Streszczenie
dym z pożarów lasów może utrzymywać się w środowisku przez kilka tygodni i chociaż istnieje znaczna ilość literatury badającej wpływ narażenia na dym na kiełkowanie nasion, wpływ dymu na funkcjonowanie liści jest prawie niezbadany. Celem pracy było porównanie wzrostu i pierwotnej i wtórnej odpowiedzi metabolicznej liściastych roślin okrytonasiennych i wiecznie zielonych drzew iglastych z krótkim narażeniem na dym. Dwadzieścia minut ekspozycji na dym spowodowało ponad 50% zmniejszenie zdolności fotosyntezy u pięciu z sześciu badanych gatunków. Upośledzenie fotosyntezy w odpowiedzi na dym było funkcją zmniejszenia przewodności jamy ustnej i ograniczeń biochemicznych. Ogólnie rzecz biorąc, gatunki liściaste wykazywały większą wrażliwość niż wiecznie zielone drzewa iglaste. Podczas gdy stwierdzono znaczne zmniejszenie fotosyntezy i przewodnictwa w jamie ustnej, dym nie miał znaczącego wpływu na wzrost ani produkcję drugorzędnych związków obronnych u żadnego z badanych gatunków drzew.
1. Wprowadzenie
ogień kształtował lądowe zbiorowiska roślinne przez ostatnie 350 milionów lat . Na Zachodzie Intermountain, ogień miał integralną rolę w strukturyzacji zbiorowisk roślinnych z typowymi przerwami powrotu ognia między 35 A 200 lat . Dym wytwarzany z pożarów różni się w zależności od obciążenia paliwem, intensywności i czasu palenia i może utrzymywać się w powietrzu przez kilka tygodni . Lepsze zrozumienie reakcji roślin na dym staje się coraz bardziej istotne, ponieważ oczekuje się, że dłuższe sezony wegetacyjne oraz zwiększona częstotliwość i czas trwania suszy przewidywane w przyszłych scenariuszach klimatycznych spowodują wzrost pożarów .
prawie wszystkie badania, które badają wpływ dymu na fizjologię i rozwój roślin, są związane z kiełkowaniem nasion . Stosunkowo niewiele wiadomo na temat wpływu dymu na pierwotny i wtórny metabolizm roślin. Davies i Unam zbadali wpływ pożarów lasów w Indonezji na fotosyntezę i odkryli, że pomimo wzrostu CO2 z pożarów, wskaźniki fotosyntezy zostały obniżone. Gilbert i Ripley wykazali, że narażenie na dym zmniejsza przewodnictwo jamy ustnej, szybkość asymilacji CO2 i stężenie CO2 w liściach międzykomórkowych.
teoretycznie dym może zmniejszyć fotosyntezę poprzez procesy fizyczne i / lub chemiczne. Fizycznie produkcja dymu może prowadzić do wysokich deficytów ciśnienia pary, które mogą spowodować zamknięcie jamy ustnej . Chemicznie zidentyfikowano ponad 100 związków w dymie . Spośród tych, które zostały zidentyfikowane, wiele z nich ma fizjologiczny wpływ na rośliny, w tym NO2 , CO2, SO2 i O3 . O3 jest związane ze zniszczeniem chlorofilu, a także wykazano, że hamuje kanały K+, które regulują funkcję komórek ochronnych, a z kolei kontrolują otwarcie jamy ustnej . SO2 zmniejsza przewodnictwo jamy ustnej, hamuje fotosyntetyczną ewolucję tlenu i transport elektronów oraz inaktywuje enzymy cyklu Calvina . Po połączeniu mieszaniny NO2 i SO2 wykazują addytywne hamowanie fotosyntezy . Długotrwałe narażenie na NO2 i SO2 wykazuje późniejsze zmniejszenie dysmutazy ponadtlenkowej i reduktazy glutationowej, które są głównymi enzymami przeciwutleniającymi w roślinach . Wyłączenie funkcji enzymu antyoksydacyjnego w połączeniu z wysokim poziomem ozonu, silnego prooksydanta, może promować stres oksydacyjny podczas przedłużonej ekspozycji na dym.
