rezumat
fumul provenit de la incendiile forestiere poate persista în mediu timp de săptămâni și, deși există o cantitate substanțială de literatură care examinează efectele expunerii la fum asupra germinării semințelor, efectele fumului asupra funcției frunzelor sunt aproape neinvestigate. Obiectivul acestui studiu a fost de a compara creșterea și răspunsurile metabolice primare și secundare ale angiospermelor de foioase și ale speciilor de conifere veșnic verzi cu expunerea scurtă la fum. Douăzeci de minute de expunere la fum au dus la o reducere cu peste 50% a capacității fotosintetice la cinci din cele șase specii pe care le-am examinat. Afectarea fotosintezei ca răspuns la fum a fost o funcție a reducerilor conductanței stomatale și a limitărilor biochimice. În general, speciile de angiosperme foioase au prezentat o sensibilitate mai mare decât coniferele veșnic verzi. Deși au existat scăderi semnificative ale fotosintezei și conductanței stomatale, fumul nu a avut niciun efect semnificativ asupra creșterii sau producției secundare de compuși de apărare la niciuna dintre speciile de arbori examinate.
1. Introducere
focul a modelat comunitățile de plante terestre în ultimii 350 de milioane de ani . În vestul intermontan, focul a avut un rol integral în structurarea comunităților de plante cu intervale tipice de returnare a focului între 35 și 200 de ani . Fumul produs de incendii variază în funcție de încărcăturile de combustibil, intensitatea și durata arderii și poate persista în aer săptămâni întregi . O mai bună înțelegere a răspunsurilor plantelor la fum devine din ce în ce mai relevantă, deoarece se așteaptă ca anotimpurile de creștere mai lungi și frecvența și durata crescută a secetei proiectate în scenariile climatice viitoare să conducă la o creștere a incendiilor .
aproape toate studiile care examinează efectele fumului asupra fiziologiei și dezvoltării plantelor au fost legate de germinarea semințelor . Se știe relativ puțin despre modul în care fumul influențează metabolismul primar și secundar la plante. Davies și UNAM au studiat efectele incendiilor forestiere din Indonezia asupra fotosintezei și au constatat că, în ciuda creșterii CO2 din incendii, ratele fotosintetice au fost reduse. Gilbert și Ripley au arătat că expunerea la fum a redus conductanța stomatală, rata de asimilare a CO2 și concentrațiile de CO2 din frunze intercelulare.
în teorie, fumul ar putea reduce fotosinteza prin procese fizice și/sau chimice. Din punct de vedere fizic, producția de fum poate duce la deficite de presiune ridicată a vaporilor care pot declanșa închiderea stomatală . Din punct de vedere chimic, peste 100 de compuși au fost identificați în fum . Dintre cele care au fost identificate, se știe că multe au efecte fiziologice asupra plantelor , inclusiv NO2, CO2, SO2 și O3 . O3 a fost legat de distrugerea clorofilei și s-a dovedit, de asemenea, că inhibă canalele K+ care reglează funcția celulei de pază și, la rândul său, controlează deschiderea stomatală . SO2 reduce conductanța stomatală, inhibă evoluția oxigenului fotosintetic și transportul electronilor și inactivează enzimele ciclului Calvin . Atunci când sunt combinate, amestecurile NO2 și SO2 s-au dovedit a inhiba aditiv fotosinteza . Expunerile pe termen lung la NO2 și SO2 arată reduceri ulterioare ale superoxid dismutazei și glutation reductazei , care sunt enzime antioxidante majore în plante . Dezactivarea funcției enzimei antioxidante în combinație cu niveluri ridicate de ozon, un puternic pro-oxidant, poate promova stresul oxidativ în timpul expunerii prelungite la fum.
modificările condițiilor de mediu în urma unui incendiu pot reduce presiunea de stres biotic experimentată de plante. Moritz și Odion au găsit o relație puternică între absența infecției cu Phytophthora ramorum și timpul de la ultima arsură. Ei au sugerat că focul poate inhiba activitatea patogenă prin creșterea disponibilității Ca, care este crucială pentru rezistența plantelor la boli . Microclimatele mai uscate după incendiu pot limita creșterea agenților patogeni fungici, iar Schwartz și colab. a propus ca proprietățile fungicide ale fumului să reducă infecția fungică și creșterea pe frunze .
