Abstract
rook van bosbranden kan weken in het milieu blijven bestaan en hoewel er een aanzienlijke hoeveelheid literatuur is waarin de effecten van blootstelling aan rook op de kieming van zaad worden onderzocht, worden de effecten van rook op de bladfunctie bijna niet onderzocht. Het doel van deze studie was om de groei en primaire en secundaire metabole reacties van bladverliezende angiosperm en groenblijvende Conifeer boomsoorten te vergelijken met korte blootstelling aan rook. Twintig minuten blootstelling aan rook resulteerde in een vermindering van meer dan 50% van de fotosynthetische capaciteit bij vijf van de zes onderzochte soorten. Verminderde fotosynthese als reactie op rook was een functie van vermindering van stomatale geleiding en biochemische beperkingen. In het algemeen vertoonden bladverliezende angiosperm soorten een grotere gevoeligheid dan groenblijvende coniferen. Hoewel er significante dalingen in fotosynthese en stomatale geleidbaarheid waren, had rook geen significant effect op de groei of secundaire afweersamenstelling productie in een van de onderzochte boomsoorten.
1. Inleiding
sinds 350 miljoen jaar heeft het vuur de plantengemeenschappen op het land gevormd . In het Intermountain West heeft brand een integrale rol gespeeld bij het structureren van plantengemeenschappen met typische tussenpozen tussen 35 en 200 jaar . Rook geproduceerd door branden varieert met de brandstofbelasting, intensiteit, en duur van de verbranding, en kan blijven in de lucht voor weken . Een beter begrip van de reacties van planten op rook wordt steeds relevanter naarmate langere groeiseizoenen en een hogere droogtefrequentie en-duur, zoals voorspeld in toekomstige klimaatscenario ‘ s, naar verwachting zullen leiden tot een toename van het aantal bosbranden .
bijna alle studies die de effecten van rook op de plantenfysiologie en-ontwikkeling onderzoeken, zijn gekoppeld aan zaadkieming . Er is relatief weinig bekend over de invloed van rook op het primaire en secundaire metabolisme in planten. Davies en Unam bestudeerden de effecten van bosbranden in Indonesië op de fotosynthese en vonden dat ondanks de toename van CO2 door de branden, de fotosynthetische tarieven werden verlaagd. Gilbert en Ripley toonden aan dat rook blootstelling verminderde stomatale geleidbaarheid, CO2 Assimilatie snelheid, en intercellulaire blad CO2 concentraties.
in theorie kan rook fotosynthese verminderen door fysische en / of chemische processen. Fysiek, rookproductie kan leiden tot hoge dampdruk tekorten die stomatale sluiting kan leiden . Chemisch zijn meer dan 100 verbindingen geïdentificeerd in rook . Van degenen die zijn geïdentificeerd, velen zijn bekend om fysiologisch effecten op planten, met inbegrip van NO2 , CO2, SO2, en O3 . O3 is verbonden met de vernietiging van chlorofyl en is ook getoond om de k+ kanalen te remmen die de functie van de wachtcel regelen en op zijn beurt stomatale opening controleert . SO2 vermindert stomatale geleidbaarheid, remt fotosynthetische zuurstofevolutie en elektronentransport, en inactiveert Calvin-cyclus enzymen . Wanneer gecombineerd, NO2 en SO2 mengsels hebben aangetoond dat additief remmen fotosynthese . Langdurige blootstelling aan NO2 en SO2 toont daaropvolgende verlagingen van superoxide dismutase en glutathion reductase, die belangrijke antioxidantenzymen in planten zijn . Het uitschakelen van antioxidant enzymfunctie in combinatie met hoge ozonniveaus, een krachtige pro-oxidant, kan oxidatieve stress bevorderen tijdens langdurige blootstelling aan rook.
