Efeitos Fisiológicos da Exposição à Fumaça em Caducas e Coníferas Espécies de Árvores

Resumo

a Fumaça de incêndios florestais podem persistir no ambiente por semanas e, embora haja uma quantidade considerável de literatura examinar os efeitos da exposição à fumaça sobre a germinação de sementes, os efeitos do fumo em folha função são cerca de investigação. O objetivo deste estudo foi comparar o crescimento e as respostas metabólicas primárias e secundárias de angiospermas decíduos e espécies de coníferas perenes com exposição curta ao fumo. Vinte minutos de exposição à fumaça resultaram em uma redução de mais de 50% na capacidade fotossintética em cinco das seis espécies que examinamos. O comprometimento da fotossíntese em resposta à fumaça foi função de reduções na condutância estomática e limitações bioquímicas. Em geral, as espécies de angiospermas decíduas mostraram uma sensibilidade maior do que as coníferas perenes. Embora houvesse reduções significativas na fotossíntese e na condutância estomática, a fumaça não teve efeito significativo no crescimento ou na produção secundária de compostos de defesa em nenhuma das espécies arbóreas examinadas.

1. Introdução

o fogo moldou as comunidades de plantas terrestres nos últimos 350 milhões de anos . No Intermountain West, o fogo teve um papel integral na estruturação de comunidades de plantas com intervalos típicos de retorno de fogo entre 35 e 200 anos . A fumaça produzida a partir de incêndios varia com as cargas de combustível, intensidade e duração da queima, e pode persistir no ar por semanas . Uma melhor compreensão das respostas das plantas ao fumo está se tornando cada vez mais relevante à medida que as estações de crescimento mais longas e o aumento da frequência e duração da seca projetadas em cenários climáticos futuros devem resultar em um aumento nos incêndios florestais .

quase todos os estudos que examinam os efeitos da fumaça na fisiologia e desenvolvimento das plantas foram vinculados à germinação das sementes . Relativamente pouco se sabe sobre como a fumaça influencia o metabolismo primário e secundário nas plantas. Davies e Unam estudaram os efeitos dos incêndios florestais na Indonésia na fotossíntese e descobriram que, apesar do aumento do CO2 dos incêndios, as taxas fotossintéticas foram reduzidas. Gilbert e Ripley mostraram que a exposição à fumaça reduziu a condutância estomática, a taxa de assimilação de CO2 e as concentrações intercelulares de CO2 foliar.

em teoria, a fumaça poderia reduzir a fotossíntese por meio de processos físicos e/ou químicos. Fisicamente, a produção de fumaça pode levar a déficits de alta pressão de vapor que podem desencadear o fechamento estomático . Quimicamente, mais de 100 compostos foram identificados na fumaça . Dos que foram identificados, muitos são conhecidos por terem efeitos fisiologicamente nas plantas , incluindo NO2, CO2, SO2 e O3 . O3 tem sido associado à destruição da clorofila e também demonstrou inibir os canais K+ que regulam a função das células de guarda e, por sua vez, controla a abertura estomática . O SO2 reduz a condutância estomática, inibe a evolução fotossintética do oxigênio e o transporte de elétrons e inativa as enzimas do ciclo de Calvin . Quando combinadas, as misturas NO2 e SO2 demonstraram inibir aditivamente a fotossíntese . Exposições de longo prazo a NO2 e SO2 mostram reduções subsequentes na superóxido dismutase e glutationa redutase , que são as principais enzimas antioxidantes nas plantas . A desativação da função enzimática antioxidante em conjunto com altos níveis de ozônio, um poderoso pró-oxidante, pode promover o estresse oxidativo durante a exposição prolongada à fumaça.

mudanças nas condições ambientais após um incêndio podem reduzir a pressão de estresse biótico experimentada pelas plantas. Moritz e Odion encontraram uma forte relação entre a ausência de infecção de Phytophthora ramorum e o tempo desde a última queimadura. Eles sugeriram que o fogo pode inibir a atividade do patógeno aumentando a disponibilidade de Ca, o que é crucial para a resistência das plantas às doenças . Microclimas mais secas após o fogo podem limitar o crescimento de patógenos fúngicos, e Schwartz et al. propôs que as propriedades fungicidas da fumaça reduzissem a infecção fúngica e o crescimento nas folhas .

