Abstract
Røyk fra skogbranner kan vedvare i miljøet i flere uker, og mens det er en betydelig mengde litteratur som undersøker effekten av røykeksponering på frøspredning, er effekten av røyk på bladfunksjonen nesten uoppdaget. Målet med denne studien var å sammenligne vekst og primære og sekundære metabolske responser av løvfisk angiosperm og eviggrønne nåletrærarter til kort røykeksponering. Tjue minutter med røykeksponering resulterte i en større enn 50% reduksjon i fotosyntetisk kapasitet hos fem av de seks artene vi undersøkte. Svekkelse av fotosyntese i respons til røyk var en funksjon av reduksjoner i stomatal konduktans og biokjemiske begrensninger. Generelt viste løvfisk angiosperm-arter en større følsomhet enn eviggrønne nåletrær. Mens det var betydelige reduksjoner i fotosyntese og stomatal konduktans, hadde røyk ingen signifikant effekt på vekst eller sekundær forsvarsforbindelseproduksjon i noen av de undersøkte treslagene.
1. Innledning
Brann har formet terrestriske plantesamfunn de siste 350 millioner årene . I Intermountain West har brann hatt en integrert rolle i å strukturere plantesamfunn med typiske brannavkastningsintervaller mellom 35 og 200 år . Røyk produsert fra branner varierer med drivstoffbelastning, intensitet og varighet av brenning, og kan vedvare i luften i flere uker . En bedre forståelse av plantens respons på røyk blir stadig mer relevant, da lengre vekstsesonger og økt tørkefrekvens og varighet som forventes under fremtidige klimascenarier, forventes å resultere i en økning i brannfeller .
Nesten Alle studiene som undersøker effekten av røyk på plantefysiologi og utvikling har vært knyttet til frøspredning . Relativt lite er kjent om hvordan røyk påvirker primær og sekundær metabolisme i planter. Davies og Unam studerte effekten av skogbranner i Indonesia på fotosyntese og fant at til tross for økning I CO2 fra brannene, ble fotosyntetiske priser senket. Gilbert og Ripley viste at røykeksponering reduserte stomatal konduktans, co2 assimilasjonshastighet og intercellulære blad CO2 konsentrasjoner.
i teorien kan røyk redusere fotosyntese gjennom fysiske og / eller kjemiske prosesser. Fysisk kan røykproduksjon føre til høyt damptrykksunderskudd som kan utløse stomatal lukking . Kjemisk har over 100 forbindelser blitt identifisert i røyk . Av de som er identifisert, er mange kjent for å ha fysiologisk effekter på planter, inkludert NO2, CO2, SO2 og O3 . O3 har vært knyttet til ødeleggelsen av klorofyll og har også vist seg å hemme k + – kanalene som regulerer beskyttelsescellefunksjonen og i sin tur styrer stomatalåpningen . SO2 reduserer stomatal konduktans, hemmer fotosyntetisk oksygenutvikling og elektrontransport, og inaktiverer Calvin-syklusenzymer . NÅR kombinert, no2 og SO2 blandinger har vist seg å additivt hemme fotosyntese . Langsiktige eksponeringer FOR NO2 og SO2 viser påfølgende reduksjoner i superoksiddismutase og glutationreduktase , som er viktige antioksidantenzymer i planter . Deaktivering av antioksidant enzymfunksjon i forbindelse med høye nivåer av ozon, en kraftig prooksidant, kan fremme oksidativt stress under utvidet røykeksponering.
Endringer i miljøforhold etter en brann kan redusere biotisk stresstrykk opplevd av planter. Moritz Og Odion fant et sterkt forhold mellom fraværet av infeksjon Av Phytophthora ramorum og tid siden siste brenning. De foreslo at brann kan hemme patogenaktivitet ved å øke tilgjengeligheten Av Ca, noe som er avgjørende for plantebestandighet mot sykdom . Tørrere mikroklima etter brann kan begrense sopp patogen vekst, Og Schwartz et al. foreslått at de fungicide egenskapene til røyk redusert soppinfeksjon og vekst på blader .