fumul este un cocktail chimic extrem de complex cu compuși activi din plante care pot furniza informații plantelor din ecosistemele care au suferit recent incendii. De exemplu, fumul este folosit ca un indiciu de semințe în unele specii de plante adaptate la foc ca un semnal că condițiile sunt favorabile pentru germinare, de exemplu,. Butenolida 3-metil-2H-furopiran-2-onă este un compus din fum care induce germinarea . Nu se cunoaște modul în care semințele percep butenolida, dar există dovezi că aceasta declanșează germinarea prin facilitarea absorbției apei . Deoarece există multe schimbări în condițiile de mediu după un incendiu (de ex ., reducerea concurenței, impulsuri nutritive în sol și scăderea încărcărilor patogene), plantele pot folosi fumul ca un indiciu de mediu pentru a iniția alte răspunsuri metabolice și de creștere adaptive.
taninurile condensate și glicozidele fenolice sunt compuși de apărare foliară pe care plantele le produc adesea în concentrații foarte mari (până la 30% greutate uscată la unele specii) pentru a se apăra împotriva atacului erbivor și patogen . Alocarea resurselor pentru producția de chimie de apărare are ca rezultat un compromis în care potențialul de creștere este redus . Plasticitatea în producția de chimie de apărare ca răspuns la schimbările condițiilor de mediu a fost demonstrată . Într-un scenariu postfire, o reducere a agentului patogen și a presiunii insectelor poate duce la o nevoie redusă de niveluri ridicate de compuși secundari de apărare și, prin urmare, permite o alocare mai mare a resurselor pentru creștere și reproducere.
aici investigăm răspunsurile a trei specii de arbori de foioase angiosperme (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) și trei conifere veșnic verzi (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii și Picea pungens) la expunerile de fum pe termen scurt. Presupunem că: (1) expunerea la fum reduce ratele de fotosinteză și conductanța stomatală; (2) fumul servește ca un semnal care are ca rezultat alocarea resurselor de răsad departe de producția de chimie de apărare la creștere.
2. Materiale și metode
șase specii de arbori (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii și Picea pungens) în al doilea an de creștere au fost utilizate ca unități de tratament. Aceste specii au fost alese deoarece au adaptări care le permit să supraviețuiască focului prin rezistență sau regenerare, ceea ce indică faptul că au evoluat ca răspuns la foc. Populus tremuloides (quaking aspen), Acer glabrum (Rocky Mountain maple) și Quercus gambelii (gamble oak) răspund la foc cu resprouting prin fraieri rădăcină . Speciile de conifere veșnic verzi, cum ar fi Pinus ponderosa (pinul ponderosa) și Pseudotsuga menziesii (Brad Douglas) folosesc o strategie de rezistență la foc cu coaja lor groasă . Picea pungens (molid albastru) nu este cunoscut pentru rezistența la foc, dar este util ca o altă specie de conifere veșnic verzi care experimentează în mod regulat foc. Toate aceste specii sunt comune în Munții Stâncoși și sunt specii importante din punct de vedere ecologic. Populus tremuloides a fost cultivat din butași de rădăcini sălbatice dintr-o clonă comună, iar restul de cinci specii au fost obținute din două pepiniere de copaci (cultivatorii de munte Sun, în Kaysville, Utah, și plante sălbatice, Tekoa, Washington) ca răsaduri de rădăcini în ghiveci și goale.
înainte de plantare, rădăcinile răsadurilor au fost spălate și masa plantelor cu greutate proaspătă a fost măsurată. În cadrul fiecărei specii, în studiu au fost folosiți copaci cu masă și înălțime uniformă. În perioada 26-27 martie 2008, fiecare copac a fost transplantat într-o turbă/perlit (3 : 1) – mediu pe bază de 75% -80% sphagnum Canadian turbă mușchi cu gips, perlit, calcar și agent de umectare (Sunshine Mix #1, Sun Gro Horticultură, Bellevue, WA) în ghivece 23,5 cm 11,5 cm2. Patru grame de hrană pentru plante cu eliberare inteligentă Osmocote cu 14-14-14 au fost adăugate la fiecare oală pentru a furniza substanțele nutritive necesare creșterii. Copacii au fost într-o seră controlată de climă pentru restul verii și au fost udate la saturație de două ori pe săptămână.