a fumaça é um coquetel químico altamente complexo com compostos ativos vegetais que podem fornecer informações às plantas em ecossistemas que sofreram fogo recentemente. Por exemplo, a fumaça é usada como uma sugestão por sementes em algumas espécies de plantas adaptadas ao fogo como um sinal de que as condições são favoráveis para a germinação, por exemplo, . Butenolide 3-methyl-2h-furopyran-2-one é um composto na fumaça que induz a germinação . Não se sabe como a semente percebe o butenoleto, mas há evidências de que ela desencadeia a germinação, facilitando a absorção de água . Como há muitas mudanças nas condições ambientais após um incêndio (por exemplo,, redução da competição, pulsos de nutrientes no solo e diminuição das cargas de patógenos), as plantas podem usar a fumaça como uma sugestão ambiental para iniciar outras respostas metabólicas e de crescimento adaptativas.Taninos condensados e glicosídeos fenólicos são compostos de defesa foliar que as plantas freqüentemente produzem em concentrações muito altas (até 30% de peso seco em algumas espécies) para se defender contra herbivoria e ataque de patógenos . A alocação de recursos para a produção de química de defesa resulta em uma compensação em que o potencial de crescimento é reduzido . A plasticidade na produção química de defesa em resposta a mudanças nas condições ambientais foi demonstrada . Em um cenário pós-incêndio, uma redução na pressão de patógenos e insetos pode resultar em uma necessidade reduzida de altos níveis de compostos de defesa secundários e, assim, permitir uma maior alocação de recursos para o crescimento e reprodução. Aqui, investigamos as respostas de três angiospermas decíduas (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) e três coníferas perenes (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii e Picea pungens) espécies de árvores a exposições de fumaça de curto prazo. Hipotetizamos que: (1) a exposição à fumaça reduz as taxas de fotossíntese e condutância estomática; (2) a fumaça serve como um sinal que resulta na alocação de recursos de mudas longe da produção de química de defesa para o crescimento.

2. Materiais e Métodos

Seis espécies de árvores (Populus tremuloides, Acer glabrum, a Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii, e Picea pungens), em seu segundo ano de crescimento foram utilizadas como unidades de tratamento. Essas espécies foram escolhidas porque possuem adaptações que lhes permitem sobreviver ao fogo por meio de resistência ou regeneração, o que indica que evoluíram em resposta ao fogo. Populus tremuloides (quaking aspen), Acer glabrum (Rocky Mountain maple) e Quercus gambelii (gamble oak) respondem ao fogo com resprouting através de otários de raiz . Espécies de coníferas perenes, como Pinus ponderosa (Pinheiro ponderosa) e Pseudotsuga menziesii (Douglas-fir) empregam uma estratégia de resistência ao fogo com sua casca espessa . Picea pungens (abeto azul) não é conhecido pela resistência ao fogo, mas é útil como outra espécie de Conífera perene que experimenta regularmente fogo. Todas essas espécies são comuns nas Montanhas Rochosas e são espécies ecologicamente importantes. Populus tremuloides foi cultivado a partir de estacas de raízes selvagens de um clone comum, e as cinco espécies restantes foram obtidas de dois viveiros de árvores (Sun Mountain growers, em Kaysville, Utah, e plantas da natureza, Tekoa, Washington) como mudas de vasos e raízes nuas.

antes do plantio, as raízes das mudas foram lavadas e a massa vegetal de peso fresco foi medida. Dentro de cada espécie, árvores de massa e altura uniformes foram utilizadas no estudo. De 26 a 27 de Março de 2008, cada árvore foi transplantada para uma turfa / perlita (3 : 1) – meio baseado de musgo de turfa Canadense de 75% -80% sphagnum com gesso, perlita, calcário e agente molhante (Sunshine Mix #1, horticultura Sun Gro, Bellevue, WA) em vasos 23,5 cm 11,5 cm2. Quatro gramas de Osmocote Smart Release Plant Food com 14-14-14 foram adicionados a cada vaso para fornecer os nutrientes necessários para o crescimento. As árvores estavam em uma estufa controlada pelo clima durante o restante do verão e foram regadas até a saturação duas vezes por semana.