veranderingen in de omgevingsomstandigheden na een brand kunnen de biotische stressdruk die planten ervaren verminderen. Moritz en Odion vonden een sterke relatie tussen de afwezigheid van infectie van Phytophthora ramorum en de tijd sinds de laatste verbranding. Zij stelden voor dat brand de pathogeenactiviteit kan remmen door de beschikbaarheid van Ca te verhogen, wat cruciaal is voor plantenresistentie tegen ziekten . Drogere microklimaten na brand kunnen de groei van schimmelpathogenen beperken, en Schwartz et al. voorgesteld dat de fungicide eigenschappen van rook verminderde schimmelinfectie en groei op Bladeren .
rook is een zeer complexe chemische cocktail met plantaardige actieve verbindingen die informatie kan verschaffen aan planten in ecosystemen die onlangs brand hebben ondervonden. Bijvoorbeeld, rook wordt gebruikt als een cue door zaden in sommige vuur aangepaste plantensoorten als een signaal dat de omstandigheden gunstig zijn voor kieming, bijvoorbeeld, . Butenolide 3-methyl-2H-furopyran-2-one is een verbinding in rook die ontkieming induceert . Het is onbekend hoe het zaad het butenolide waarneemt, maar er zijn aanwijzingen dat het ontkieming veroorzaakt door opname van water te vergemakkelijken . Omdat er veel veranderingen zijn in de omgevingsomstandigheden na een brand (bijv., vermindering van de concurrentie, nutriëntenpulsen in de bodem en verminderde pathogeenbelasting), planten kunnen Rook gebruiken als een aanwijzing voor het milieu om andere adaptieve metabole en groei reacties initiëren.
gecondenseerde tannines en fenolglycosiden zijn bladverdedigingsmiddelen die planten vaak in zeer hoge concentraties produceren (tot 30% drooggewicht bij sommige soorten) om zich te verdedigen tegen aantasting door planten en pathogenen . De toewijzing van middelen aan de productie van defensiechemie resulteert in een afweging waarbij het groeipotentieel wordt verminderd . Plasticiteit in de productie van defensiechemie als reactie op verschuivingen in omgevingsomstandigheden is aangetoond . In een postfire scenario, kan een vermindering van ziekteverwekker en insectendruk resulteren in een verminderde behoefte aan hoge niveaus van secundaire afweersamenstellingen en daardoor voor een grotere toewijzing van middelen aan groei en voortplanting.
hier onderzoeken we de reacties van drie bladverliezende angiosperm (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) en drie groenblijvende coniferen (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii en Picea pungens) boomsoorten op korte termijn blootstelling aan rook. We veronderstellen dat: (1) blootstelling aan rook De snelheid van fotosynthese en stomatale geleidbaarheid vermindert; (2) rook dient als een signaal dat resulteert in de toewijzing van zaailing middelen weg van Defensie chemie productie tot groei.
2. Materialen en methoden
zes boomsoorten (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii en Picea pungens) werden in hun tweede groeijaar als behandelingseenheden gebruikt. Deze soorten werden gekozen omdat ze aanpassingen hebben die hen in staat stellen om vuur te overleven door middel van weerstand of regeneratie, wat aangeeft dat ze zijn geëvolueerd in reactie op vuur. Populus tremuloides (trillende ESP), Acer glabrum (Rocky Mountain esdoorn), en Quercus gambelii (gamble eik) reageren op vuur met resprouting door worteluitlopers . Groenblijvende conifeersoorten zoals Pinus ponderosa (Ponderosa pine) en Pseudotsuga menziesii (Douglas-fir) gebruiken een strategie van brandwerendheid met hun dikke schors . Picea pungens (blauwe spar) staat niet bekend om zijn brandwerendheid, maar is nuttig als een andere groenblijvende conifeersoort die regelmatig brand ervaart. Al deze soorten komen veel voor in de Rocky Mountains en zijn ecologisch belangrijke soorten. Populus tremuloides werd gekweekt uit wilde wortelstekken van een gemeenschappelijke kloon, en de overige vijf soorten werden verkregen uit twee boomkwekerijen (Sun Mountain growers, in Kaysville, Utah, en Plants of The Wild, Tekoa, Washington) als POT-en kale wortelzaailingen.
