fysiologiska effekter av rökexponering på löv-och Barrträdsarter

Abstract

rök från skogsbränder kan kvarstå i miljön i veckor och medan det finns en betydande mängd litteratur som undersöker effekterna av rökexponering på frögroning, är effekterna av rök på bladfunktionen nästan oundersökta. Syftet med denna studie var att jämföra tillväxt och primära och sekundära metaboliska svar av lövfällande angiosperm och vintergröna barrträdsarter till kort rökexponering. Tjugo minuters rökexponering resulterade i en mer än 50% minskning av fotosyntetisk kapacitet hos fem av de sex arter vi undersökte. Försämring av fotosyntes som svar på rök var en funktion av minskningar av stomatal konduktans och biokemiska begränsningar. I allmänhet visade lövformiga angiospermarter en större känslighet än vintergröna barrträd. Medan det fanns signifikanta minskningar i fotosyntes och stomatal konduktans, rök hade ingen signifikant effekt på tillväxt eller sekundär försvarsförening produktion i någon av de undersökta trädarterna.

1. Inledning

eld har format markbundna växtsamhällen under de senaste 350 miljoner åren . I Intermountain West har eld haft en integrerad roll i att strukturera växtsamhällen med typiska brandåtergångsintervall mellan 35 och 200 år . Rök som produceras från bränder varierar med bränslebelastningen, intensiteten och varaktigheten av bränningen och kan kvarstå i luften i veckor . En bättre förståelse för växternas svar på rök blir allt mer relevant eftersom längre växtsäsonger och ökad torkfrekvens och varaktighet som projiceras under framtida klimatscenarier förväntas leda till en ökning av skogsbränder .

nästan alla studier som undersöker effekterna av rök på växtfysiologi och utveckling har varit knutna till frögroning . Relativt lite är känt om hur rök påverkar primär och sekundär metabolism i växter. Davies och Unam studerade effekterna av skogsbränder i Indonesien på fotosyntes och fann att trots ökningar av CO2 från bränderna sänktes fotosyntetiska hastigheter. Gilbert och Ripley visade att rökexponering minskade stomatal konduktans, CO2-assimileringshastighet och intercellulära blad CO2-koncentrationer.

i teorin kan rök minska fotosyntesen genom fysiska och/eller kemiska processer. Fysiskt kan rökproduktion leda till underskott med högt ångtryck som kan utlösa stomatal stängning . Kemiskt har över 100 föreningar identifierats i rök . Av de som har identifierats är många kända för att ha fysiologiskt effekter på växter, inklusive NO2 , CO2, SO2 och O3 . O3 har kopplats till förstörelsen av klorofyll och har också visat sig hämma K+ – kanalerna som reglerar skyddscellfunktionen och i sin tur styr stomatal öppning . SO2 minskar stomatal konduktans, hämmar fotosyntetisk syreutveckling och elektrontransport och inaktiverar Calvin-cykelenzymer . När de kombineras har NO2-och SO2-blandningar visat sig hämma fotosyntesen additivt . Långsiktiga exponeringar mot NO2 och SO2 visar efterföljande minskningar av superoxiddismutas och glutationreduktas , som är viktiga antioxidantenzymer i växter . Inaktiveringen av antioxidantenzymfunktionen i samband med höga nivåer av ozon, en kraftfull prooxidant, kan främja oxidativ stress under förlängd rökexponering.

förändringar i miljöförhållanden efter en brand kan minska det biotiska spänningstrycket som växter upplever. Moritz och Odion fann ett starkt samband mellan frånvaron av infektion av Phytophthora ramorum och tid sedan senaste bränningen. De föreslog att eld kan hämma patogenaktivitet genom att öka tillgängligheten av Ca, vilket är avgörande för växtresistens mot sjukdom . Torrare mikroklimat efter brand kan begränsa svamppatogentillväxten, och Schwartz et al. föreslog att de fungicida egenskaperna hos rök minskade svampinfektion och tillväxt på löv .

