Planter, der trækker nitrogen fra den tynde luft, trives i tørre miljøer

Efter en omfattende undersøgelse af planter i hele USA er forskere nået frem til den uventede konklusion, at planter, der er i stand til at fikse atmosfærisk kvælstof, er mest forskelligartede i tørre områder af landet. Dette fund er i modstrid med den gængse antagelse om, at nitrogenfiksere bør være forholdsvis mest forskelligartede i miljøer, hvor kvælstof i jorden er begrænset.

Resultaterne var særligt overraskende i betragtning af, at nitrogenfiksere mangler de egenskaber, der ofte forbindes med tørre jorde, såsom de tykke vandlagrende stængler af kaktusser. "Ved første øjekast ser nitrogenfiksere ikke nødvendigvis ud til at være tilpasset til tørre økosystemer," sagde hovedforfatter Joshua Doby, en doktorgradsstuderende i afdelingen for biologi ved University of Florida.

Årsagen til dette uventede mønster var ikke umiddelbart klar, men Doby formoder, at det er relateret til den måde, nitrogenfiksere og ikke-fiksere bruger elementet på.

Planter bliver kreative for at erhverve nitrogen

Planter inkorporerer nitrogen i næsten enhver struktur og reaktion, der finder sted i deres celler. Uden det ville de ikke være i stand til at producere proteiner, skabe enzymer eller endda fotosyntetisere. Med så høj efterspørgsel efter nitrogen er det ofte en af ​​de største grænser for plantevækst – der er simpelthen ikke nok af det til at gå rundt.

For at kompensere for denne mangel har planter gentagne gange udviklet innovative måder at presse så meget nitrogen ud af deres omgivelser som muligt. Venusfluefælder og klæbrige soldug har udviklet strukturer til at stjæle nitrogen fra insekter, møgmos vokser udelukkende på dyreekskrementer, og de modificerede blade fra nogle kandeplanter giver et hjem for rasende flagermus i bytte for den nitrogenrige afføring, de efterlader.

Mens nitrogen kan være svært at finde i jord, er der en næsten uendelig forsyning, der hænger lige uden for rækkevidde. Nitrogengas udgør omkring 78 % af Jordens atmosfære, men ligesom en person, der dør af tørst, mens den er tabt på havet, er planter fuldstændig ude af stand til at absorbere den.

Bakterier har på den anden side mestret tricket med at fiksere atmosfærisk nitrogen ved flere lejligheder. En tilfældig alliance mellem sådan en bakterie og en plante førte til en af ​​de største botaniske strålinger på Jorden, hvilket gav anledning til bønnefamilien, som i dag indeholder mere end 18.000 arter. Rødderne af mange bønneplanter producerer hule knuder, der fremmer bakterievækst. Planterne pumper disse forkamre fulde af sukker for at fodre deres bakterielle partnere og udvinde det nitrogen, de udleder som affald.

Botanikere har i årtier spekuleret i, at planter, der huser nitrogenfikserende bakterier, burde være mere forskelligartede i økosystemer som savanner og græsarealer. Skovebrande fejer jævnligt gennem disse miljøer og forvandler træer og buske spækket med næringsstoffer til røg og aske, der er blæst væk. Alle næringsstoffer, der forbliver i jorden efter en brand, kan glide under røddernes rækkevidde, når det regner, før spirende planter har en chance for at absorbere dem.

Nitrogenfiksering forberedte planter til en køligere, tørrere planet

Forskere fra Florida Museum of Natural History, Louisiana State University og Mississippi State University satte sig for at bestemme, hvilke miljøfaktorer der spillede den største rolle i udformningen af ​​nitrogenfikserende plantesamfund i USA. Ved hjælp af data fra National Ecological Observatory Network (NEON) analyserede de registreringer for både hjemmehørende og invasive arter fra mere end 40 steder i hele USA, inklusive Puerto Rico.

Ifølge deres resultater steg antallet af nitrogenfiksere i nitrogenfattige miljøer og faldt i gradvist tørrere levesteder, som forventet. Tørre miljøer understøtter generelt færre plantearter end dem, der får mere nedbør, og nitrogenfiksere er ingen undtagelse fra denne regel.

Overraskelsen kom, da forskere så specifikt på mangfoldigheden af ​​indfødte nitrogenfiksere. Selvom der var færre arter til stede, steg mangfoldigheden af ​​hjemmehørende nitrogenfiksere kraftigt i tørre områder, uanset mængden af ​​tilgængeligt kvælstof i jorden.

Forskellen mellem antallet af arter – kaldet artsrigdom – og mangfoldighed svarer til at vælge en farvepalet. En palet med 16 nuancer af blå indeholder flere nuancer end en palet med otte komplementære farver; dog indeholder den anden palet et større udvalg af farver og spænder over et bredere spektrum af synligt lys.

Der er tusindvis af blomstrende plantearter, der rummer kvælstoffikserende bakterier, og ofte kan individer, der kun er fjernt beslægtede med hinanden, vokse side om side i ørkener og kratsletter. Disse omfatter velkendte eksempler, såsom mesquite og elletræer.

Mens tørelskende planter som kaktusser har udviklet en række træk, der gør det muligt for dem at trives i ørkener, mener Doby, at planter med et rigt lager af nitrogen har en indbygget fordel. "Det er ikke nødvendigvis, fordi tørhed driver mangfoldighed," sagde han. "Planter, der har mere nitrogen, har tykkere neglebånd, hvilket gør dem modstandsdygtige over for vandtab."

De fleste nitrogenfikserende planteslægter fik deres start i kridttiden, da dinosaurerne stadig eksisterede, og temperaturerne var højere, end de er i dag. I løbet af de sidste 50 millioner år er jordens klima gradvist afkølet og tørret, hvilket har udløst dannelsen af ​​vidtstrakte græsarealer og store ørkener. Planter, der ikke kunne skære det i disse nye miljøer, blev gradvist luget ud, forklarer Doby, mens mange nitrogenfiksere, der var velegnede til denne nye verden, varierede i de forladte landskaber.

"Denne undersøgelse giver os en rigtig god idé om, hvorfor plantesamfund er, som de er i dag," sagde Doby og tilføjede, at han bekymrer sig om, at forhold, der understøtter forskellige floraer i tørre områder, måske ikke varer meget længere. "Efterhånden som tingene bliver vådere og varmere på grund af klimaændringer, vil de egenskaber, der gjorde disse planter veltilpassede og mangfoldige, ikke være særlig gavnlige længere. Mange af de unikke plantesamfund, vi har omkring i dag, vil være i fare i på lang sigt."

Forskningen blev offentliggjort i Global Ecology and Biogeography . + Udforsk yderligere

Dyrkning af kornafgrøder med mindre gødning