Røyk Er en svært kompleks kjemisk cocktail med planteaktive forbindelser som kan gi informasjon til planter i økosystemer som nylig har opplevd brann. For eksempel blir royk brukt som en cue av fro i noen branntilpassede plantearter som et signal om at forholdene er gunstige for spiring, for eksempel . Butenolid 3-metyl-2h-furopyran-2-one er en forbindelse i røyk som induserer spiring . Det er ukjent hvordan frøet oppfatter butenoliden, men det er tegn på at det utløser spiring ved å lette opptaket av vann . Siden det er mange endringer i miljøforholdene etter en brann (f. eks., reduksjon i konkurranse, næringsimpulser i jorda og redusert patogenbelastning), kan planter bruke røyk som en miljømessig cue for å initiere andre adaptive metabolske og vekstresponser.
Kondenserte tanniner og fenolglykosider er bladforsvarsforbindelser som planter ofte produserer i svært høye konsentrasjoner (opptil 30% tørrvekt hos noen arter) for å forsvare seg mot plantelevende og patogenangrep . Allokering av ressurser til produksjon av forsvarskjemi resulterer i en avveining der vekstpotensialet reduseres . Plastisitet i forsvarskjemiproduksjon som følge av skift i miljøforhold har blitt demonstrert . I et postfire-scenario kan en reduksjon i patogen-og insekttrykk resultere i redusert behov for høye nivåer av sekundære forsvarsforbindelser og dermed muliggjøre større ressursallokering til vekst og reproduksjon.
her undersøker vi svarene på tre løvfellende angiosperm (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) og tre eviggrønne bartre (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii og Picea pungens) treslag til kortsiktige røyk eksponeringer. Vi hypoteser at: (1) eksponering for røyk reduserer frekvensen av fotosyntese og stomatal konduktans; (2) røyk tjener som et signal som resulterer i tildeling av frøplanteressurser bort fra forsvarskjemiproduksjon til vekst.
2. Materialer Og Metoder
Seks treslag (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii og Picea pungens) i sitt andre år av vekst ble brukt som behandlingsenheter. Disse artene ble valgt fordi de har tilpasninger som tillater dem å overleve brann gjennom motstand eller regenerering, noe som indikerer at de har utviklet seg som svar på brann. Populus tremuloides (quaking aspen), Acer glabrum (Rocky Mountain maple) og Quercus gambelii (gamble oak) reagerer på brann med resprouting gjennom rotsugere . Evergreen bartre arter Som Pinus ponderosa (ponderosa furu) og Pseudotsuga menziesii (Douglas-fir) ansette en strategi for brannmotstand med sin tykke bark . Picea pungens (blå gran) er ikke kjent for brannmotstand, men det er nyttig som en annen eviggrønne bartre arter som regelmessig opplever brann. Alle disse artene er vanlige i Rocky Mountains og er økologisk viktige arter. Populus tremuloides ble dyrket fra villrotstikk fra en vanlig klone, og de resterende fem artene ble hentet fra to treskoler (Sun Mountain growers, I Kaysville, Utah, Og Plants Of The Wild, Tekoa, Washington) som potteplanter og bare rotplanter.
før planting ble frøplante røtter vasket og frisk vekt plantemasse ble målt. Innenfor hver art ble trær med jevn masse og høyde brukt i studien. 26. -27. Mars 2008 ble hvert tre transplantert til en torv / perlit (3 : 1) – basert medium av 75%-80% Kanadisk Sphagnum torvmose med gips, perlit, kalkstein Og fuktemiddel (Sunshine Mix #1, Sun Gro Hagebruk, Bellevue, WA) i potter 23.5 cm 11.5 cm2. Fire gram Osmocote Smart Release Plant Mat med 14-14-14 ble lagt til hver pott for å gi nødvendige næringsstoffer for vekst. Trærne var i et klima kontrollert drivhus for resten av sommeren og ble vannet til metning to ganger i uken.