rök är en mycket komplex kemisk cocktail med växtaktiva föreningar som kan ge information till växter i ekosystem som nyligen har upplevt eld. Till exempel, rök används som en kö av frön i vissa brand anpassade växtarter som en signal om att förhållandena är gynnsamma för groning, till exempel,. Butenolid 3-metyl-2H-furopyran-2-On är en förening i rök som inducerar spiring . Det är okänt hur fröet uppfattar butenoliden men det finns bevis för att det utlöser spiring genom att underlätta upptag av vatten . Eftersom det finns många förändringar i miljöförhållandena efter en brand (t. ex., minskad konkurrens, näringspulser i jorden och minskade patogenbelastningar) kan växter använda rök som en miljökod för att initiera andra adaptiva metaboliska och tillväxtsvar.

kondenserade tanniner och fenolglykosider är bladförsvarsföreningar som växter ofta producerar i mycket höga koncentrationer (upp till 30% torrvikt hos vissa arter) för att försvara sig mot växtätande och patogenattack . Allokering av resurser till försvarskemiproduktion resulterar i en avvägning där tillväxtpotentialen minskar . Plasticitet i försvarskemiproduktion som svar på förändringar i miljöförhållanden har visats . I ett postfire-scenario kan en minskning av patogen-och insektstryck resultera i ett minskat behov av höga nivåer av sekundära försvarsföreningar och därigenom möjliggöra en större resursallokering till tillväxt och reproduktion.

här undersöker vi svaren från tre Lövfällande angiosperm (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii) och tre vintergröna barrträd (Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii och Picea pungens) trädslag på kortvariga rökexponeringar. Vi antar att: (1) exponering för rök minskar andelen fotosyntes och stomatal konduktans; (2) rök fungerar som en signal som resulterar i fördelningen av plantor resurser bort från försvarskemi produktion till tillväxt.

2. Material och metoder

sex trädarter (Populus tremuloides, Acer glabrum, Quercus gambelii, Pinus ponderosa, Pseudotsuga menziesii och Picea pungens) under deras andra tillväxtår användes som behandlingsenheter. Dessa arter valdes eftersom de har anpassningar som gör att de kan överleva eld genom motstånd eller regenerering, vilket indikerar att de har utvecklats som svar på eld. Populus tremuloides (quaking aspen), Acer glabrum (Rocky Mountain maple) och Quercus gambelii (gamble oak) svarar på eld med resprouting genom rotsugare . Vintergröna barrträdsarter som Pinus ponderosa (ponderosa pine) och Pseudotsuga menziesii (Douglas-fir) använder en strategi för brandmotstånd med sin tjocka bark . Picea pungens (blågran) är inte känt för brandbeständighet men det är användbart som en annan vintergrön barrträdsart som regelbundet upplever eld. Alla dessa arter är vanliga i Rocky Mountains och är ekologiskt viktiga arter. Populus tremuloides odlades från vilda rotstickor från en vanlig klon, och de återstående fem arterna erhölls från två trädkammare (Sun Mountain growers, i Kaysville, Utah, och Plants of the Wild, Tekoa, Washington) som krukväxter och nakna rotplantor.

före plantering tvättades plantorötter och färsk vikt växtmassa mättes. Inom varje art användes träd med enhetlig massa och höjd i studien. Den 26-27 mars 2008 transplanterades varje träd i en torv / perlit (3 : 1) – baserat medium av 75% -80% Kanadensisk Sphagnum torvmossa med gips, perlit, kalksten och vätmedel (Sunshine Mix #1, Sun Gro Horticulture, Bellevue, WA) i krukor 23,5 cm 11,5 cm2. Fyra gram Osmocote Smart Release växtmat med 14-14-14 tillsattes till varje kruka för att ge nödvändiga näringsämnen för tillväxt. Träden var i ett klimatkontrollerat växthus under resten av sommaren och vattnades till mättnad två gånger i veckan.