2.1. De 26 a 30 de Maio de 2008, cinco mudas replicadas de cada espécie foram expostas a fumaça escalonada ao longo do tempo (uma replicada a cada dia, durante um período de cinco dias). A exposição à fumaça ocorreu por 20 minutos. Um segundo ciclo de exposição à fumaça nas mesmas plantas ocorreu de 9 a 13 de junho de 2008.

a câmara de fumaça foi fabricada a partir de um refrigerador de plástico selado (95 cm 38 cm 45 cm). Partes iguais de material foliar seco obtidas de cada uma das seis espécies arbóreas do estudo foram utilizadas para gerar a fumaça. As folhas foram queimadas em um funil de vidro colocado em um frasco que estava conectado ao topo de um frasco de vidro. O frasco foi resfriado em um banho de gelo para eliminar aumentos de temperatura dentro da Câmara. Por 25 segundos, 500 mg de mistura de material foliar foram queimados até cinzas com um isqueiro de butano e a fumaça foi puxada através de tubos de plástico para a câmara usando um vácuo conectado à tubulação na parte inferior do refrigerador. Um ventilador dentro do refrigerador dispersou a fumaça e uma luz fluorescente dentro do refrigerador forneceu baixos níveis de luz. As temperaturas dentro da câmara de fumaça nunca excederam, conforme medido por um registrador de dados Hobo U10-003 (Onset Computer Corporation, Pocasset, MA). Uma segunda câmara idêntica à primeira foi usada para tratamentos de controle. Todos os procedimentos foram exatamente os mesmos para a câmara de controle, com exceção de que o material foliar não foi colocado no funil de vidro.

é difícil comparar nossa exposição à fumaça com o que é experimentado em ambientes naturais, pois a produção de fumaça é extremamente variável no oeste da América do Norte . Isso se deve em parte às variações na carga de combustível, consumo de combustível, taxa de emissões e taxas de dispersão . As cargas de combustível da floresta de coníferas mistas podem variar de 63 A 112 MT e as florestas de álamos de 20 a 83 MT . Como usamos 0,03 MT (área de massa foliar da câmara de fumaça), estimamos que nossa exposição à fumaça seja menos concentrada do que a experimentada em um incêndio florestal.

2.2. Troca gasosa

após a exposição à fumaça, as plantas tratadas foram removidas da câmara de fumaça para medir as taxas de fotossíntese e condutância estomática com um sistema de troca gasosa (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). As medições fotossintéticas foram feitas em uma densidade de fluxo de fótons fotossintéticos (PPFD) de 1200 mol m−2 s−1 com a fonte de luz azul-vermelha de 6400-04 LED em temperatura ambiente e umidade. Duas medições foram feitas em concentrações de CO2 de 385 ppm e 1000 ppm, respectivamente, com concentrações de CO2 sendo alcançadas usando o misturador de CO2 para distinguir se os efeitos da fumaça na fotossíntese estavam relacionados a limitações estomáticas e/ou bioquímicas . As medições foram iniciadas selando a folha na câmara na folha ou agulhas totalmente expandidas mais jovens de cada árvore. Depois que as concentrações de CO2 e vapor de água na câmara foliar atingiram um estado estacionário (60-90 segundos), as taxas de fotossíntese e condutância estomática foram registradas. As medições foram feitas imediatamente após a exposição ao fumo, 30 minutos após a exposição, e depois a cada 70 minutos até 310 minutos depois.

para calcular a área foliar para folhas que não preenchiam a câmara foliar, as folhas foram traçadas em papel que foi cortado e então medido para a área com o medidor de área foliar (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, EUA). A área da agulha foi calculada digitalizando uma imagem das agulhas e medindo a área com imagem Scion para Janelas (Frederick, Maryland, EUA).

2.3. Crescimento

em 29 de julho de 2008, as árvores foram colhidas para medições de crescimento e massa. A altura do caule foi medida e, em seguida, a muda foi cortada ao nível do solo e ambas as raízes e brotos foram secos por 72 horas para obter massa seca usando um balanço analítico (GENEMATE GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, EUA).