2.1. Tratamentul fumului
în perioada 26-30 mai 2008, cinci puieți replicați din fiecare specie au fost expuși la fum eșalonat în timp (o replică în fiecare zi, pe o perioadă de cinci zile). Expunerea la fum a avut loc timp de 20 de minute. Un al doilea ciclu de expunere la fum pe aceleași plante a avut loc în perioada 9-13 iunie 2008.
camera de fum a fost fabricată dintr-un răcitor de plastic sigilat (95 cm 38 cm 45 cm). Părți egale de material de frunze uscate obținute de la fiecare dintre cele șase specii de arbori din studiu au fost utilizate pentru a genera fumul. Frunzele au fost arse într-o pâlnie de sticlă montată într-un balon care era conectat la vârful unui balon de sticlă. Balonul a fost răcit într-o baie de gheață pentru a elimina creșterile de temperatură din interiorul camerei. Timp de 25 de secunde, 500 mg de amestec de material de frunze au fost arse în cenușă cu o brichetă de Butan și fumul a fost tras prin tuburile de plastic în cameră folosind un vid conectat la tuburile din partea inferioară a răcitorului. Un ventilator din interiorul răcitorului a dispersat fumul și o lumină fluorescentă din interiorul răcitorului a furnizat niveluri scăzute de lumină. Temperaturile din interiorul camerei de fum nu au depășit niciodată, măsurate de un înregistrator de date Hobo U10-003 (debut Computer Corporation, Pocasset, MA). O a doua cameră identică cu prima a fost utilizată pentru tratamentele de control. Toate procedurile au fost exact aceleași pentru camera de control, cu excepția faptului că materialul frunzelor nu a fost plasat în pâlnia de sticlă.
este dificil să comparăm expunerea noastră la fum cu ceea ce este experimentat în mediul natural, deoarece producția de fum este extrem de variabilă în vestul Americii de Nord . Acest lucru se datorează în parte variațiilor sarcinii de combustibil, consumului de combustibil, ratei Emisiilor și ratelor de dispersie . Încărcăturile mixte de combustibil forestier de conifere pot varia de la 63-112 MT și pădurile aspens de la 20-83 MT . Deoarece am folosit 0,03 MT (suprafața de masă a frunzelor camerei de fum), estimăm că expunerea noastră la fum este mai puțin concentrată decât ceea ce se experimentează într-un incendiu forestier.
2.2. Schimbul de gaze
după expunerea la fum, plantele tratate au fost scoase din camera de fum pentru a măsura ratele de fotosinteză și conductanța stomatală cu un sistem de schimb de gaze (LI-COR 6400, li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Măsurătorile fotosintetice au fost efectuate la o densitate fotosintetică a fluxului fotonic (PPFD) de 1200 mol m−2 s−1 cu sursa de lumină albastru-roșie 6400-04 LED la temperatura și umiditatea ambiantă. Au fost efectuate două măsurători la concentrații de CO2 de 385 ppm și respectiv 1000 ppm, concentrațiile de CO2 fiind obținute folosind mixerul de CO2 pentru a distinge dacă efectele fumului asupra fotosintezei au fost legate de limitările stomatale și/sau biochimice . Măsurătorile au fost inițiate prin sigilarea frunzei în cameră pe cea mai tânără frunză sau ace complet extinse ale fiecărui copac. După ce concentrațiile de CO2 și vapori de apă din camera frunzelor au atins o stare de echilibru (60-90 secunde), s-au înregistrat rate de fotosinteză și conductanță stomatală. Măsurătorile au fost efectuate imediat după expunerea la fum, la 30 de minute după expunere și apoi la fiecare 70 de minute până la 310 minute după aceea.
pentru a calcula suprafața frunzelor pentru frunzele care nu umpleau camera frunzelor, frunzele au fost urmărite pe hârtie care a fost tăiată și apoi măsurată pentru suprafață cu contorul suprafeței frunzelor (Li-Cor 3000, li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, SUA). Zona acului a fost calculată prin scanarea unei imagini a acelor și măsurarea zonei cu imagine Scion Pentru Windows (Frederick, Maryland, SUA).
2.3. Creștere
la 29 iulie 2008, copacii au fost recoltați pentru măsurători de creștere și masă. Înălțimea tulpinii a fost măsurată și apoi răsadul a fost tăiat la nivelul solului și atât rădăcinile, cât și lăstarii au fost uscați la timp de 72 de ore pentru a obține masa uscată folosind un echilibru analitic (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, SUA).