2.1. Rökbehandling

från 26-30 maj 2008 utsattes fem replikerade plantor av varje art för rök förskjutna över tiden (en replikera varje dag under en femdagarsperiod). Rökexponering inträffade i 20 minuter. En andra cykel av rökexponering på samma växter inträffade från 9-13 juni 2008.

rökkammaren tillverkades av en förseglad plastkylare (95 cm 38 cm 45 cm). Lika delar av torkat Bladmaterial erhållet från var och en av de sex trädarterna i studien användes för att generera röken. Bladen förbränns i en glastratt monterad i en kolv som var ansluten till toppen av en glasflaska. Kolven kyldes i ett isbad för att eliminera temperaturökningar inuti kammaren. Under 25 sekunder brändes 500 mg bladmaterialblandning till aska med en butantändare och röken drogs genom plaströr in i kammaren med hjälp av ett vakuum anslutet till slangen längst ner på kylaren. En fläkt inuti kylaren dispergerade röken och ett fluorescerande ljus inuti kylaren gav låga ljusnivåer. Temperaturen inuti rökkammaren överskred aldrig, mätt med en Hobo U10 – 003 datalogger (Onset Computer Corporation, Pocasset, MA). En andra kammare identisk med den första användes för kontrollbehandlingar. Alla procedurer var exakt desamma för kontrollkammaren med undantag för att Bladmaterial inte placerades i glastratten.

det är svårt att jämföra vår rökexponering med vad som upplevs i naturliga miljöer eftersom rökproduktionen är extremt varierande i västra Nordamerika . Detta beror delvis på variationer i bränslebelastning, bränsleförbrukning, utsläppshastighet och spridningshastigheter . Blandade barrskogsbränslebelastningar kan variera från 63-112 MT och aspens skogar från 20-83 MT . Eftersom vi använde 0.03 MT (leaf mass area of smoke chamber) uppskattar vi att vår rökexponering är mindre koncentrerad än vad som upplevs i en skogsbrand.

2.2. Gasutbyte

efter rökexponering avlägsnades de behandlade växterna från rökkammaren för att mäta hastigheter för fotosyntes och stomatal konduktans med ett gasutbytessystem (LI-COR 6400, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE). Fotosyntetiska mätningar gjordes vid en fotosyntetisk fotonflödestäthet (PPFD) på 1200 mol m−2 s−1 med 6400-04 LED blåröd ljuskälla vid omgivande temperatur och fuktighet. Två mätningar gjordes vid CO2-koncentrationer av 385 ppm respektive 1000 ppm, med CO2-koncentrationer som uppnås med hjälp av CO2-mixern för att skilja om rökeffekter på fotosyntes var relaterade till stomatala och/eller biokemiska begränsningar . Mätningar initierades genom att försegla bladet i kammaren på det yngsta helt expanderade bladet eller nålarna i varje träd. Efter att CO2-och vattenångkoncentrationerna i bladkammaren nådde ett stabilt tillstånd (60-90 sekunder) loggades fotosynteshastigheter och stomatal konduktans. Mätningar gjordes omedelbart efter rökexponering, 30 minuter efter exponering och därefter var 70: e minut till 310 minuter därefter.

för att beräkna bladytan för löv som inte fyllde bladkammaren spårades löv på papper som klipptes ut och mättes sedan för yta med bladytmätaren (Li-Cor 3000, Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA). Nålområdet beräknades genom att skanna en bild av nålarna och mätområdet med Scion-bild för Windows (Frederick, Maryland, USA).

2.3. Tillväxt

den 29 juli 2008 skördades träden för tillväxt och massmätningar. Stamhöjden mättes och sedan klipptes plantan av på marknivå och både rötter och skott torkades i 72 timmar för att erhålla torr massa med hjälp av en analytisk balans (GeneMate GP-600, ISC Bioexpress, Kaysville, UT, USA).