2.1. Røykbehandling
fra 26. Til 30. Mai 2008 ble fem replikatplanter av hver art utsatt for røyk forskjøvet over tid (en replikere hver dag, over en fem-dagers periode). Røykeksponering skjedde i 20 minutter. En ny syklus av røykeksponering på de samme plantene skjedde fra 9.til 13. juni 2008.
røykkammeret ble produsert av en forseglet plastkjøler (95 cm 38 cm 45 cm). Like deler av tørket bladmateriale oppnådd fra hver av de seks treslagene i studien ble brukt til å generere røyken. Bladene ble forbrent i et glass trakt montert i en kolbe som var koblet til toppen av en glassflaske. Kolben ble avkjølt i et isbad for å eliminere temperaturøkninger inne i kammeret. I 25 sekunder ble 500 mg bladmaterialblanding brent til aske med en butanlighter og røyken ble trukket gjennom plastrør inn i kammeret ved hjelp av et vakuum koblet til rør på bunnen av kjøleren. En vifte inne i kjøleren spredte røyken og et florescent lys inne i kjøleren ga lavt lysnivå. Temperaturen inne i røykkammeret overskrides aldri, målt ved En Hobo U10-003 datalogger (Onset Computer Corporation, Pocasset, MA). Et annet kammer identisk med det første ble brukt til kontrollbehandlinger. Alle prosedyrer var nøyaktig de samme for kontrollkammeret, med unntak av at bladmaterialet ikke ble plassert i glasstrakten.
det er vanskelig å sammenligne vår røykeksponering med det som oppleves i naturlige omgivelser, da røykproduksjonen er ekstremt variabel i vestlige Nord-Amerika . Dette skyldes delvis variasjoner i drivstoffbelastning, drivstofforbruk, utslippshastighet og spredningshastighet . Blandet bartre skog drivstoffbelastning kan variere fra 63-112 MT og aspens skoger fra 20-83 MT . Da vi brukte 0,03 MT (bladmasseområde av røykkammer), anslår vi at vår røykeksponering er mindre konsentrert enn det som oppleves i en skogbrann.
2.2. Gassutveksling
etter røykeksponering ble de behandlede plantene fjernet fra røykkammeret for å måle frekvensen av fotosyntese og stomatal konduktans med et gassutvekslingssystem (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Fotosyntetiske målinger ble tatt ved en fotosyntetisk fotonflux tetthet (PPFD) av 1200 mol m−2 s−1 med 6400-04 LED blå-rød lyskilde ved omgivelsestemperatur og fuktighet. To målinger ble tatt VED CO2-konsentrasjoner på henholdsvis 385 ppm og 1000 ppm, MED CO2-konsentrasjoner oppnådd ved BRUK AV CO2-blanderen for å skille om røykeffekter på fotosyntese var relatert til stomatal og/eller biokjemiske begrensninger . Målinger ble initiert ved å forsegle bladet i kammeret på den yngste fullt utvidet blad eller nåler av hvert tre. ETTER AT CO2-og vanndampkonsentrasjonene i bladkammeret nådde en steady state (60-90 sekunder), ble det registrert mengder fotosyntese og stomatal konduktans. Målinger ble tatt umiddelbart etter røykeksponering, 30 minutter etter eksponering, og deretter hvert 70. minutt til 310 minutter etterpå.
for å beregne bladområdet for blader som ikke fylte bladkammeret, ble bladene sporet på papir som ble kuttet ut og deretter målt for areal med bladområdemåleren (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). Nålområdet ble beregnet ved å skanne et bilde av nålene og måleområdet Med Scion-Bilde For Vinduer (Frederick, Maryland, USA).
2.3. Vekst
den 29.juli 2008 ble trærne høstet for vekst og massemålinger. Stammehøyden ble målt og så ble frøplanten kuttet av på jordnivå, og både røtter og skudd ble tørket i 72 timer for å oppnå tørr masse ved hjelp av en analytisk balanse (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, USA).
2.4. Sekundær Kjemi
Blader og nåler ble fjernet fra plantene ni uker etter røykeksponering (29. juli 2008) og pakket på tøris før de ble flyttet til lagring ved for senere analyse av fenolglykosider og kondenserte tanniner. Bladene ble frysetørket og nåler ble ovn tørket på i 72 timer. Blad og nål materiale ble deretter knust I En Wiley Mill ved hjelp av en no. 10 skjerm. Tanniner ble kvantifisert for alle arter ved hjelp av en modifisert butanol-HCL metode beskrevet I Porter et al. , hvor omtrent 50 mg bladmateriale ble plassert i 2 mL skruehett mikrosentrifugerør suspendert i 1 mL 70% aceton – 10 mM askorbinsyreoppløsning. Prøvene ble deretter virvlet på høy på i 20 minutter. Den flytende supernatanten ble deretter fjernet og ekstraksjonen ble gjentatt. Konsentrasjonen av tanniner ble deretter kvantifisert spektrofotometrisk (SpectraMax Plus 384, Mds, Toronto, Canada) ved bruk av rensede tanniner som standard.