zmiany warunków środowiskowych po pożarze mogą zmniejszyć ciśnienie stresu biotycznego odczuwane przez rośliny. Moritz i Odion odkryli silny związek między brakiem infekcji Phytophthora ramorum a czasem od ostatniego oparzenia. Zasugerowali oni, że ogień może hamować aktywność patogenów poprzez zwiększenie dostępności Ca, co jest kluczowe dla odporności roślin na choroby . Suchszy mikroklimat po pożarze może ograniczyć wzrost patogenu grzybowego, a Schwartz et al. zaproponowano, że właściwości grzybobójcze dymu zmniejszają infekcję grzybiczą i wzrost na liściach .
dym jest wysoce złożonym koktajlem chemicznym z aktywnymi związkami roślinnymi, który może dostarczać informacji roślinom w ekosystemach, które niedawno doświadczyły pożaru. Na przykład dym jest używany jako sygnał przez nasiona w niektórych gatunkach roślin przystosowanych do ognia jako sygnał, że warunki są korzystne dla kiełkowania, na przykład . Butenolid 3-metylo-2H-furopiran-2-on jest związkiem w dymie, który indukuje kiełkowanie . Nie wiadomo, w jaki sposób nasiona postrzegają butenolid, ale istnieją dowody na to, że wyzwala kiełkowanie, ułatwiając pobieranie wody . Ponieważ po pożarze następuje wiele zmian warunków środowiskowych (np., zmniejszenie konkurencji, impulsy pokarmowe w glebie i zmniejszone obciążenia patogenami), rośliny mogą wykorzystywać dym jako sygnał środowiskowy do inicjowania innych adaptacyjnych reakcji metabolicznych i wzrostowych.
skondensowane garbniki i glikozydy fenolowe są związkami dolistnymi, które rośliny często wytwarzają w bardzo wysokich stężeniach (do 30% suchej masy u niektórych gatunków) w celu obrony przed atakiem roślinożerców i patogenów . Alokacja zasobów do produkcji chemii obronnej prowadzi do kompromisu, w którym zmniejsza się potencjał wzrostu. Wykazano plastyczność w produkcji chemii obronnej w odpowiedzi na zmiany warunków środowiskowych . W scenariuszu pożarowym zmniejszenie ciśnienia patogenu i owadów może skutkować zmniejszonym zapotrzebowaniem na wysokie poziomy wtórnych związków obronnych, a tym samym umożliwić większy przydział zasobów na wzrost i reprodukcję.
tutaj badamy reakcje trzech gatunków drzew liściastych (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) i trzech wiecznie zielonych drzew iglastych (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii i Picea pungens) na krótkotrwałe narażenie na dym. Stawiamy hipotezę, że: (1) ekspozycja na dym zmniejsza szybkość fotosyntezy i przewodnictwa jamy ustnej; (2) dym służy jako sygnał, który powoduje alokację zasobów sadzonek z dala od produkcji chemii obronnej do wzrostu.
2. Materiały i metody
sześć gatunków drzew (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii i Picea pungens) w drugim roku wzrostu zastosowano jako jednostki leczenia. Gatunki te zostały wybrane, ponieważ mają adaptacje, które pozwalają im przetrwać ogień poprzez odporność lub regenerację, co wskazuje, że ewoluowały w odpowiedzi na ogień. Populus tremuloides (quaking aspen), Acer glabrum (Rocky Mountain maple) i Quercus gambelii (gamble oak) reagują na ogień z resprouting przez ssaki korzeniowe . Wiecznie zielone drzewa iglaste, takie jak Pinus ponderosa (sosna ponderosa) i Pseudotsuga menziesii (Daglezja) stosują strategię odporności ogniowej dzięki grubej Korie . Picea pungens (świerk niebieski) nie jest znany z odporności ogniowej, ale jest przydatny jako inny wiecznie zielony gatunek drzewa iglastego, który regularnie doświadcza ognia. Wszystkie te gatunki są powszechne w Górach Skalistych i są gatunkami ważnymi ekologicznie. Populus tremuloides został wyhodowany z dzikich sadzonek korzeniowych ze wspólnego klonu, a pozostałe pięć gatunków uzyskano z dwóch szkółek drzew (plantatorów Sun Mountain w Kaysville w stanie Utah i Plants of the Wild w Tekoa w stanie Waszyngton) jako sadzonki doniczkowe i gołe.
