Isoprene emission from aspen (Populus sp.) in relation to environmental drivers
Laen...
Kuupäev
2013
Kättesaadav alates
Autorid
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Eesti Maaülikool
Abstrakt
Isoprene is the most abundant biogenic volatile organic compound (BVOC) emitted from a wide range of plant species. Isoprene plays important roles in plant physiology and atmospheric photochemistry. Emission of isoprene depends on plant ontogenetic development and is driven by short-term and long-term variations in environmental factors. In particular, the rise of atmospheric [CO2] and concomitant increases in temperature are potentially the key factors influencing isoprene emissions in future climates. The main aim of this thesis was to study the effects of elevated atmospheric [CO2] and plant ontogenetic stage on isoprene emissions from strong isoprene emitter aspen [European aspen (Populus tremula) and hybrid aspen P. tremula x P. tremuloides)] in order to improve the understanding of how acclimation to elevated growth [CO2] and ontogeny alter isoprene emission responses to instantaneous variations in environmental drivers. The present thesis tested five hypotheses: (i) Elevated growth [CO2] stimulates leaf area growth and leads to increased canopy isoprene emission rates; (ii) Elevated growth [CO2] alters both isoprene emission capacity and modifies isoprene emission responses to instantaneous variations in [CO2]; (iii) Elevated growth [CO2] modifies both the availability of the substrate for isoprene synthesis and isoprene synthase activity, and this results in altered isoprene emission responses to other environmental drivers such as light and temperature; (iv) Elevated [CO2] acclimated plants have a greater heat stress resistance by enhanced isoprene emissions at higher temperature; (v) With increasing leaf age, isoprene emission capacity decreases, but still adjusts to variations in environmental temperature in aging leaves. The effects of elevated [CO2] on isoprene emission were studied in 2-year-old hybrid aspen (P. tremula x P. tremuloides) grown at atmospheric CO2 concentrations of 380 mol mol-1 (ambient) and 780 mol mol-1 (elevated). On the canopy scale, isoprene emission rate under elevated [CO2] significantly exceeded that under current ambient [CO2]. The main reason for this response was stimulation of canopy leaf area growth by elevated [CO2] that exceeded the high [CO2]-inhibition of isoprene emission at leaf level. Under moderate temperatures, instantaneous increase in [CO2] inhibited isoprene emission rate by decreases in DMADP pool size. Long-term elevation in growth [CO2] also resulted in moderately lower isoprene emission rate due to lower DMADP pool size. However, this response was partly compensated by enhanced isoprene synthase activity. Elevated growth [CO2] enhanced hybrid aspen foliar photosynthetic and isoprene emission capacity, coupled with more developed photosynthetic tissues, e.g. higher mesophyll thickness and chloroplast number. The response curves of isoprene emission rate versus light and intercellular [CO2] were also modified by acclimation to elevated [CO2]. Elevated [CO2] grown plants had significantly higher isoprene emission rate under saturating light intensity and at low intercellular CO2 concentration close to the CO2 compensation point of photosynthesis, but a lower quantum yield of isoprene emission. Elevated growth [CO2] improved hybrid aspen thermotolerance reflected in lower depression of net assimilation rate coupled with higher isoprene emission rate, particularly under strong light and high [CO2]. Changes in isoprene emission rate during leaf ontogeny were studied from late summer to intensive leaf fall in mature trees of European aspen. Net assimilation and isoprene emission capacities decreased during senescence, and these changes we correlated with reductions in leaf nitrogen content. However, the decrease in isoprene emission rate was slower than in assimilation rate, and isoprene emission rate still adjusted to environmental temperature in senescing leaves. However, the temperature acclimation capacity was less in senescing leaves compared to leaves in mid-season. Taken together, the influence of elevated growth [CO2] on isoprene emission is multifaceted. Acclimation to elevated growth [CO2] may enhance canopy scale isoprene emission rate in moderate conditions, but especially under stress conditions. For accurate predictions of isoprene emissions under future conditions with higher atmospheric [CO2] and warmer temperatures, it is essential to consider the effects of plant acclimation to environment and ontogenetic stage. It is particularly important to consider both leaf- and canopy-scale processes.