2.4. Sekundär Kemi

löv och nålar avlägsnades från plantorna nio veckor efter rökexponering (29 juli 2008) och packades på torris innan de flyttades till lagring vid för senare analys av fenolglykosider och kondenserade tanniner. Bladen frystorkades och nålar torkades i ugnen i 72 timmar. Blad-och nålmaterial krossades sedan i en Wiley-Kvarn med en skärm nr 10. Tanniner kvantifierades för alla arter med användning av en modifierad butanol-HCL-metod som beskrivs i Porter et al. , där cirka 50 mg Bladmaterial placerades i 2 mL mikrocentrifugrör med skruvlock suspenderade i 1 mL 70% aceton-10 mM askorbinsyralösning. Proverna vortexerades sedan högt i 20 minuter. Den flytande supernatanten avlägsnades sedan och extraktionen upprepades. Koncentrationen av tanniner kvantifierades sedan spektrofotometriskt (SpectraMax Plus 384, MDS, Toronto, Kanada) med användning av renade tanniner som standard.

fenolglykosiderna, salicortin och tremulacin, extraherades från cirka 50 mg aspbladvävnad (de andra arterna innehåller inte signifikanta nivåer av fenolglykosider). Vävnadsproverna placerades i 2 mL skruvlock mikrocentrifugrör och suspenderades i metanol. Proverna vortexerades sedan högt i 5 minuter. Den flytande supernatanten avlägsnades och extraktionen upprepades. Slutliga koncentrationer av salicortin och tremulacin kvantifierades med användning av högpresterande vätskekromatografi (Agilent 1100-serien, Santa Clara, CA, USA) med en Luna 2, C18-kolonn (150 4, 6 mm, 5 m) vid en flödeshastighet av 1 mL/min. Sammansatta toppar detekterades med användning av en UV-lampa vid en våglängd av 280 nm med renade salikortin-och tremulacinstandarder isolerade från aspblad .

2.5. Statistisk analys

vi körde ett Studenttest för att testa för skillnader i försvarskemi och tillväxt. Upprepade mått variansanalys (ANOVA) användes för att testa effekterna av rökexponering på fotosynteshastigheter från 30 minuter efter exponering till 310 minuter efter exponering med tiden som ”inom” – faktorn . Homogenitet av varians och normalitet testades med Shapiro-Wilk w-statistik och lika varianstest. Data som inte uppfyllde antagandena för de parametriska testerna testades med hjälp av ett Wilcox rank sum-test, medan data i graferna och tabellerna inte omvandlades. Statistisk analys utfördes med hjälp av JMP version 7 statistisk programvara (SAS Institute, Cary, NC, USA).

3. Resultat

alla arter visade signifikanta skillnader i stomatal konduktans och fotosynteshastigheter 30 minuter efter exponering, förutom Douglas-gran. Aspen och ponderosa pine visade de största minskningarna av fotosyntesen (Figur 1). Douglas-fir visade initialt en signifikant minskning av och (data visas inte). Två veckor efter exponering mättes fotosyntesfrekvensen igen och det var en fullständig återhämtning hos alla arter (data visas inte).

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 1

(maximal fotosyntes) och (stomatal konduktans) efter 30 minuters rökexponering. Den enda arten utan signifikanta skillnader mellan behandlingarna (på nivå) var Douglas-gran.

den upprepade måttanalysen på fotosynteshastigheter vid 1000 ppm, CO2 visade en signifikant tidseffekt (-värde ) där fotosynteshastigheter återhämtade sig från rökexponering när tiden gick framåt (Figur 2). Vid 1000 ppm fanns också en signifikant interaktion mellan tid och artstyp(lövformiga angiospermer och vintergröna barrträd) (-värde = .0073) med Lövfällande angiosperm arter som visar långsammare återhämtning (Figur 2). Vid 385 ppm CO2 var tiden den enda signifikanta effekten i modellen för upprepade mått (-värde =.0209). Arttypen var marginellt signifikant (- värde = .0709).

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 2

minskade fotosynteshastigheter uttryckt som procentuell skillnad från kontroll vid både omgivande (a) (385 ppm) och mättande (b) (1000 ppm) CO2-koncentrationer.

det fanns inga signifikanta skillnader för tillväxt, kondenserade tanniner eller fenolglykosider (Figur 3; data som inte visas för den senare).

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 3

jämförelser av biomassa och kondenserade tanniner i rökexponerade prover och kontroller. Det fanns inga signifikanta skillnader mellan behandlingar av någon art.