fenolglykosidene, salicortin og tremulacin, ble ekstrahert fra omtrent 50 mg aspenbladvev (de andre artene inneholder ikke signifikante nivåer av fenolglykosider). Vevsprøvene ble plassert i 2 mL skrukork mikro-sentrifugerør og suspendert i metanol. Prøvene ble deretter vortexed på høy i 5 minutter. Den flytende supernatanten ble fjernet og ekstraksjonen ble gjentatt. Endelige konsentrasjoner av salicortin og tremulacin ble kvantifisert ved bruk av høyytelses væskekromatografi (Agilent 1100 Series, Santa Clara, Ca, USA) med En Luna 2, C18 kolonne (150 4,6 mm, 5 m) med en strømningshastighet på 1 mL/min. Sammensatte topper ble detektert VED HJELP AV EN UV-lampe ved en bølgelengde på 280 nm med rensede salicortin-og tremulacin-standarder isolert fra askeblader .
2.5. Statistisk Analyse
Vi kjørte En Student-test for å teste for forskjeller i forsvar kjemi og vekst. Gjentatte tiltak analyse av varians (ANOVA) ble brukt til å teste effekten av røykeksponering på frekvensen av fotosyntese fra 30 minutter etter eksponering til 310 minutter etter eksponering ved bruk av tid som» innen » faktor . Homogenitet av varians og normalitet ble testet Med shapiro-Wilk w statistikk og lik varians tester. Data som ikke oppfylte forutsetningene for parametriske tester ble testet Ved Hjelp Av En Wilcox rank sum-test, mens dataene i grafene og tabellene ikke ble transformert. Statistisk analyse ble utført ved hjelp av jmp versjon 7 statistisk programvare (SAS Institute, Cary, NC, USA).
3. Resultater
alle artene viste signifikante forskjeller i stomatal konduktans og forekomst av fotosyntese 30 minutter etter eksponering, bortsett Fra Douglas-gran. Aspen og ponderosa furu viste de største reduksjonene i fotosyntese (Figur 1). Douglas-fir viste i utgangspunktet en signifikant reduksjon i and (data ikke vist). To uker etter eksponering ble frekvensen av fotosyntese målt igjen, og det var en fullstendig gjenoppretting i alle arter (data ikke vist).
(a)
(b)
(a)
(b))
(fotosyntese) og (stomatal konduktans) etter 30 minutter med røykeksponering. Den eneste arten uten signifikante forskjeller mellom behandlinger (på nivå) var Douglas-gran.
den gjentatte målanalysen på frekvensen av fotosyntese ved 1000 ppm, CO2 viste en signifikant tidseffekt (- verdi ) der frekvensen av fotosyntese gjenvunnet fra røykeksponering etter hvert som tiden gikk (Figur 2). Ved 1000 ppm var det også en signifikant interaksjon mellom tid og artstype (løvfisk angiospermer og eviggrønne nåletre) (- verdi = .0073) med løvskog angiosperm arter som viser langsommere utvinning (Figur 2). VED 385 ppm CO2 var tiden den eneste signifikante effekten i den gjentatte målemodellen (- value =.0209). Arter type var marginalt signifikant (- verdi = .0709).
(a)
(b)
(a)
(b)
Redusert forekomst av fotosyntese uttrykt som prosentforskjell fra kontroll ved både ambient (a) (385 ppm) OG metning (b) (1000 ppm) CO2 konsentrasjoner.
det var ingen signifikante forskjeller for vekst, kondenserte tanniner eller fenolglykosider (Figur 3; data ikke vist for sistnevnte).
(a)
(b)
(a)
(b)
Sammenligninger av biomasse og kondenserte tanniner i røykeksponerte prøver og kontroller. Det var ingen signifikante forskjeller mellom behandlinger av noen arter.