przed sadzeniem korzenie sadzonek zostały umyte i zmierzono świeżą masę rośliny. W obrębie każdego gatunku w badaniu wykorzystano drzewa o jednakowej masie i wysokości. W dniach 26-27 marca 2008 roku każde drzewo zostało przeszczepione do torfu / perlitu (3 : 1) – podłoże na bazie 75% -80% kanadyjskiego torfowca Sphagnum z gipsem, perlitem, wapieniem i środkiem zwilżającym (Sunshine Mix #1, Sun Gro, Bellevue, WA) w doniczkach 23,5 cm 11,5 cm2. Cztery gramy żywności roślinnej Osmocote Smart Release z 14-14-14 zostały dodane do każdej doniczki, aby zapewnić niezbędne składniki odżywcze do wzrostu. Drzewa były w szklarni kontrolowanej przez klimat do końca lata i były podlewane do nasycenia dwa razy w tygodniu.
2.1. Leczenie dymem
w dniach 26-30 maja 2008 r. pięć replikowanych sadzonek każdego gatunku wystawiono na działanie dymu rozłożonego w czasie(po jednej replikacji każdego dnia, przez okres pięciu dni). Narażenie na dym występowało przez 20 minut. Drugi cykl ekspozycji na dym na tych samych roślinach miał miejsce w dniach 9-13 czerwca 2008 roku.
komora dymowa została wykonana z uszczelnionej plastikowej chłodnicy (95 cm 38 cm 45 cm). Do wytworzenia dymu wykorzystano równe części wysuszonego materiału liściowego pozyskanego z każdego z sześciu badanych gatunków drzew. Liście spalano w szklanym lejku umieszczonym w kolbie, która była połączona z górną częścią kolby szklanej. Kolbę chłodzono w łaźni lodowej w celu wyeliminowania wzrostu temperatury wewnątrz komory. Przez 25 sekund 500 mg mieszanki materiału liściowego spalano na popiół zapalniczką butanową, a dym był wciągany przez plastikowe rurki do komory za pomocą podciśnienia połączonego z rurkami na dnie chłodnicy. Wentylator wewnątrz chłodnicy rozpraszał dym, a światło fluorescencyjne wewnątrz chłodnicy zapewniało niski poziom światła. Temperatury wewnątrz komory dymowej nigdy nie przekroczyły temperatury mierzonej przez rejestrator danych Hobo U10 – 003 (Onset Computer Corporation, Pocasset, MA). Druga komora identyczna z pierwszą była używana do zabiegów kontrolnych. Wszystkie procedury były dokładnie takie same dla komory kontrolnej, z wyjątkiem tego, że materiał liściowy nie był umieszczany w szklanym lejku.
trudno porównać naszą ekspozycję na dym z tym, co występuje w warunkach naturalnych, ponieważ produkcja dymu jest niezwykle zmienna w zachodniej Ameryce Północnej . Wynika to częściowo ze zmian w obciążeniu paliwem, zużyciu paliwa ,stopie emisji i stopie rozproszenia. Zapas paliwa w lasach iglastych może wahać się od 63 do 112 MT, a w lasach osikowych od 20 do 83 MT . Ponieważ użyliśmy 0,03 MT (leaf mass area of smoke chamber), szacujemy, że nasza ekspozycja na dym jest mniej skoncentrowana niż w przypadku pożaru lasu.
