Plantekemisk forskning undersøger tendenser inden for grønnere

En Montana State University -professors forskning om plantekemi i Northern Great Plains og Northern Rockies er blevet offentliggjort i Global ændringsbiologi , en fremtrædende journal, der fremmer udforskning af forbindelserne mellem biologiske processer og miljøændringer.

Jack Brookshire, lektor i Institut for Landressourcer og Miljøvidenskab i MSU College of Agriculture, kombinerede satellitdata og planteprøver fra mere end 300 steder rundt om de nordlige store sletter og nordlige Rockies for at undersøge tendenser inden for grønnere, en metrik, der repræsenterer planteproduktivitet gennem fotosyntese. Projektet begyndte i 2016 og blev støttet af National Science Foundation EPSCoR -finansiering og et forskningsstipend via Montana Agriculture Experiment Station.

"Undersøgelser med fjernmåling viste, at meget af Jordens jordoverflade er blevet grønnere i løbet af de sidste årtier, hovedsageligt på grund af øget kuldioxid i atmosfæren, "sagde Brookshire." Dog, der var også tegn på, at plantens kvælstofindhold faldt. Ingen havde endnu kombineret analyser af vegetationens grønne tendenser med disse ændringer i plantens kemi. "

Brookshire arbejdede med samarbejdspartnere ved University of Wisconsin-Madison og Idaho State University, samt kandidat- og bachelorstuderende på MSU for at undersøge, om regionale klimaændringer eller forøget atmosfærisk kuldioxid var årsagen til den øgede grønnetning over Montana og de bredere Northern Great Plains. Selvom øget produktivitet kan virke som en fordel, Brookshire sagde, at spørgsmålet er, hvor holdbare disse stigninger er, og om øget grønning ændrer planternes kemiske sammensætning selv.

Arbejdet begyndte med at sigte gennem næsten to årtiers satellitdata fra et NASA -program kaldet MODIS, som indsamler data fra hele Jordens overflade hver 1-2 dag. Brookshires gruppe analyserede normaliserede data om vegetationsforskelle, som måler mængden af ​​lys, der reflekteres af planter. Over 20 år, de bemærkede, at grønningen på tværs af Northern Great Plains og Northern Rocky Mountains var steget betydeligt, men forskellen var mere udtalt i de nordlige store sletter.

"De største stigninger i grønnere var de steder, hvor det var varmest og tørrest, vi tror, ​​fordi de har de mest marginale gevinster at hente som reaktion på kuldioxid og klimaforandringer i betragtning af de ændringer i plantefysiologien, vi observerer, "sagde Brookshire." Også, meget af de nordlige store sletter har oplevet stigninger i nedbør i løbet af de sidste årtier, og vi finder beviser på, at dette har været en vigtig drivkraft for grønne tendenser. "

Imidlertid, mens tendenserne i grønnere varierer efter geografisk placering, Brookshire ville se, om fysiologiske ændringer i selve planterne var ensartede på tværs af de to regioner. Hvis så, den mest sandsynlige årsag ville være øget atmosfærisk kuldioxid. Stigningen i kuldioxid er global i omfang, og ville ikke svinge regionalt, sagde Brookshire.

For at teste de fysiske ændringer, der sker inde i planterne, Brookshire henvendte sig til MSU Herbarium, som huser tusindvis af planteprøver fra hele staten, indsamlet over mere end 100 år.

"Herbariet er virkelig en skattekiste af indfødte plantearter, "sagde Brookshire." Vi valgte fire repræsentative arter til økosystemerne, tre græsser og en hage, og derefter udtaget meget omhyggeligt små dele af deres blade til kemisk og isotopanalyse. "

Efter at have testet prøver fra herbariet, Brookshires team vendte tilbage til nogle af lokaliteterne for de historiske planteprøver og indsamlede samtidige prøver for at sammenligne de kemiske saldi inde i de samme plantearter så mange som 100 år senere.

Analyse af de kemiske og isotopforhold mellem kulstof og nitrogen i de historiske og nutidige planteprøver, Brookshire fandt reducerede niveauer af nitrogen og øgede niveauer af kulstof i de seneste prøver. De fandt også ud af, at planterne var steget i vandforbrugseffektivitet - forholdet mellem hvor meget kuldioxid de optager pr. Vandenhed - med mere end 30% siden 1970'erne. Disse målinger bekræftede hans hypotese om, at planterne tilpasser sig ændringer i Jordens atmosfære over tid.

"Grundlæggende planter har brug for kuldioxid, vand, sollys og næringsstoffer, især nitrogen, at fotosyntetisere og vokse, "sagde han." Når en af ​​disse håndtag øges, de andre skal justere. Planter i disse økosystemer har tilpasset sig øget kuldioxid ved at opretholde et konstant forhold mellem hvad der er inde i deres blade og hvad der er udenfor. "

Brookshire sagde, at de langsigtede ændringer i plantens kemi kan have negative virkninger på økosystemer. Til sidst vil der opstå begrænsninger for grønne, især i hvor lidt nitrogenplanter kan overleve.

"Planter kan ikke øge effektiviteten af ​​vand eller nitrogen på ubestemt tid, "disse fund er vigtige for udviklingen af ​​den næste generation af økosystemmodeller, da planter sandsynligvis bliver nødt til at justere strategier for optagelse af næringsstoffer."

Den skiftende plantesminke kan også påvirke de væsener, der spiser disse planter. Med øget kuldioxid kommer øget plantesukker, og faldende nitrogen kommer reduceret proteinindhold, hvilket kan føre til kostpåvirkninger for planteædere og endda ændringer i ernæringen af ​​afgrøder, der dyrkes i Northern Great Plains og Northern Rocky Mountains til konsum.

"Der er stor usikkerhed i, hvordan klimaforandringer, stigninger i græsarealets produktivitet og fald i plantevævskvalitet påvirker økosystemer på tværs af de nordlige store sletter lige nu, "sagde Brookshire." Det er svært endnu vigtigt at forstå, hvordan de vil fortsætte med at ændre sig i løbet af det næste århundrede og fremover. "