4. Diskussion

uppgifterna överensstämmer med vår första hypotes att rökexponering minskar andelen fotosyntes. Jämförelse av fotosyntetiska svar vid omgivande och mättande CO2-koncentrationer tyder på att rök påverkar fotosyntetisk funktion genom att minska stomatal konduktans och genom försämring av biokemisk funktion (Figur 2). Våra resultat visar för första gången att fotosyntetisk känslighet för rök uppstår över ett varierat urval av trädslag och att det finns en omfattande variation i känslighet mellan dessa arter.

på grund av komplexiteten hos rökbeståndsdelar är det svårt att fastställa vilka kemikalier som kan påverka fotosyntesen negativt. Olika föreningar i rök, såsom NO och NO2, påverkar växtarter i varierande grad . Vi fann att de vintergröna barrträden ursprungligen återhämtade sig från rökexponeringen snabbare än de lövformiga angiospermerna (Figur 2). Trettio minuter efter att rökbehandlingarna hade avslutats hade endast Douglas-fir återhämtat sig fullständigt (initiala minskade fotosynteshastigheter visas inte) (Figur 1). Även om vintergröna barrträd återhämtade sig snabbare än Lövfällande angiospermer, fanns det inga förändringar i tillväxtmönster eller försvarskemiproduktion som svar på rökexponeringar (Figur 3). Detta indikerar att det inte fanns några långsiktiga effekter från våra relativt korta 20-minuters rökexponering.

varför de vintergröna barrträden ursprungligen återhämtade sig snabbare än Lövfällande angiospermer är okänt. Växtarter kan utveckla tolerans mot föroreningar som är kända för att påverka fotosyntesen . Den större toleransen hos vintergröna barrträd kan vara ett resultat av de olika brandstrategierna, där gamble oak, rocky mountain maple och aspen använder en överlevnadsstrategi för överhistorisk moral följt av asexuell regenerering någon gång senare . Däremot använder vintergröna barrträdsarter inklusive ponderosa pine och Douglas-fir en strategi för brandmotstånd med sin tjocka bark som gör att överhistorien kan överleva . Vi antar att arter som använder en strategi för brandmotstånd skulle ha ett större behov av att utveckla toleransmekanismer för att undvika de negativa effekterna av nålexponering för rök under längre tidsperioder.

resultaten är inkonsekventa med andra hypoteser som rök förändrar tillväxtmönster eller allokering till försvarskemi. Det är troligt att två 20-minuters rökexponeringar är otillräckliga för att framkalla ett tillväxtsvar. I västra Nordamerika, växter kan utsättas för rök på skalor veckor till månader, som granskas i . Rökexponeringar av sådan längd är opraktiska i kontrollerade studier, men trädringdata kan potentiellt användas för att undersöka korrelationer mellan tillväxthastigheter och rökutsträckning under sommarsäsongen om andra förvirrande faktorer kan redovisas.

det finns några möjliga orsaker till att vi inte hittade några signifikanta skillnader i försvarskemi som svar på rökbehandlingar. För det första är det för ASP känt att olika genotyper svarar annorlunda på miljöförändringar . Här använde vi bara en genotyp och det kan leda till saknade svar som förekommer i andra aspen-genotyper. För det andra, i motsats till frögroning, får växter inte använda rök som en ledtråd för fysiologiska bladsvar efter eld. För det tredje, medan vi tittade på två viktiga försvarsföreningar baserade på kvantitet och funktion, genomförde vi verkligen inte en omfattande undersökning av sekundära metaboliska svar. Slutligen är det också möjligt att signaturen för våra rökexponeringar (Kemi, timing, intensitet) inte var tillräcklig för att framkalla ett försvarssvar.

eftersom det finns många föreningar i rök och vi vet så lite om hur de kan påverka växter, har vi mycket att lära oss om rökens påverkan på växtfunktionen. Det faktum att olika växtarter kan visa olika svar på rök, förutom potentialen för olika växtarter att producera sin egen komplexa serie föreningar, föreslår att det kan finnas några spännande roller för rök i växt-och ekosystemfunktion.

bekräftelse

tack ges till Joey Schmutz för att hjälpa till att plantera och övervaka plantorna, Eric Smith för hjälp med rökexponering och provbehandling och Mitchell Calder för att hjälpa till med skörden.