次いで、精製タンニンを標準として使用して、タンニンの濃度を分光光度法で定量した（Ｓｐｅｃｔｒａｍａｘ Ｐｌｕｓ３ ８ ４，ＭＤＳ，Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｃａｎａｄａ）。
フェノール配糖体、salicortinおよびtremulacinは、約50mgのアスペン葉組織から抽出された（他の種は有意なレベルのフェノール配糖体を含まない）。 組織試料を２ｍｌのスクリューキャップマイクロ遠心分離機管に入れ、メタノール中に懸濁した。 次いで、試料をｈｉｇｈで５分間ｖｏｒｔｅｘｅｄした。 液体上清を除去し、抽出を繰り返した。 サリコルチンおよびトレムラシンの最終濃度は、１ｍＬ／分の流速で、Ｌｕｎａ２，Ｃ１ ８カラム（１ ５ ０ ４． 化合物のピークは、アスペンの葉から単離された精製されたサリコルチンとトレムラシン標準と280nmの波長でUVランプを使用して検出された。
2.5. 統計分析
私たちは、防衛化学と成長の違いをテストするために学生のテストを実行しました。 反復測定分散分析（Ａ ＮＯＶＡ）を使用して、曝露後３ ０分から曝露後３ １ ０分までの光合成速度に対する煙曝露の影響を、「内」因子としての時間を使用して試験した。 分散の均一性と正規性をＳｈａｐｉｒｏ-Ｗｉｌｋｗ統計量と等分散検定で検定した。 パラメトリック検定の仮定を満たさなかったデータは、Wilcoxランク和検定を使用して検定しましたが、グラフと表のデータは変換されませんでした。 統計分析は、ＪＭＰバージョン７統計ソフトウェア（ＳＡＳ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃａｒｙ，ＮＣ，ＵＳＡ）を使用して行った。
3. 結果
すべての種は、Douglas-firを除いて、暴露後30分後に気孔コンダクタンスと光合成速度に有意な差を示した。 アスペンとポンデロサパインは光合成の最大の減少を示した（図1）。 Douglas-firは、最初に、ａｎｄの有意な減少を示した（データは示されていない）。 暴露の２週間後に、光合成速度を再度測定し、全ての種において完全な回復があった（データは示されていない）。
(a))
(b)
(b))
(a)(b)
(b)
(a)(b)
(b))
(光合成の最大速度）および（気孔コンダクタンス）煙暴露の30分後。 治療間に有意差のない唯一の種（レベルで）はDouglas-firであった。
1000ppm、CO2における光合成速度に関する繰り返し測定分析は、時間が進むにつれて煙暴露から光合成速度が回復する有意な時間効果（-値）を示した（図2）。 1000ppmでは、時間と種のタイプ（落葉被子植物と常緑針葉樹）との間に有意な相互作用もあった（-値=。0073)より遅い回復を示す落葉被子植物種と(図2). 385ppmのCO2では、時間が反復測定モデルで唯一の有意な効果でした（-値=。0209). 種の種類はわずかに有意であった（-値=。0709).
(b))
(a)
(b))
光合成の減少率は、周囲（a）（385ppm）と飽和（b）（1000ppm）のCO2濃度の両方でコントロールからのパーセント差として表されます。
成長、凝縮タンニン、またはフェノール配糖体に有意差はなかった（図3;後者のデータは示されていない）。
(b))
(a)
(b))
煙にさらされたサンプルおよび対照におけるバイオマスおよび凝縮タンニンの比較。 いずれの種の治療にも有意差はなかった。
4. 議論
このデータは、煙曝露が光合成速度を低下させるという我々の最初の仮説と一致している。 大気中および飽和CO2濃度での光合成応答を比較すると、煙は気孔コンダクタンスを減少させ、生化学的機能を障害することによって光合成機能に影響を与えることが示唆されている(図2)。 我々の結果は、煙に対する光合成感度は、樹種の多様なサンプリングにわたって発生し、それらの種の間の感度の広い範囲の変化があることを初めて
煙成分の複雑さのために、どの化学物質が光合成に悪影響を及ぼしているのかを特定することは困難です。 NOやNO2などの煙中の異なる化合物は、植物種に様々な程度の影響を与えます。 常緑針葉樹は、最初は落葉被子植物よりも早く煙暴露から回復することがわかりました（図2）。 煙処理が終了してから30分後には、Douglas-firのみが完全に回復しました（初期の光合成速度の低下は示されていません）（図1）。 常緑針葉樹は落葉被子植物よりも早く回復しましたが、煙曝露に応答して成長パターンや防御化学生産に変化はありませんでした（図3）。 これは、比較的短い20分の煙曝露による長期的な影響がなかったことを示しています。
常緑針葉樹が最初に落葉被子植物よりも速く回復した理由は不明です。 植物種は、光合成に影響を与えることが知られている汚染物質に対する耐性を開発することができます。 常緑針葉樹のより大きな耐性は、ギャンブルオーク、ロッキーマウンテンカエデ、アスペンは、いくつかの後の時点で無性再生に続いてoverstory道徳の生存戦略を採用している異なる火災戦略の結果である可能性があります。 対照的に、ponderosa pineやDouglas-firを含む常緑針葉樹種は、overstoryが生き残ることを可能にする厚い樹皮で耐火性の戦略を採用しています。 我々は、耐火性の戦略を採用する種は、長期間の煙への針暴露の負の影響を避けるために耐性のメカニズムを開発するために大きな必要性を持って
結果は、煙が成長パターンや防御化学への割り当てを変化させるという第二の仮説と矛盾している。 2つの20分間の煙曝露は、成長応答を引き出すには不十分である可能性が高い。 北米西部では、植物は数週間から数ヶ月のスケールで煙にさらされる可能性があります。 このような長さの煙曝露は、制御された研究では実用的ではないが、年輪データは、他の交絡因子を説明することができれば、夏の季節における成長率と煙の程度との間の相関を調べるために潜在的に使用される可能性がある。
煙処理に対する防御化学に有意差が見られなかった理由はいくつか考えられます。 第一に、アスペンについては、異なる遺伝子型が環境変化に異なって反応することが知られている。 ここでは、一つの遺伝子型を使用し、それが他のアスペン遺伝子型で発生する欠落した応答につながる可能性があります。 第二に、種子の発芽とは対照的に、植物は火災後の生理学的な葉の応答の手がかりとして煙を使用しないかもしれない。 第三に、我々は量と機能に基づいて2つの重要な防御化合物を見たが、我々は確かに二次代謝反応の包括的な調査を実施しなかった。 最後に、私たちの煙曝露（化学、タイミング、強度）の署名が防衛反応を引き出すのに十分ではなかった可能性もあります。
煙の中には多くの化合物があり、それらが植物にどのように影響するかについてはほとんど知られていないため、煙が植物機能に及ぼす影響につ 異なる植物種が煙に対して様々な反応を示すことができるという事実は、異なる植物種が独自の複雑な化合物群を産生する可能性に加えて、植物およ
謝辞
苗の植え付けと監視を手伝ってくれたJoey Schmutz、煙の暴露とサンプル処理を手伝ってくれたEric Smith、収穫を手伝ってくれたMitchell Calderに感謝します。