Isopreen on üks enam levinud biogeenne orgaaniline lenduvühend (BVOC – biogenic volatile organic compound), mida emiteerivad paljud taimeliigid. Isopreenil on oluline roll taimede füsioloogias ja atmosfääri fotokeemilistes protsessides. Isopreeni emissiooni mõjutab taime ontogeneetiline areng ning keskkonnategurite lühi- ja pikaajalised muutused. Atmosfääris suurenev CO2-sisaldus ja kaasnev temperatuuri tõus on võtmetegurid, mis võivad mõjutada isopreeni emissiooni tuleviku kliima tingimustes. Väitekirja peamine eesmärk oli uurida atmosfääris suurenenud CO2-sisalduse ja taime ontogeneetilise arengu mõju tugeva isopreeni eritajana tuntud haavale - harilikule haavale (Populus tremula) ja hübriidhaavale (P. tremula x P. tremuloides) ja osata paremini selgitada, kuidas kohanemine suurenenud CO2-sisaldusega ja ontogenees mõjutavad isopreeni eritamise kaudu taimede vastuseid lühiajalistele keskkonnategurite muutustele. Käesolevas töös kontrolliti viit hüpoteesi: (I) CO2 suurenenud sisaldus ergutab lehe pindala kasvu, mille tõttu kasvab võra lehtedest isopreeni eritamise kiirus; (II) CO2 suurenenud sisaldus muudab nii isopreeni eritamise võimet kui ka isopreeni eritamist lühiajaliselt muutuvates [CO2] tingimustes; (III) suurenenud [CO2] muudab nii substraadi valmisolekut isopreeni sünteesiks kui ka isopreeni süntaasi aktiivsust, mille tagajärjel muutub isopreeni eritamine tulenevalt ka teistest keskkonnateguritest nagu näiteks valgus ja tempeatuur; (IV) õhu suurenenud [CO2]-ga kohastunud taimed on kuumastressile vastupidavamad tänu isopreeni eritamise suurenemisele kõrgematel temperatuuridel; (V) lehe vananemisel isopreeni eritamise võime väheneb, reageerides siiski keskkonna temperatuuri muutustele lehe vananemise jooksul. Käesolevas töös uuriti isopreeni emissiooni 2-aastastel hübriidhaabadel (P. tremula x P. tremuloides), mis olid kasvanud erinevates tingimustes: ümbritsevas õhus, kus [CO2] oli 380 ϻmol mol-1 ja CO2 suurenenud sisaldusega õhus, kus [CO2] oli 780 ϻmol mol-1. Ümbritseva õhuga võrreldes oli suurenenud [CO2]-ga keskkonnas taimede isopreeni eritamise kiirus oluliselt suurem. Peamiseks põhjuseks oli suurenenud [CO2] mõjul lehestiku pindala suurenemine, mille mõju ületas samal ajal lehe tasandil toimunud isopreeni eritamise vähenemise. Mõõduka temperatuuri tingimustes pärssis lühiajaline [CO2] suurenemine isopreeni eritamise kiirust DMADP hulga vähenemisega. Pikaajaliselt suurenenud [CO2] tingimuses oli samuti isopreeni eritamine DMADP hulga vähenemise tõttu väiksem, kuid isopreeni süntaasi aktiivsuse tõus kompenseeris selle osaliselt. Suurenenud [CO2] ergutas hübriidhaava lehestiku fotosünteesi ja isopreeni eritamise võimet, millega kaasnes suurem fotosünteesiva koe hulk nagu paksem mesofüll ja kloroplastide arv. Isopreeni eritamise kiiruse ja rakkude vahelise CO2-sisalduse ning valguse sõltuvust väljendav kõver muutus samuti koos taimede kohastumisega suurenenud [CO2] tingimustes. Taimedel, mis olid kasvanud suurenenud [CO2]-ga keskkonnas, võis jälgida oluliselt