vóór het planten werden zaailingwortels gewassen en werd het verse gewicht van de plant gemeten. Binnen elke soort werden bomen met een uniforme massa en hoogte gebruikt in de studie. Op 26-27 maart 2008 werd elke boom getransplanteerd in een Veen / perliet (3 : 1) – gebaseerde medium van 75% -80% Canadese Sphagnum turf mos met gips, perliet, kalksteen en bevochtigingsmiddel (Sunshine Mix #1, Sun Gro tuinbouw, Bellevue, WA) in potten 23,5 cm 11,5 cm2. Vier gram Osmocote Smart Release plantenvoeding met 14-14-14 werden aan elke pot toegevoegd om de nodige voedingsstoffen voor de groei te leveren. De bomen waren in een klimaat gecontroleerde kas voor de rest van de zomer en werden bewaterd tot verzadiging twee keer per week.
2.1. Rookbehandeling
vanaf 26-30 mei 2008 werden vijf Replica-zaailingen van elke soort in de loop van de tijd aan rook blootgesteld (één Replica per dag, over een periode van vijf dagen). Blootstelling aan rook vond plaats gedurende 20 minuten. Een tweede cyclus van blootstelling aan rook op dezelfde planten vond plaats van 9-13 juni 2008.
de rookkamer werd vervaardigd uit een verzegelde plastic koelbox (95 cm 38 cm 45 cm). Voor de rook werd gebruik gemaakt van gelijke delen gedroogd bladmateriaal, verkregen uit elk van de zes boomsoorten in de studie. De bladeren werden verbrand in een glazen trechter in een kolf die was verbonden met de bovenkant van een glazen kolf. De kolf werd gekoeld in een ijsbad om temperatuurstijgingen in de kamer te elimineren. Gedurende 25 seconden werd 500 mg bladmengsel verbrand tot as met een butaanaansteker en de rook werd door plastic buizen naar de kamer getrokken met behulp van een vacuüm verbonden met slangen op de bodem van de koeler. Een ventilator in de koeler verspreidde de rook en een florescent licht in de koeler zorgde voor lage lichtniveaus. De temperatuur in de rookkamer is nooit overschreden, gemeten door een Hobo U10-003 datalogger (Onset Computer Corporation, Pocasset, MA). Een tweede kamer identiek aan de eerste werd gebruikt voor controlebehandelingen. Alle procedures waren precies hetzelfde voor de controlekamer, behalve dat het bladmateriaal niet in de glazen trechter werd geplaatst.
het is moeilijk om onze blootstelling aan rook te vergelijken met wat in natuurlijke omgevingen wordt ervaren, aangezien de rookproductie zeer variabel is in West-Noord-Amerika . Dit is deels te wijten aan variaties in brandstofbelasting, brandstofverbruik, emissiesnelheid en dispersie . Gemengde coniferen bos brandstof ladingen kan variëren van 63-112 MT en aspens bossen van 20-83 MT . Aangezien we 0,03 MT (leaf mass area of smoke chamber) hebben gebruikt, schatten we dat onze rookblootstelling minder geconcentreerd is dan bij een bosbrand.