2.4. Chimie secundară
frunzele și acele au fost îndepărtate din răsaduri la nouă săptămâni după expunerea la fum (29 iulie 2008) și ambalate pe gheață uscată înainte de a fi mutate în depozit la pentru analiza ulterioară a glicozidelor fenolice și a taninurilor condensate. Frunzele au fost uscate prin congelare și ace au fost uscate la cuptor timp de 72 de ore. Materialul frunzelor și acului a fost apoi zdrobit într-o moară Wiley folosind un ecran nr. 10. Taninurile au fost cuantificate pentru toate speciile folosind o metodă butanol-HCL modificată descrisă în Porter și colab. , unde aproximativ 50 mg de material de frunze au fost plasate în tuburi de microcentrifuge cu capac cu șurub de 2 mL suspendate în 1 mL soluție de acid ascorbic acetonă-10 mM 70%. Probele au fost apoi vortexate la înălțime timp de 20 de minute. Supernatantul lichid a fost apoi îndepărtat și extracția a fost repetată. Concentrația de tanini a fost apoi cuantificată spectrofotometric (SpectraMax plus 384, MDS, Toronto, Canada) folosind tanini purificați ca standard.
glicozidele fenolice, salicortina și tremulacina, au fost extrase din aproximativ 50 mg de țesut de frunze de aspen (celelalte specii nu conțin niveluri semnificative de glicozide fenolice). Probele de țesut au fost plasate în tuburi de micro-centrifugă cu capac filetat de 2 mL și suspendate în metanol. Probele au fost apoi vortexate pe mare timp de 5 minute. Supernatantul lichid a fost îndepărtat și extracția a fost repetată. Concentrațiile finale de salicortină și tremulacină au fost cuantificate utilizând cromatografie lichidă de înaltă performanță (seria Agilent 1100, Santa Clara, CA, SUA) cu o coloană Luna 2, C18 (150 4,6 mm, 5 m) la un debit de 1 mL/min. Vârfurile compuse au fost detectate folosind o lampă UV la o lungime de undă de 280 nm cu standarde purificate de salicortină și tremulacină izolate din frunze de aspen .
2.5. Analiza statistică
am efectuat un test de Student pentru a testa diferențele în chimia apărării și creșterea. Analiza măsurătorilor repetate a varianței (ANOVA) a fost utilizată pentru a testa efectele expunerii la fum asupra ratelor de fotosinteză de la 30 de minute după expunere la 310 minute după expunere folosind timpul ca factor „în interior”. Omogenitatea varianței și normalității au fost testate cu statistici Shapiro-Wilk W și teste de variație egală. Datele care nu au îndeplinit ipotezele pentru testele parametrice au fost testate folosind un test Wilcox rank sum, în timp ce datele din grafice și tabele au fost netransformate. Analiza statistică a fost efectuată cu ajutorul software-ului statistic JMP versiunea 7 (Institutul Sas, Cary, NC, SUA).
3. Rezultate
toate speciile au prezentat diferențe semnificative în conductanța stomatală și ratele de fotosinteză la 30 de minute după expunere, cu excepția bradului Douglas. Aspen și pinul ponderosa au prezentat cele mai mari reduceri ale fotosintezei (Figura 1). Douglas-brad a arătat inițial o scădere semnificativă a și (datele nu sunt afișate). La două săptămâni după expunere, ratele de fotosinteză au fost măsurate din nou și a existat o recuperare completă la toate speciile (datele nu sunt prezentate).
(a)
(b)
(a)
(b)
(rata maximă de fotosinteză) și (conductanța stomatală) după 30 de minute de expunere la fum. Singura specie fără diferențe semnificative între tratamente (la nivel) a fost Douglas-brad.
analiza măsurătorilor repetate privind ratele de fotosinteză la 1000 ppm, CO2 a arătat un efect semnificativ de timp (- valoare ) în care ratele de fotosinteză s-au recuperat din expunerea la fum pe măsură ce timpul a progresat (Figura 2). La 1000 ppm a existat, de asemenea, o interacțiune semnificativă între timp și tipul de specie(angiosperme de foioase și conifere veșnic verzi) (-valoare = .0073) cu specii de angiosperme de foioase care prezintă o recuperare mai lentă (Figura 2). La 385 ppm CO2, timpul a fost singurul efect semnificativ în modelul de măsuri repetate (-valoare =.0209). Tipul de specie a fost marginal semnificativ (- valoare = .0709).
(a)
(b)
(a)
(b)
rate scăzute de fotosinteză exprimate ca diferență procentuală față de control atât la ambient (a) (385 ppm), cât și la saturarea (b) (1000 ppm) CO2 concentrații.
nu au existat diferențe semnificative în ceea ce privește creșterea, taninurile condensate sau glicozidele fenolice (Figura 3; Datele nu au fost prezentate pentru acestea din urmă).
(a)
(b)
(a)
(b)
comparații ale biomasei și taninurilor condensate în probele și controalele expuse la fum. Nu au existat diferențe semnificative între tratamentele oricărei specii.
