Acklimatisering av växter till en kombination av abiotiska faktorer : ett steg mot att länka laboratoriet till utemiljön

Abstract

Increasing atmospheric CO2 and other greenhouse gasses coupled to the accelerated rate of global warming puts plants and ecosystems under the strain of a rapidly changing abiotic environment. Understanding the impacts of changing global climate is a strong focus of plant science and the establishment of more resilient crop variants is an important goal for breeding programs. Our understanding of plant responses and acclimation to abiotic conditions has improved substantially over the last decades but the combination of a complex abiotic environment and high biological diversity, both on molecular as well as on species level, leaves us still with a lot of uncertainties. The aim of this doctoral thesis was to establish a link between plant thermal responses and the carbon-nitrogen balance of plants. The work in this thesis focused on ecologically significant species of the boreal region: Picea abies, Pinus sylvestris and Betula pendula; and Betula utilis, which is one of the prominent tree species in the high altitudes of the Himalayas. The results presented demonstrate that sub-optimal temperatures combined with other abiotic factors can have additive effects that are not easily deducible from the effect of the two factors separately. Low nitrogen availability enhanced the negative effect of low temperature, while elevated CO2 enhanced plant growth under moderate increases in temperatures but under a more extreme temperature increase it exacerbated the negative effect of heat. I also show evidence that species, despite being grouped into the same functional group or inhabiting the same biome can have different thresholds to temperature and to shifts in the C/N balance of their environment and that these differences can, to some extent, be explained by their differential growth strategies. Furthermore, I demonstrate results supporting the hypothesis that the C-N fluxes between mycorrhizal fungi and tree are strongly dependent on the C and N in the environment, highlighting the significance of the tree-mycorrhiza associations in the C sequestration capacity of the boreal region. In this thesis I also present a generalised empirically based mathematical model that can describe the respiration-temperature response of plant functional types or biomes with high precision, giving a more accurate estimate of NPP when implemented in global climate models, and has the potential to incorporate the thermal acclimation of respiration, further increasing the precision of estimating carbon fluxes under future warming temperatures. My results provide novel insights into the interactive temperature-carbon-nitrogen responses of plants, taking a step towards better understanding the response of plants and forests to future climates.Ökande atmosfäriskt CO2 och andra växthusgaser kopplade till den accelererande globala uppvärmningen utsätter växter och ekosystem för stressen av en snabbt förändrande abiotisk miljö. Att förstå påverkan av ett globalt klimat i förändring står i fokus inom växtforskning och utvecklandet av mer motståndskraftiga grödor är ett viktigt mål inom programmen för växtförädling. Vår förståelse av växters responser och acklimatisering till abiotiska förhållanden har förbättrats avsevärt under de senaste decennierna, men på grund av kombinationen av en komplex abiotisk miljö och stor biologisk mångfald, både på molekylär nivå såväl som på art-nivå, kvarstår en del frågetecken. Syftet med denna avhandling var att upprätta ett samband mellan växters responser på temperaturförändringar och kol-kvävebalansen hos växter. Arbetet i denna avhandling inriktades på ekologiskt betydande arter i den boreala regionen, Picea abies, Pinus sylvestris and Betula pendula; samt Betula utilis som är en av de framträdande trädarterna på höga höjder i Himalaya. Resultaten som presenteras visar att suboptimala temperaturer i kombination med andra abiotiska faktorer kan ha additiva effekter som inte enkelt kan härledas från effekten av de två faktorerna var för sig. Låg kvävetillgänglighet ökade den negativa effekten av låg temperatur, medan förhöjd CO2-halt förbättrade planttillväxt under måttliga temperaturökningar, men under en mer extrem temperaturökning förvärrades dock den negativa effekten av värme. Jag framför även bevis på att arter, trots att de grupperas i samma funktionella grupp eller finns inom samma biom, kan ha olika tröskelvärden beträffande temperatur och förskjutningar i C/N-balansen i sin miljö och att dessa skillnader, i viss utsträckning, kan förklaras av deras olika tillväxtstrategier. Vidare visar jag resultat som stöder hypotesen att C-N - flöden mellan mykorrhiza och träd är starkt beroende av C och N i miljön. Detta belyser i sin tur betydelsen av samarbetet mellan träd och mykorrhiza gällande kolbindningskapaciteten i den boreala regionen. I denna avhandling presenterar jag även en generaliserad empiriskt baserad matematisk modell som med hög precision kan beskriva respiration-temperatur svar av växtfunktionella typer eller biom, vilken ger en mer exakt uppskattning av NPP i globala klimatmodeller. Mina resultat åstadkommer nya insikter i de interaktiva temperatur-kol-kväve-responserna hos växter, och tar ett steg mot bättre förståelse för växters och skogars reaktion på framtida klimat