2.2. Gasuitwisseling
na blootstelling aan rook werden de behandelde planten uit de rookkamer verwijderd om de snelheid van fotosynthese en stomatale geleiding te meten met een gaswisselsysteem (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Fotosynthetische metingen werden uitgevoerd bij een fotosynthetische fluxdichtheid (PPFD) van 1200 mol m−2 s−1 met de 6400-04 led blauw-rode lichtbron bij omgevingstemperatuur en vochtigheid. Er werden twee metingen verricht bij CO2-concentraties van respectievelijk 385 ppm en 1000 ppm, waarbij CO2-concentraties werden bereikt met de CO2-menger om te onderscheiden of rookeffecten op de fotosynthese verband hielden met stomatale en/of biochemische beperkingen . Metingen werden geïnitieerd door het afdichten van het blad in de kamer op het jongste volledig uitgezette blad of naalden van elke boom. Nadat CO2 – en waterdampconcentraties in de bladkamer een steady state bereikten (60-90 seconden), werden fotosynthesesnelheden en stomatale geleiding geregistreerd. De metingen werden onmiddellijk na blootstelling aan rook, 30 minuten na blootstelling en vervolgens om de 70 minuten tot 310 minuten daarna uitgevoerd.
om het bladoppervlak te berekenen voor bladeren die de bladkamer niet vulden, werden de bladeren getraceerd op papier dat werd uitgesneden en vervolgens voor het oppervlak werd gemeten met de bladoppervlaktemeter (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). Naald gebied werd berekend door het scannen van een beeld van de naalden en het meten van het gebied met Tel afbeelding voor Windows (Frederick, Maryland, USA).
2.3. Groei
op 29 juli 2008 werden de bomen geoogst voor groei-en massametingen. De stamhoogte werd gemeten en vervolgens werd de zaailing op grondniveau afgesneden en beide wortels en scheuten werden gedurende 72 uur gedroogd om drooggewicht te verkrijgen met behulp van een analytische balans (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, USA).
2.4. Secundaire Chemie
bladeren en naalden werden negen weken na blootstelling aan rook uit de zaailingen verwijderd (29 juli 2008) en op droog ijs verpakt voordat ze naar opslag werden gebracht voor latere analyse van fenolglycosiden en gecondenseerde tannines. Bladeren werden gevriesdroogd en naalden werden gedurende 72 uur in de oven gedroogd. Blad en naald materiaal werd vervolgens verpletterd in een Wiley molen met behulp van een no. 10 scherm. Tannines werden gekwantificeerd voor alle soorten met behulp van een gemodificeerde butanol-HCL methode beschreven in Porter et al. , waarbij ongeveer 50 mg bladmateriaal werd geplaatst in 2 mL microcentrifugebuizen met schroefdop gesuspendeerd in 1 mL van 70% aceton-10 mM ascorbinezuuroplossing. De monsters werden vervolgens gedurende 20 minuten op hoge wijze vortexed. Vervolgens werd het vloeibare supernatans verwijderd en werd de extractie herhaald. De concentratie van tannines werd vervolgens spectrofotometrisch gekwantificeerd (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Canada) met behulp van gezuiverde tannines als standaard.
de fenolglycosiden, salicortine en tremulacine, werden geëxtraheerd uit ongeveer 50 mg ESP-bladweefsel (de andere soorten bevatten geen significante gehalten aan fenolglycosiden). De weefselmonsters werden in microcentrifugebuizen van 2 mL met schroefdop geplaatst en gesuspendeerd in methanol. De monsters werden vervolgens gedurende 5 minuten op hoge draaikolk weergegeven. De vloeistof supernatant werd verwijderd en de extractie werd herhaald. De uiteindelijke concentraties van salicortine en tremulacine werden gekwantificeerd met behulp van hogedrukvloeistofchromatografie (Agilent 1100 Series, Santa Clara, CA, USA) met een Luna 2, C18-kolom (150 4,6 mm, 5 m) bij een debiet van 1 mL/min. Compound pieken werden gedetecteerd met behulp van een UV-lamp op een golflengte van 280 nm met gezuiverde salicortine en tremulacine normen geïsoleerd uit ESP bladeren .