suuremat isopreeni eritust küllastunud valguse ja rakkude vahelise madala CO2-sisalduse juures, mis asus fotosünteesi CO2 kompenseerimispunkti lähedal, kuid isopreeni eritamise kvantsaagis oli seejuures väiksem. Suurenenud [CO2]-ga keskkonnas kasvamine suurendas taimede termotolerantsi, mis peegeldus CO2 netoassimilatsiooni väiksemas depressioonis, millega kaasnes suurem isopreeni eritamise kiirus, eriti intensiivse valguse ja kõrge [CO2] tingimustes. Isopreeni eritamise kiiruse muutumist uuriti hariliku haava täiskasvanud puudel hilissuvest kuni intensiivse lehtede langemise ajani. CO2 netoassimilatsioon ja isopreeni eritamise võime vähenes lehestiku vananemise perioodil, korreleerudes lehe lämmastiku sisalduse vähenemisega. Kuigi isopreeni eritamise kiiruse vähenemine oli aeglasem kui CO2 assimilatsioon, kohanes isopreeni eritamise kiirus vananevates lehtedes vastavalt keskkonna temperatuurile. Kokkuvõtvalt võib väita, et suurenenud [CO2]-ga keskkonna mõju isopreeni eritamisele on mitmetine. Mõõdukates tingimustes võib suurenenud [CO2]-ga kohastumine ergutada isopreeni eritamist võras lehestiku tasandil, seda eriti stressi korral. Isopreeni emissiooni täpseks ennustamiseks, pidades silmas suurenenud [CO2]-ga ja temperatuuriga tuleviku kliimat, on oluline arvestada taimede kohastumist keskkonna ja taimede ontogeneetilisi etappe. Eriti oluline on võtta arvesse mõlemaid, nii lehe kui ka võras lehestiku tasandil toimuvaid protsesse.
Isopreen on üks enam levinud biogeenne orgaaniline lenduvühend (BVOC – biogenic volatile organic compound), mida emiteerivad paljud taimeliigid. Isopreenil on oluline roll taimede füsioloogias ja atmosfääri fotokeemilistes protsessides. Isopreeni emissiooni mõjutab taime ontogeneetiline areng ning keskkonnategurite lühi- ja pikaajalised muutused. Atmosfääris suurenev CO2-sisaldus ja kaasnev temperatuuri tõus on võtmetegurid, mis võivad mõjutada isopreeni emissiooni tuleviku kliima tingimustes. Väitekirja peamine eesmärk oli uurida atmosfääris suurenenud CO2-sisalduse ja taime ontogeneetilise arengu mõju tugeva isopreeni eritajana tuntud haavale - harilikule haavale (Populus tremula) ja hübriidhaavale (P. tremula x P. tremuloides) ja osata paremini selgitada, kuidas kohanemine suurenenud CO2-sisaldusega ja ontogenees mõjutavad isopreeni eritamise kaudu taimede vastuseid lühiajalistele keskkonnategurite muutustele. Käesolevas töös kontrolliti viit hüpoteesi: (I) CO2 suurenenud sisaldus ergutab lehe pindala kasvu, mille tõttu kasvab võra lehtedest isopreeni eritamise kiirus; (II) CO2 suurenenud sisaldus muudab nii isopreeni eritamise võimet kui ka isopreeni eritamist lühiajaliselt muutuvates [CO2] tingimustes; (III) suurenenud [CO2] muudab nii substraadi valmisolekut isopreeni sünteesiks kui ka isopreeni süntaasi aktiivsust, mille tagajärjel muutub isopreeni eritamine tulenevalt ka teistest keskkonnateguritest nagu näiteks valgus ja tempeatuur; (IV) õhu suurenenud [CO2]-ga kohastunud taimed on kuumastressile vastupidavamad tänu isopreeni eritamise