2.2. Wymiana gazowa
po ekspozycji na dym oczyszczone rośliny usunięto z komory dymu w celu pomiaru szybkości fotosyntezy i przewodności jamy ustnej za pomocą systemu wymiany gazowej (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Pomiary fotosyntetyczne wykonano przy fotosyntetycznej gęstości strumienia fotonów (PPFD) 1200 mol m−2 s−1 z niebiesko-czerwonym źródłem światła LED 6400-04 w temperaturze otoczenia i wilgotności. Przeprowadzono dwa pomiary przy stężeniach CO2 odpowiednio 385 ppm i 1000 ppm, przy czym stężenia CO2 uzyskano za pomocą mieszalnika CO2 w celu rozróżnienia, czy wpływ dymu na fotosyntezę był związany z ograniczeniami stomatologicznymi i / lub biochemicznymi . Pomiary rozpoczęto od uszczelnienia liścia w komorze na najmłodszym w pełni rozwiniętym liściu lub igłach każdego drzewa. Po osiągnięciu stężenia CO2 i pary wodnej w komorze liściowej stanu ustalonego (60-90 sekund) zarejestrowano szybkość fotosyntezy i przewodności jamy ustnej. Pomiary przeprowadzono bezpośrednio po ekspozycji na dym, 30 minut po ekspozycji, a następnie co 70 minut do 310 minut później.
aby obliczyć powierzchnię liści dla liści, które nie wypełniły Komory liści, liście były śledzone na papierze, który został wycięty, a następnie mierzone dla powierzchni za pomocą miernika powierzchni liści (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). Obszar igły został obliczony przez skanowanie obrazu igieł i obszar pomiarowy za pomocą Scion Image for Windows (Frederick, Maryland, USA).
2.3. Wzrost
29 lipca 2008 roku drzewa zostały zebrane w celu pomiaru wzrostu i masy. Mierzono wysokość łodygi, a następnie odcinano sadzonkę na poziomie gleby, a korzenie i pędy suszono przez 72 godziny w celu uzyskania suchej masy za pomocą wagi analitycznej (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, ut, USA).
2.4. Chemia wtórna
liście i igły usunięto z sadzonek dziewięć tygodni po ekspozycji na dym (29 lipca 2008) i zapakowano na suchym lodzie, zanim przeniesiono do przechowywania w celu późniejszej analizy glikozydów fenolowych i skondensowanych garbników. Liście liofilizowano, a igły suszono w piecu przez 72 godziny. Materiał liści i igieł był następnie kruszony w młynie Wiley za pomocą przesiewacza nr 10. Garbniki oznaczono ilościowo dla wszystkich gatunków przy użyciu zmodyfikowanej metody butanol-HCL opisanej w Porter et al. , gdzie około 50 mg materiału liściowego umieszczano w 2 mL wkręcanych rurkach mikrokrążkowych zawieszonych w 1 mL 70% acetonu-10 mM roztworu kwasu askorbinowego. Próbki następnie wirowano na wysokości przez 20 minut. Następnie usunięto płynny supernatant i powtórzono ekstrakcję. Następnie stężenie garbników oznaczono ilościowo spektrofotometrycznie (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Kanada), stosując jako standard oczyszczone garbniki.
glikozydy fenolowe, salikortynę i tremulacynę ekstrahowano z około 50 mg tkanki liści osiki (pozostałe gatunki nie zawierają znaczących ilości glikozydów fenolowych). Próbki tkanek umieszczano w probówkach z zakrętką o pojemności 2 mL i zawieszono w metanolu. Próbki następnie wirowano na wysokości przez 5 minut. Płynny supernatant usunięto i powtórzono ekstrakcję. Końcowe stężenia salikortyny i tremulacyny oznaczano ilościowo za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (Agilent 1100 Series, Santa Clara, CA, USA) z kolumną Luna 2, C18 (150 4,6 mm, 5 m) przy szybkości przepływu 1 mL/min. Piki związków wykryto za pomocą lampy UV o długości fali 280 nm z oczyszczonymi wzorcami salikortyny i tremulacyny wyizolowanymi z liści osiki .