2.5. Statistische analyse
we deden een Studententest om verschillen in defensiechemie en groei te testen. De variantieanalyse van herhaalde metingen (ANOVA) werd gebruikt om de effecten van blootstelling aan rook op de fotosynthesesnelheid te testen van 30 minuten na blootstelling tot 310 minuten na blootstelling, waarbij de tijd als “binnen” – factor werd gebruikt . Homogeniteit van variantie en normaliteit werden getest met Shapiro-Wilk W statistieken en gelijke variantie testen. Gegevens die niet voldeden aan de veronderstellingen voor de parametrische tests werden getest met behulp van een Wilcox rank sum test, terwijl de gegevens in de grafieken en tabellen niet werden getransformeerd. Statistische analyse werd uitgevoerd met behulp van JMP versie 7 statistische software (SAS Institute, Cary, NC, USA).
3. Resultaten
alle soorten vertoonden significante verschillen in stomatale geleidbaarheid en fotosynthesesnelheden 30 minuten na blootstelling, behalve voor Douglas-spar. Aspen en ponderosapenen vertoonden de grootste afname in fotosynthese (figuur 1). Douglas-fir toonde aanvankelijk een significante afname in en (gegevens niet getoond). Twee weken na blootstelling werden de fotosynthesepercentages opnieuw gemeten en was er een volledig herstel bij alle diersoorten (gegevens niet getoond).
(a))
(b))
(a)
(b))
(maximale fotosynthesesnelheid) en (stomatale geleiding) na 30 minuten blootstelling aan rook. De enige soort zonder significante verschillen tussen behandelingen (op niveau) was Douglas-spar.
uit de analyse van herhaalde metingen van fotosynthesesnelheden bij 1000 ppm CO2 bleek een significant tijdseffect (- waarde), waarbij fotosynthesesnelheden zich na verloop van tijd herstelden van de blootstelling aan rook (Figuur 2). Bij 1000 ppm was er ook een significante interactie tussen tijd en soorttype(bladverliezende angiospermen en groenblijvende Conifeer) (-waarde = .0073) met bladverliezende angiosperm soorten die een langzamer herstel vertonen (Figuur 2). Bij 385 ppm CO2 was tijd het enige significante effect in het model van herhaalde metingen (- waarde=.0209). Soort type was marginaal significant (- waarde=.0709).
(een)
b)
(a)
b)
Verminderde tarieven van de fotosynthese, uitgedrukt als procentuele verschil van de controle op zowel omgevings – (a) (385 ppm) en het toepassen (b) (1000 ppm) CO2-concentraties.
er waren geen significante verschillen voor groei, gecondenseerde tannines of fenolglycosiden (Figuur 3; gegevens voor deze laatste zijn niet weergegeven).
(een)
b)
(a)
b)
Vergelijkingen van biomassa en gecondenseerde tanninen in rook blootgestelde monsters en controles. Er waren geen significante verschillen tussen behandelingen van welke soort dan ook.
4. Discussie
de gegevens komen overeen met onze eerste hypothese dat blootstelling aan rook de fotosynthese vermindert. Het vergelijken van fotosynthetische reacties bij omgevingstemperatuur en verzadiging van CO2-concentraties suggereert dat rook de fotosynthetische functie beïnvloedt door de stomatale geleiding te verminderen en door aantasting van de biochemische functie (Figuur 2). Onze resultaten laten voor het eerst zien dat fotosynthetische gevoeligheid voor rook voorkomt bij een diverse steekproef van boomsoorten en dat er een brede variatie in gevoeligheid is tussen deze soorten.
vanwege de complexiteit van rookbestanddelen is het moeilijk te bepalen welke chemische stoffen de fotosynthese nadelig kunnen beïnvloeden. Verschillende verbindingen in rook, zoals NO en NO2, beïnvloeden plantensoorten in verschillende mate . We ontdekten dat de groenblijvende coniferen zich aanvankelijk sneller herstelden van de rookblootstelling dan de bladverliezende angiospermen (Figuur 2). Dertig minuten nadat de rookbehandeling was beëindigd, was alleen Douglas-spar volledig hersteld (aanvankelijk verminderde fotosynthese niet getoond) (figuur 1). Hoewel groenblijvende coniferen zich sneller herstelden dan de bladverliezende angiospermen, waren er geen veranderingen in de groeipatronen of de productie van afweerchemie als reactie op blootstelling aan rook (Figuur 3). Dit wijst erop dat er geen langetermijneffecten waren van onze relatief korte blootstelling aan 20 minuten rook.
