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Silicate dynamics in common hardwoods of southern Quebec with a focus on its role on Al and Mn toxicity

By Peter Tikasz

Abstract

In acidic soils, aluminum (Al) and manganese (Mn) availability can be high and have a negative effect on plant growth and nutrition. Silicon (Si) has been studied for its ability to alleviate Al and Mn toxicity in agricultural crops. Despite its importance, only a few studies have examined Si uptake and interactions in trees. In this study, I first investigated Si, Al, Mn and Calcium (Ca) accumulation in leaves of sugar maple and American beech over a five-month period. Si uptake was found to be continuous for both species before reaching a plateau (Si concentration > 1%) at the end of the growing season. Si uptake is likely associated with the sum of evapotranspiration in sugar maple and American beech (r = 0.991 for A. beech and 0.998 for sugar maple). Both species can therefore be considered passive accumulators of Si. In the second part of the study, sugar and silver maple were grown with different concentrations of Al and Mn in hydroponic systems with and without Si. Most of the effects observed were restricted to the root system. The negative Al effect was less pronounced for root dry weight and length of silver maple with the addition of Si with a concentration of AlCl3 between 100-2,000 uM and Na2SiO3 of 2,000 uM. As for sugar maple, root dry weight increased with the addition of Si suggesting that Al toxicity was not achieved for sugar maple and that it is better adapted to high Al availability than silver maple. Finally, I investigated the capacity of different species to accumulate Si and assessed the species interaction on Si uptake in a young plantation on the Macdonald Campus. Leaves of 16 tree species were analyzed for their Si content. On average, leaf Si concentration was almost six times higher in hardwoods (6.01±0.34 mg g-1) than in conifers (0.98±0.36 mg g-1), and sugar maple had the highest leaf Si concentration amongst maples (9.86 mg g-1). When grown in mixed plantations, sugar maple had a higher leaf Si concentration than in the monoculture, the likely result of reduced Si uptake by the companion species that are Si excluders (Si < 1 %).Les sols acides contiennent des concentrations élevées d'aluminium (Al) et de manganèse (Mn), ce qui a des effets négatifs sur la pousse et la nutrition des plantes. Des études sur les plantes agricoles ont démontré que la silicone (Si) a des propriétés qui permettent d'atténuer la toxicité causée par l'Al et le Mn. Malgré son importance, peu d'études ont examiné l'accumulation et l'interaction de la Si chez les arbres. Dans cette thèse, j'ai examiné en premier lieu l'accumulation de la Si, de l'Al, du Mn et du Calcium (Ca) dans les feuilles d'érables à sucre et de hêtres d'Amérique sur une période de cinq mois. L'absorption de la Si était continuelle pour les deux espèces et a atteint un plateau (concentration de Si > 1%) à la fin de la saison de pousse. L'absorption de la Si est probablement associée à l'évapotranspiration chez le hêtre d'Amérique et l'érable à sucre (r = 0,991 pour le hêtre d'Amérique et 0,998 pour l'érable à sucre). Ainsi, les deux espèces peuvent être considérées comme des accumulateurs passifs de Si. Dans la seconde étude, la croissance de l'érable argenté et de l'érable à sucre a été étudiée dans un système hydroponique sous différentes concentrations d'Al et de Mn avec et sans ajout de Si. La majorité des effets ont été observés parmi les racines. Pour l'érable argenté, les effets toxiques de l'Al ont été moindres sur la masse des racines et la longueur des feuilles lors de l'addition de Si alors que la concentration d'AlC3 variait entre 100-2 000 uM et celle de Na2SiO3 était de 2 000 uM. Pour l'érable à sucre, la masse des racines a augmenté avec l'addition de Si ; la toxicité de l'Al n'a pas été atteinte durant l'expérience. Ceci démontre que l'érable à sucre est mieux adapté que l'érable argenté à l'Al dans les sols acides. Dans la troisième et dernière étude, j'ai comparé l'habileté de différentes espèces d'arbre à accumuler la Si et j'ai analysé l'interaction entre les espèces lors de l'accumulation de Si parmi les jeunes pousses au campus Macdonald. Les feuilles de 16 espèces d'arbres différentes ont été analysées afin de déterminer les concentrations de Si. En moyenne, la concentration de Si des feuillus (6,01±0,34 mg g-1) était presque six fois plus élevée que celles des conifères (0,98±0,36 mg g-1) et l'érable à sucre avait la concentration la plus élevée parmi les érables (9,86 mg g-1). Lorsque l'érable à sucre était planté avec d'autres espèces, il avait une concentration de Si plus élevée qu'en monoculture. Le résultat obtenu est probablement causé par le fait que les autres espèces excluent la Si (Si < 1%) et, ainsi, ont absorbé une concentration moindre que l'érable

Topics: Natural Resource Sciences
Publisher: McGill University
Year: 2016
OAI identifier: oai:digitool.library.mcgill.ca:143666
Provided by: eScholarship@McGill
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