4. Diskusjon
dataene stemmer overens med vår første hypotese om at røykeksponering reduserer frekvensen av fotosyntese. Sammenligning av fotosyntetiske responser ved omgivende OG mettende CO2-konsentrasjoner tyder på at røyk påvirker fotosyntetisk funksjon ved å redusere stomatal konduktans og gjennom nedsatt biokjemisk funksjon (Figur 2). Våre resultater viser for første gang at fotosyntetisk følsomhet for røyk oppstår over en mangfoldig utvalg av trearter, og at det er bred variasjon i følsomhet mellom disse artene.
på grunn av kompleksiteten av røykbestanddeler, er det vanskelig å finne ut hvilke kjemikalier som kan påvirke fotosyntesen negativt. Ulike forbindelser i røyk, SOM NO og NO2, påvirker plantearter i varierende grad . Vi fant at de eviggrønne nåletrærne i utgangspunktet gjenvunnet fra røykeksponeringen raskere enn løvfuglene angiospermer (Figur 2). Tretti minutter etter at røykbehandlingene var avsluttet, hadde Bare Douglas-gran gjenopprettet helt (innledende reduserte mengder fotosyntese ikke vist) (Figur 1). Selv om eviggrønne bartrær gjenvunnet raskere enn løvfellende angiosperms, det var ingen endringer i vekstmønstre eller forsvar kjemi produksjon som svar på røyk eksponeringer (Figur 3). Dette indikerer at det ikke var noen langsiktige effekter fra våre relativt korte 20-minutters røykeksponeringer.
Hvorfor de eviggrønne bartrær først gjenvunnet raskere enn løvfellende angiosperms er ukjent. Plantearter kan utvikle toleranse for forurensninger som er kjent for å påvirke fotosyntese . Jo større toleranse i eviggrønne bartrær kan være et resultat av de ulike brann strategier, der gamble oak, rocky mountain maple, og aspen ansette en overlevelsesstrategi for overstory moral etterfulgt av aseksuell regenerering på et senere tidspunkt . I kontrast, eviggrønne bartre arter inkludert ponderosa furu og Douglas-fir ansette en strategi for brannmotstand med sin tykke bark som gjør at overstory å overleve . Vi hypoteser at arter som benytter en strategi for brannmotstand, vil ha et større behov for å utvikle toleransemekanismer for å unngå de negative effektene av nåleksponering for røyk i lengre perioder.
resultatene er uforenlige med andre hypoteser at røyk endrer vekstmønstre eller allokering til forsvarskjemi. Det er sannsynlig at to 20-minutters røykeksponeringer ikke er tilstrekkelige for å fremkalle en vekstrespons. I vestlige Nord-Amerika, kan planter bli utsatt for røyk på skalaer av uker til måneder, som anmeldt i . Røyk eksponering av en slik lengde er upraktisk i kontrollerte studier, men tre ring data kan potensielt brukes til å undersøke sammenhenger mellom vekstrater og røyk omfang over sommersesongen hvis andre confounding faktorer kan gjøres rede for.
det er noen mulige årsaker til at vi ikke fant noen signifikante forskjeller i forsvarskjemi som svar på røykbehandlinger. For det første, for asp, er det kjent at forskjellige genotyper reagerer annerledes på miljøendringer . Her brukte vi bare en genotype, og det kan føre til manglende svar som forekommer i andre aspen genotyper. For det andre, i motsetning til frøspredning, kan planter ikke bruke røyk som et signal for fysiologiske bladresponser etter brann. For det tredje, mens vi så på to viktige forsvarsforbindelser basert på kvantitet og funksjon, gjennomførte vi absolutt ikke en omfattende undersøkelse av sekundære metabolske responser. Endelig er det også mulig at signaturen til våre røykeksponeringer (kjemi, timing, intensitet) ikke var tilstrekkelig for å fremkalle et forsvarsrespons.
fordi det er mange forbindelser i røyk og vi vet så lite om hvordan de kan påvirke planter, har vi mye å lære om påvirkning av røyk på plantefunksjonen. Det faktum at ulike plantearter kan vise varierende respons på røyk, i tillegg til potensialet for forskjellige plantearter å produsere sin egen komplekse pakke med forbindelser, antyder at det kan være noen spennende roller for røyk i plante-og økosystemfunksjon.
Anerkjennelse
Takk er gitt Til Joey Schmutz for å hjelpe plante og overvåke frøplanter, Eric Smith for hjelp i røyk eksponering og prøvebehandling, Og Mitchell Calder for å hjelpe med høsting.