waarom de groenblijvende coniferen zich aanvankelijk sneller herstelden dan de bladverliezende angiospermen is niet bekend. Plantensoorten kunnen tolerantie ontwikkelen voor verontreinigende stoffen waarvan bekend is dat ze de fotosynthese beïnvloeden . De grotere tolerantie in groenblijvende coniferen zou een gevolg kunnen zijn van de verschillende vuurstrategieën, waarbij gamble oak, rocky mountain maple en aspen een overlevingsstrategie van oververhitte moraliteit Toepassen, gevolgd door aseksuele regeneratie op een later tijdstip . In tegenstelling, groenblijvende conifeersoorten met inbegrip van Ponderosa den en Douglas-spar maken gebruik van een strategie van brandwerendheid met hun dikke schors die het mogelijk maakt de oververhitting te overleven . We veronderstellen dat soorten die een strategie van brandwerendheid hanteren, een grotere behoefte hebben om tolerantiemechanismen te ontwikkelen om de negatieve effecten van blootstelling aan rook door naalden gedurende langere tijd te vermijden.
de resultaten zijn niet in overeenstemming met tweede hypothesen dat rook groeipatronen of allocatie aan defensiechemie verandert. Het is waarschijnlijk dat twee 20 minuten durende blootstelling aan rook onvoldoende zijn om een groeireactie op te wekken. In West-Noord-Amerika, planten kunnen worden blootgesteld aan rook op schalen van weken tot maanden, zoals beoordeeld in . Dergelijke lange blootstelling aan rook is in gecontroleerde studies onpraktisch, maar gegevens over boomringen kunnen mogelijk worden gebruikt om de correlaties tussen de groeisnelheid en de mate van rook tijdens het zomerseizoen te onderzoeken, indien andere verstorende factoren kunnen worden verantwoord.
er zijn een paar mogelijke redenen waarom we geen significante verschillen vonden in afweerchemie in reactie op rookbehandelingen. Ten eerste is voor aspen bekend dat verschillende genotypen verschillend reageren op veranderingen in het milieu . Hier hebben we slechts één genotype gebruikt en dat kan resulteren in ontbrekende responsen die voorkomen in andere aspen genotypes. Ten tweede mogen planten, in tegenstelling tot zaadkieming, geen rook gebruiken als aanwijzing voor fysiologische bladreacties na brand. Ten derde, terwijl we keken naar twee belangrijke afweersamenstellingen op basis van hoeveelheid en functie, hebben we zeker geen uitgebreid onderzoek uitgevoerd naar secundaire metabole reacties. Ten slotte is het ook mogelijk dat de signatuur van onze rookblootstellingen (chemie, timing, intensiteit) niet voldoende was om een verdedigingsreactie op te wekken.
omdat er veel verbindingen in rook zijn en we zo weinig weten over hoe ze planten kunnen beïnvloeden, moeten we veel leren over de invloed van rook op de functie van planten. Het feit dat verschillende plantensoorten verschillende reacties op rook kunnen vertonen, in aanvulling op het potentieel voor verschillende plantensoorten om hun eigen complexe reeks verbindingen te produceren, suggereert dat er een aantal intrigerende rollen kunnen zijn voor rook in de functie van planten en ecosystemen.
dankbetuiging
dankbetuiging aan Joey Schmutz voor zijn hulp bij het planten en monitoren van de zaailingen, Eric Smith voor hulp bij blootstelling aan rook en monsterverwerking, en Mitchell Calder voor zijn hulp bij het oogsten.
