Kandidatforsker undersøger, hvordan svampe og ild gør det muligt for fyrresavanne-økosystemet at trives

For de fleste mennesker, ild symboliserer ødelæggelse og død. Alligevel tilpasser naturen sig ofte til ild og kan bruge den som en kreativ kraft. For eksempel, i fyrresavannaerne i det sydøstlige USA, ild fungerer som en puppe, hvorfra græsarealer og skove spreder nye stængler og folder friske blade ud.

Jacob Hopkins, en kandidatstuderende ved Kansas Biological Survey og Department of Ecology &Evolutionary Biology ved University of Kansas, forsker i, hvordan en skjult allieret hjælper planter og træer i dette økosystem med at blomstre med ild:svampene, der lever i jorden og blandt de nedbrydende blade og plantemateriale på toppen af ​​jorden, kaldet kuld.

"På fyrresavannaerne, vi tænker på brand som en nulstillingskontakt, " sagde Hopkins. "Det forhindrer fyrretræerne i at tage over og kan forhindre invasive arter i at komme ind. Det forynger økosystemet, og efter at økosystemet er brændt, ser vi en større mangfoldighed af arter - især græsarealer."

Med et nyligt annonceret National Science Foundation Graduate Research Fellowship, Hopkins vil bruge de næste mange år på at undersøge forholdet mellem ild og den måde, svampe og planter i fyrresavanne støtter hinanden på, kaldet "mutualismer". NSF Graduate Research Fellowships betaler amerikansk statsborgerstuderende $34, 000 om året plus en $12, 000,- til uddannelsesgodtgørelse over tre år.

"En plante-svamp mutualisme er, når en mykorrhizal svampeart danner en association med rødderne af en værtsplante, " sagde Hopkins. "Der vil ofte være en udveksling af ressourcer mellem de to. Med græsarealer, svampe giver planter fosfor og får kul eller sukker til gengæld. Men vi ser også gensidighed i træer, hvor træer får nitrogen fra svampe og svampe, på tur, modtage kulstof eller sukker. At danne disse associationer kan hjælpe planter med at modstå angreb fra insekter eller patogener, eller det kan øge plantens konkurrenceevne til at vokse i et økosystem."

Hopkins' arbejde vil omfatte feltstudier af fyrresavanne i det amerikanske sydøst, hvor han vil vurdere plante- og jordsamfund før og efter afbrænding, og se hvordan plante-svampe-mutualismer fremmer ligevægt og brandtilpasning i økosystemet.

"Jeg har været til Georgia flere gange, " sagde han. "Vi tager jordkerner fra forskellige plots, vi har forudvalgt for at overvåge bakterie- og svampediversiteten. Vi ser på nedbrydning af planteaffald af svampe, bakterie, samt nogle mikroorganismer. Med nedbrydningsposer, vi ser på brændt versus uforbrændt – eller hvordan forskellige frekvenser af brand kan påvirke svampenes nedbrydningsevne, og hvordan det samme planteaffald fungerer som brændstof til fremtidige steder."

KU-studerende sagde, at fyrresavanne ikke kun er videnskabeligt dybtgående, men smukt at se.

"Du vil se disse gigantiske træer - nogle er mere end 600 år gamle og har de største stammer, du nogensinde har set på et træ, der er flere etager højt, " sagde Hopkins. "Lige ved siden af, der er forholdsvis små græsmarksplanter. Vi vil ofte finde Gopher skildpadde huler, en truet art. Der er de rødhårede spætter - en virkelig pæn fugl. Vi vil nogle gange se klapperslanger derude. Der er så meget blomster- og faunadiversitet, at du altid ser noget nyt og lærer noget bare ved at observere. Det er et godt sted at gå hen for at få ideer til fremtidige eksperimenter. Du siger, 'Åh, Det har jeg aldrig set før!' Du kan finde en masse videnskabelig inspiration derude."

Tilbage i Lawrence, Hopkins vil udføre tests på prøver for at bestemme, hvad der udgør mikrobe- og plantesamfundet i fyrresavanne; at finde ud af, om der eksisterer efter-brand tilpassede plante-mikrobielle mutualismer; at se, om mutualister driver ændringer i sammensætningen af ​​affald og producerede brændstoffer; og at opdage, om ild favoriserer nedbrydningshæmmende plante-svampe-mutualismer.

En del af arbejdet vil omfatte genetisk analyse af det store antal svampe, der findes i jorden, hvoraf de fleste forbliver ubeskrevne af videnskaben. I blot én prøve, Hopkins sagde, at der kunne være tusindvis af arter.

"Fra sekvenseringen, de fandt omkring 12, 000 taxa - nogle kunne være den samme art, men der er stadig en del diversitet der, " sagde han. "Vi kunne identificere omkring tusind af dem, knap 1/12 af prøverne kunne vi give et artsnavn. I det store hele, vi vil måske aldrig være i stand til at indhente og sætte navn på hver art."

Hopkins' nye NSF-stipendium vil muliggøre forskningen, sammen med at hjælpe med undervisning og udgifter, mens han arbejder hen imod en doktorgrad under mentorskab af Benjamin Sikes, KU adjunkt i økologi &evolutionsbiologi og seniorforsker ved Biologisk Undersøgelse.

"Mit laboratorium undersøger, hvordan ild kan flytte jordens mikrobielle samfund og ændre hastigheden af ​​mikrobiel nedbrydning af nye brændstoffer, " sagde Sikes. "Disse data ser ud til at vise positive tilbagemeldinger, med mikrober efter brand, der bremser nedbrydning, stigende ny brændstofopbygning og dermed potentialet for efterfølgende brande. Jacobs foreslåede arbejde fokuserer på indirekte feedback, der kan være lige så vigtige. Min gruppe havde tænkt på indirekte tilbagemeldinger, men havde ikke fokuseret eksplicit på plantegensidige. Hans hypotese er, at ild kan flytte plantemutualister såsom mykorrhizasvampe og nitrogenfikserende bakterier, derved ændrer produktionen og sammensætningen af ​​nye brændstoffer. Disse effekter er kritiske at kvantificere, fordi de kan modvirke eller forværre direkte feedback-effekter, derved forbedrer vores viden om brandøkologi og forudsigelser til brandhåndtering."

Ved at udforske spørgsmål om plante-svampe-mutualismer og brandtilpasset fyrresavanne, Hopkins sagde, at han håbede at opnå sin doktorgrad i de næste tre eller fire år.

"Jeg kunne godt tænke mig at blive professor og forsker, " sagde han. "Jeg har nydt at se på, hvordan forskellige komponenter i økosystemer kan arbejde sammen, og hvis brand ændrer mikrobielle populationer. Hvordan vil det påvirke, hvordan planter har det, eller hvordan planteaffald nedbrydes? Hvad er det større billede? Jeg vil gerne forfølge undervisning og opsøgende på samme tid - det er lige så vigtigt."