2.5. Analiza statystyczna
przeprowadziliśmy Test ucznia, aby sprawdzić różnice w chemii obronnej i rozwoju. Do badania wpływu ekspozycji na dym na szybkość fotosyntezy od 30 minut po ekspozycji do 310 minut po ekspozycji wykorzystano analizę powtarzanych pomiarów wariancji (ANOVA), wykorzystując czas jako czynnik „wewnątrz”. Homogeniczność wariancji i normalności badano statystyką Shapiro-Wilka W i testami równości wariancji. Dane, które nie spełniały założeń dla testów parametrycznych, zostały przetestowane za pomocą testu sumy Rang Wilcoxa, natomiast dane w wykresach i tabelach nie zostały przekazane. Analiza statystyczna została przeprowadzona przy użyciu oprogramowania statystycznego JMP w wersji 7 (SAS Institute, Cary, NC, USA).
3. Wyniki
wszystkie gatunki wykazały znaczące różnice w przewodnictwie jamy ustnej i szybkości fotosyntezy 30 minut po ekspozycji, z wyjątkiem daglezji. Osika i sosna ponderosa wykazały największe ograniczenia fotosyntezy (ryc. 1). Daglezja początkowo wykazywała znaczny spadek i (nie wykazano danych). Dwa tygodnie po ekspozycji, wskaźniki fotosyntezy mierzono ponownie i nastąpił całkowity powrót do zdrowia u wszystkich gatunków (dane nie zostały przedstawione).
(a)
(b)
(a)
(b))
(maksymalna szybkość fotosyntezy) i (przewodnictwo jamy ustnej) po 30 minutach ekspozycji na dym. Jedynym gatunkiem bez znaczących różnic między gatunkami (na poziomie) była Daglezja.
analiza powtarzanych pomiarów szybkości fotosyntezy przy 1000 ppm CO2 wykazała znaczący efekt czasowy (-wartość), w którym szybkości fotosyntezy odzyskiwane z ekspozycji na dym w miarę postępu czasu (ryc. 2). Przy 1000 ppm stwierdzono również znaczącą interakcję między czasem a typem gatunku (okrytonasienne i wiecznie zielone drzewa iglaste) (- wartość = .0073) z gatunkami roślin okrytonasiennych wykazującymi wolniejszą regenerację (ryc. 2). Przy 385 ppm CO2, czas był jedynym znaczącym efektem w modelu miar powtarzanych (- wartość=.0209). Rodzaj gatunkowy był marginalnie znaczący (- wartość = .0709).
(a)
(b)
(a)
(b))
zmniejszone szybkości fotosyntezy wyrażone jako procent różnicy od kontroli zarówno w temperaturze otoczenia (a) (385 ppm) i nasycania (b) (1000 ppm) stężenia CO2.
nie stwierdzono istotnych różnic w zakresie wzrostu, skondensowanych garbników ani glikozydów fenolowych (ryc. 3; Dane dla tego ostatniego nie zostały przedstawione).
(a)
(b)
(a)
(b))
porównanie biomasy i skondensowanych garbników w próbkach i kontrolach narażonych na dym. Nie stwierdzono istotnych różnic w traktowaniu żadnego gatunku.
4. Dyskusja
dane są zgodne z naszą pierwszą hipotezą, że ekspozycja na dym zmniejsza szybkość fotosyntezy. Porównanie reakcji fotosyntetycznych przy stężeniu CO2 w otoczeniu i nasycaniu sugeruje, że dym wpływa na funkcje fotosyntetyczne poprzez zmniejszenie przewodnictwa w jamie ustnej i upośledzenie funkcji biochemicznych (ryc. 2). Nasze wyniki po raz pierwszy pokazują, że fotosyntetyczna wrażliwość na dym występuje w różnych próbkach gatunków drzew i że istnieje szerokie zróżnicowanie wrażliwości między tymi gatunkami.