2.4. Química secundária

folhas e agulhas foram removidas das mudas nove semanas após a exposição à fumaça (29 de julho de 2008) e embaladas em gelo seco antes de serem transferidas para armazenamento em para análise posterior de glicosídeos fenólicos e taninos condensados. As folhas foram liofilizadas e as agulhas foram secas no forno por 72 horas. O material da folha e da agulha foi então esmagado em um moinho Wiley usando uma tela no.10. Os taninos foram quantificados para todas as espécies usando um método butanol-HCL modificado descrito em Porter et al. , onde aproximadamente 50 mg de material foliar foram colocados em tubos de microcentrífuga de tampa de rosca de 2 mL suspensos em 1 mL de acetona a 70%-solução de ácido ascórbico de 10 mM. As amostras foram então vortexadas em alta por 20 minutos. O sobrenadante líquido foi então removido e a extração foi repetida. A concentração de taninos foi então quantificada espectrofotometricamente (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Canadá) usando taninos purificados como padrão.

os glicosídeos fenólicos, salicortina e tremulacina, foram extraídos de aproximadamente 50 mg de tecido foliar de álamo tremedor (as outras espécies não contêm níveis significativos de glicosídeos fenólicos). As amostras de tecido foram colocadas em tubos de micro-centrífuga de tampa de rosca de 2 mL e suspensas em metanol. As amostras foram então vortexadas em alta por 5 minutos. O sobrenadante líquido foi removido e a extração foi repetida. As concentrações finais de salicortina e tremulacina foram quantificadas usando cromatografia líquida de alto desempenho (Série Agilent 1100, Santa Clara, CA, EUA) com coluna Luna 2, C18 (150 4,6 mm, 5 m) a uma taxa de fluxo de 1 mL/min. Picos compostos foram detectados usando uma lâmpada UV em um comprimento de onda de 280 nm com padrões de salicortina e tremulacina purificados isolados de folhas de álamo tremedor .

2.5. Análise estatística

executamos o teste de um aluno para testar as diferenças na química e no crescimento da defesa. A análise de variância de medidas repetidas (ANOVA) foi usada para testar os efeitos da exposição à fumaça nas taxas de fotossíntese de 30 minutos após a exposição a 310 minutos após a exposição usando o tempo como o fator “dentro”. Homogeneidade de variância e normalidade foram testadas com estatística de Shapiro-Wilk W e testes de variância igual. Os dados que não atenderam aos pressupostos para os testes paramétricos foram testados por meio de um teste Wilcox rank sum, enquanto os dados nos gráficos e tabelas não foram transformados. A análise estatística foi realizada usando o software estatístico JMP versão 7 (SAS Institute, Cary, NC, EUA).

3. Resultados

todas as espécies apresentaram diferenças significativas na condutância estomática e taxas de fotossíntese 30 minutos após a exposição, exceto para Douglas-fir. O pinheiro Aspen e ponderosa apresentaram as maiores reduções na fotossíntese (Figura 1). Douglas-fir inicialmente mostrou uma diminuição significativa em e (dados não mostrados). Duas semanas após a exposição, as taxas de fotossíntese foram medidas novamente e houve uma recuperação completa em todas as espécies (dados não mostrados).

(a)

b)

(a)
b)

Figura 1

(taxa máxima de fotossíntese) e (stomatal condutância) após 30 minutos de exposição à fumaça. A única espécie sem diferenças significativas entre os tratamentos (em nível) foi Douglas-fir.

a análise de medidas repetidas sobre as taxas de fotossíntese a 1000 ppm, CO2 mostrou um efeito de tempo significativo (-valor ) em que as taxas de fotossíntese se recuperaram da exposição à fumaça com o passar do tempo (Figura 2). A 1000 ppm houve também uma interação significativa entre o tempo e o tipo de espécie (angiospermas decíduas e coníferas perenes) (- valor = .0073) com espécies de angiospermas decíduas mostrando recuperação mais lenta (Figura 2). A 385 ppm de CO2, o tempo foi o único efeito significativo no modelo de medidas repetidas (- valor =.0209). O tipo de espécie foi marginalmente significativo (- valor = .0709).

(a)

b)

(a)
b)

Figura 2

Diminuição das taxas de fotossíntese, expresso como porcentagem de diferença do controle no ambiente (a) (385 ppm) e de saturação (b) (1000 ppm), as concentrações de CO2.

não houve diferenças significativas para o crescimento, taninos condensados, ou glicosídeos fenólicos (Figura 3; dados não apresentados para os últimos).

(a)

b)

(a)
b)

Figura 3

Comparações de biomassa e taninos condensados de fumaça expostas amostras e controlos. Não houve diferenças significativas entre os tratamentos de qualquer espécie.