4. Discuție
datele sunt în concordanță cu prima noastră ipoteză că expunerea la fum reduce ratele de fotosinteză. Compararea răspunsurilor fotosintetice la concentrațiile ambientale și saturarea CO2 sugerează că fumul afectează funcția fotosintetică prin reducerea conductanței stomatale și prin afectarea funcției biochimice (Figura 2). Rezultatele noastre arată pentru prima dată că sensibilitatea fotosintetică la fum are loc într-o eșantionare diversă de specii de arbori și că există o variație largă a sensibilității între aceste specii.
din cauza complexității constituenților fumului, este greu de identificat ce substanțe chimice pot afecta negativ fotosinteza. Diferiți compuși din fum, cum ar fi NO și NO2, afectează speciile de plante în grade diferite . Am constatat că coniferele veșnic verzi s-au recuperat inițial din expunerea la fum mai repede decât angiospermele de foioase (Figura 2). La treizeci de minute după terminarea tratamentelor cu fum, numai Douglas-fir și-a revenit complet (ratele inițiale scăzute de fotosinteză nu au fost prezentate) (Figura 1). Deși coniferele veșnic verzi s-au recuperat mai repede decât angiospermele de foioase, nu au existat modificări ale modelelor de creștere sau ale producției de chimie de apărare ca răspuns la expunerile la fum (Figura 3). Acest lucru indică faptul că nu au existat efecte pe termen lung din expunerile noastre relativ scurte de fum de 20 de minute.
de ce coniferele veșnic verzi s-au recuperat inițial mai repede decât angiospermele de foioase nu se cunoaște. Speciile de plante pot dezvolta toleranță la poluanții despre care se știe că afectează fotosinteza . Toleranța mai mare la coniferele veșnic verzi ar putea fi rezultatul diferitelor strategii de foc, în care stejarul gamble, arțarul rocky mountain și aspenul folosesc o strategie de supraviețuire a moralității exagerate urmată de regenerarea asexuată la un moment ulterior . În schimb, speciile de conifere veșnic verzi, inclusiv pinul ponderosa și bradul Douglas, folosesc o strategie de rezistență la foc cu coaja lor groasă, care permite supraviețuirii . Presupunem că speciile care folosesc o strategie de rezistență la foc ar avea o nevoie mai mare de a dezvolta mecanisme de toleranță pentru a evita efectele negative ale expunerii acului la fum pentru perioade lungi de timp.
rezultatele sunt incompatibile cu a doua ipoteză că fumul modifică modelele de creștere sau alocarea chimiei de apărare. Este probabil ca două expuneri la fum de 20 de minute să fie insuficiente pentru a provoca un răspuns de creștere. În vestul Americii de Nord, plantele pot fi expuse la fum pe scări de săptămâni până la luni, așa cum este revizuit în . Expunerile la fum de o asemenea lungime sunt impracticabile în studiile controlate, dar datele privind inelele copacilor ar putea fi utilizate pentru a examina corelațiile dintre ratele de creștere și amploarea fumului pe parcursul sezonului estival, dacă pot fi luați în considerare alți factori de confuzie.
există câteva motive posibile pentru care nu am găsit diferențe semnificative în chimia apărării ca răspuns la tratamentele cu fum. În primul rând, pentru aspen, se știe că diferite genotipuri răspund diferit la schimbările de mediu . Aici am folosit doar un genotip și care ar putea duce la lipsa răspunsurilor care apar în alte genotipuri de aspen. În al doilea rând, spre deosebire de germinarea semințelor, plantele nu pot folosi fumul ca indiciu pentru răspunsurile fiziologice ale frunzelor după foc. În al treilea rând, în timp ce ne-am uitat la doi compuși importanți de apărare bazați pe cantitate și funcție, cu siguranță nu am efectuat un studiu cuprinzător al răspunsurilor metabolice secundare. În cele din urmă, este de asemenea posibil ca semnătura expunerilor noastre la fum (chimie, sincronizare, intensitate) să nu fie adecvată pentru a provoca un răspuns de apărare.
deoarece există mulți compuși în fum și știm atât de puțin despre modul în care pot afecta plantele, avem multe de învățat despre influența fumului asupra funcției plantelor. Faptul că diferite specii de plante pot prezenta răspunsuri variate la fum, pe lângă potențialul diferitelor specii de plante de a-și produce propria suită complexă de compuși, sugerează că pot exista unele roluri interesante pentru fum în funcția plantelor și a ecosistemului.
recunoaștere
mulțumiri sunt date lui Joey Schmutz pentru a ajuta la plantarea și monitorizarea răsadurilor, Eric Smith pentru asistență în expunerea la fum și prelucrarea probelor și Mitchell Calder pentru a ajuta la recoltare.