ze względu na złożoność składników dymu trudno jest określić, które substancje chemiczne mogą niekorzystnie wpływać na fotosyntezę. Różne związki w dymie, takie jak NO i NO2, wpływają na gatunki roślin w różnym stopniu . Odkryliśmy, że wiecznie zielone drzewa iglaste początkowo odzyskiwały po ekspozycji na dym szybciej niż rośliny liściaste (ryc. 2). Trzydzieści minut po zakończeniu leczenia dymem, tylko Daglezja całkowicie wyzdrowiała (początkowe zmniejszenie szybkości fotosyntezy nie pokazano) (ryc. 1). Chociaż zimozielone drzewa iglaste odzyskiwały się szybciej niż rośliny okrytonasienne Liściaste, nie odnotowano żadnych zmian we wzorcach wzrostu ani produkcji chemii obronnej w odpowiedzi na ekspozycję na dym (ryc. 3). Oznacza to, że stosunkowo krótkie 20-minutowe narażenie na dym nie miało długoterminowych skutków.
dlaczego wiecznie zielone drzewa iglaste początkowo odzyskiwały szybciej niż okrytonasienne są nieznane. Gatunki roślin mogą rozwijać tolerancję na zanieczyszczenia, o których wiadomo, że wpływają na fotosyntezę . Większa tolerancja w wiecznie zielonych drzew iglastych może być wynikiem różnych strategii pożarowych, w których gamble oak, Rocky mountain maple i aspen stosują strategię przetrwania moralności overstory, a następnie aseksualnej regeneracji w późniejszym czasie . Natomiast zimozielone gatunki drzew iglastych, w tym sosna ponderosa i Daglezja, stosują strategię odporności ogniowej z grubą korą, która umożliwia przetrwanie przerostowi. Stawiamy hipotezę, że gatunki, które stosują strategię odporności ogniowej, będą miały większą potrzebę opracowania mechanizmów tolerancji, aby uniknąć negatywnych skutków ekspozycji igły na dym przez dłuższy czas.
wyniki są niezgodne z drugą hipotezą, że dym zmienia wzorce wzrostu lub przydział do chemii obronnej. Jest prawdopodobne, że dwie 20-minutowe ekspozycje na dym są niewystarczające, aby wywołać reakcję wzrostu. W zachodniej Ameryce Północnej rośliny mogą być narażone na dym w skali tygodni do miesięcy, jak opisano w . Ekspozycja na dym o takiej długości jest niepraktyczna w badaniach kontrolowanych, ale dane z pierścienia drzew mogą potencjalnie zostać wykorzystane do zbadania korelacji między stopniami wzrostu a rozmiarem dymu w sezonie letnim, jeśli można uwzględnić inne czynniki zakłócające.
istnieje kilka możliwych powodów, dla których nie znaleźliśmy żadnych znaczących różnic w chemii obronnej w odpowiedzi na leczenie dymem. Po pierwsze, w przypadku aspen wiadomo, że różne genotypy inaczej reagują na zmiany środowiskowe . Tutaj użyliśmy tylko jednego genotypu, co może spowodować brak odpowiedzi, które występują w innych genotypach osiki. Po drugie, w przeciwieństwie do kiełkowania nasion, rośliny nie mogą używać dymu jako sygnału do fizjologicznych reakcji liści po pożarze. Po trzecie, podczas gdy przyjrzeliśmy się dwóm ważnym związkom obronnym w oparciu o ilość i funkcję, z pewnością nie przeprowadziliśmy kompleksowego badania wtórnych odpowiedzi metabolicznych. Wreszcie, możliwe jest również, że sygnatura naszych ekspozycji na dym (Chemia, czas, intensywność) nie była odpowiednia do wywołania reakcji obronnej.
ponieważ w dymie jest wiele związków i tak mało wiemy o tym, jak mogą one wpływać na rośliny, musimy się wiele dowiedzieć o wpływie dymu na funkcjonowanie roślin. Fakt, że różne gatunki roślin mogą wykazywać różne reakcje na dym, oprócz możliwości wytwarzania przez różne gatunki roślin własnych złożonych związków, sugeruje, że mogą istnieć intrygujące role dymu w funkcjonowaniu roślin i ekosystemu.
podziękowania
podziękowania dla Joey ’ a Schmutza za pomoc w sadzeniu i monitorowaniu sadzonek, Erica Smitha za pomoc w narażeniu na dym i przetwarzaniu próbek oraz Mitchella Caldera za pomoc w zbiorach.