suurenemisele kõrgematel temperatuuridel; (V) lehe vananemisel isopreeni eritamise võime väheneb, reageerides siiski keskkonna temperatuuri muutustele lehe vananemise jooksul. Käesolevas töös uuriti isopreeni emissiooni 2-aastastel hübriidhaabadel (P. tremula x P. tremuloides), mis olid kasvanud erinevates tingimustes: ümbritsevas õhus, kus [CO2] oli 380 ϻmol mol-1 ja CO2 suurenenud sisaldusega õhus, kus [CO2] oli 780 ϻmol mol-1. Ümbritseva õhuga võrreldes oli suurenenud [CO2]-ga keskkonnas taimede isopreeni eritamise kiirus oluliselt suurem. Peamiseks põhjuseks oli suurenenud [CO2] mõjul lehestiku pindala suurenemine, mille mõju ületas samal ajal lehe tasandil toimunud isopreeni eritamise vähenemise. Mõõduka temperatuuri tingimustes pärssis lühiajaline [CO2] suurenemine isopreeni eritamise kiirust DMADP hulga vähenemisega. Pikaajaliselt suurenenud [CO2] tingimuses oli samuti isopreeni eritamine DMADP hulga vähenemise tõttu väiksem, kuid isopreeni süntaasi aktiivsuse tõus kompenseeris selle osaliselt. Suurenenud [CO2] ergutas hübriidhaava lehestiku fotosünteesi ja isopreeni eritamise võimet, millega kaasnes suurem fotosünteesiva koe hulk nagu paksem mesofüll ja kloroplastide arv. Isopreeni eritamise kiiruse ja rakkude vahelise CO2-sisalduse ning valguse sõltuvust väljendav kõver muutus samuti koos taimede kohastumisega suurenenud [CO2] tingimustes. Taimedel, mis olid kasvanud suurenenud [CO2]-ga keskkonnas, võis jälgida oluliselt suuremat isopreeni eritust küllastunud valguse ja rakkude vahelise madala CO2-sisalduse juures, mis asus fotosünteesi CO2 kompenseerimispunkti lähedal, kuid isopreeni eritamise kvantsaagis oli seejuures väiksem. Suurenenud [CO2]-ga keskkonnas kasvamine suurendas taimede termotolerantsi, mis peegeldus CO2 netoassimilatsiooni väiksemas depressioonis, millega kaasnes suurem isopreeni eritamise kiirus, eriti intensiivse valguse ja kõrge [CO2] tingimustes. Isopreeni eritamise kiiruse muutumist uuriti hariliku haava täiskasvanud puudel hilissuvest kuni intensiivse lehtede langemise ajani. CO2 netoassimilatsioon ja isopreeni eritamise võime vähenes lehestiku vananemise perioodil, korreleerudes lehe lämmastiku sisalduse vähenemisega. Kuigi isopreeni eritamise kiiruse vähenemine oli aeglasem kui CO2 assimilatsioon, kohanes isopreeni eritamise kiirus vananevates lehtedes vastavalt keskkonna temperatuurile. Kokkuvõtvalt võib väita, et suurenenud [CO2]-ga keskkonna mõju isopreeni eritamisele on mitmetine. Mõõdukates tingimustes võib suurenenud [CO2]-ga kohastumine ergutada isopreeni eritamist võras lehestiku tasandil, seda eriti stressi korral. Isopreeni emissiooni täpseks ennustamiseks, pidades silmas suurenenud [CO2]-ga ja temperatuuriga tuleviku kliimat, on oluline arvestada taimede kohastumist keskkonna ja taimede ontogeneetilisi etappe. Eriti oluline on võtta arvesse mõlemaid, nii lehe kui ka võras lehestiku tasandil toimuvaid protsesse.
Kirjeldus
Märksõnad
haab, hübriidhaab, süsinikdioksiid, keskkonnategurid, isopreen, ontogenees, dissertatsioonid