4. Discussão

os dados são consistentes com nossa primeira hipótese de que a exposição ao fumo reduz as taxas de fotossíntese. A comparação das respostas fotossintéticas nas concentrações de CO2 ambiente e saturante sugere que a fumaça afeta a função fotossintética, reduzindo a condutância estomática e através do comprometimento da função bioquímica (Figura 2). Nossos resultados mostram pela primeira vez que a sensibilidade fotossintética à fumaça ocorre em uma amostragem diversificada de espécies arbóreas e que há ampla variação na sensibilidade entre essas espécies.

devido à complexidade dos constituintes da fumaça, é difícil identificar quais produtos químicos podem estar afetando adversamente a fotossíntese. Diferentes compostos na fumaça, como NO e NO2, afetam as espécies de plantas em graus variados . Descobrimos que as coníferas perenes inicialmente se recuperaram da exposição à fumaça mais rapidamente do que as angiospermas decíduas (Figura 2). Trinta minutos após o término dos tratamentos com fumaça, apenas Douglas-fir se recuperou completamente (taxas iniciais diminuídas de fotossíntese não mostradas) (Figura 1). Embora as coníferas perenes tenham se recuperado mais rapidamente do que as angiospermas decíduas, não houve mudanças nos padrões de crescimento ou na produção de química de defesa em resposta às exposições à fumaça (Figura 3). Isso indica que não houve efeitos a longo prazo de nossas exposições relativamente curtas de fumaça de 20 minutos.

por que as coníferas perenes inicialmente se recuperaram mais rápido do que as angiospermas decíduas é desconhecida. As espécies de plantas podem desenvolver tolerância a poluentes que afetam a fotossíntese. A maior tolerância em coníferas perenes pode ser resultado das diferentes estratégias de fogo, nas quais gamble oak, rocky mountain maple e aspen empregam uma estratégia de sobrevivência de moralidade exagerada seguida por regeneração assexuada em algum momento posterior . Em contraste, as espécies de coníferas perenes, incluindo o pinheiro ponderosa e o abeto de Douglas, empregam uma estratégia de resistência ao fogo com sua casca espessa que permite que a sobrecarga sobreviva . Levantamos a hipótese de que as espécies que empregam uma estratégia de resistência ao fogo teriam uma necessidade maior de desenvolver mecanismos de tolerância para evitar os efeitos negativos da exposição da agulha à fumaça por longos períodos de tempo.

os resultados são inconsistentes com as segundas hipóteses de que o fumo altera os padrões de crescimento ou alocação para a química de defesa. É provável que duas exposições de fumaça de 20 minutos sejam insuficientes para provocar uma resposta de crescimento. No oeste da América do Norte, as plantas podem ser expostas ao fumo em escalas de semanas a meses, conforme revisado em . As exposições de fumaça de tal comprimento são impraticáveis em estudos controlados, mas os dados do anel de árvore podem ser usados para examinar as correlações entre as taxas de crescimento e a extensão da fumaça durante a temporada de verão, se outros fatores de confusão puderem ser contabilizados.

existem algumas razões possíveis pelas quais não encontramos diferenças significativas na química da defesa em resposta aos tratamentos com fumaça. Primeiro, para aspen, sabe-se que diferentes genótipos respondem de maneira diferente às mudanças ambientais . Aqui, usamos apenas um genótipo e isso pode resultar em Respostas ausentes que ocorrem em outros genótipos de aspen. Em segundo lugar, em contraste com a germinação das sementes, as plantas podem não usar fumaça como uma sugestão para respostas fisiológicas das folhas após o fogo. Em terceiro lugar, enquanto analisamos dois compostos de defesa importantes com base na quantidade e função, certamente não realizamos uma pesquisa abrangente das respostas metabólicas secundárias. Finalmente, também é possível que a assinatura de nossas exposições à fumaça (química, tempo, intensidade) não tenha sido adequada para provocar uma resposta de defesa. Como existem muitos compostos na fumaça e sabemos tão pouco sobre como eles podem afetar as plantas, temos muito a aprender sobre a influência da fumaça na função das plantas. O fato de que diferentes espécies de plantas podem mostrar respostas variadas à fumaça, além do potencial de diferentes espécies de plantas produzirem seu próprio conjunto complexo de compostos, sugere que pode haver alguns papéis intrigantes para a fumaça na função de plantas e ecossistemas.

reconhecimento

agradecimentos são dados a Joey Schmutz por ajudar a plantar e monitorar as mudas, Eric Smith para assistência na exposição ao fumo e processamento de amostras, e Mitchell Calder para ajudar na colheita.