Благодаря своему распространению по всему миру, деревья играют исключительную роль в удалении чрезмерного количества CO2, выделяемого нашими высокоиндустриальными и мобильными современными обществами из атмосферы. Однако до сих пор не существует инструмента, который позволил бы ученым точно рассчитать поглощение двуокиси углерода деревьями за всю их жизнь. Используя десятилетнюю последовательность годичных колец сосен, ученые из Центра ЯМР в Химико-биологическом центре Университета Умео (KBC) внедрили высокотехнологичный метод отслеживания углеродного метаболизма растений и его контроля окружающей среды. Этот метод закладывает основу для значительно улучшенной параметризации моделей изменения климата и глобальной растительности, которые покажут, что нас ждет в будущем.
Поглощение двуокиси углерода (CO2) фотосинтезом растений обычно рассматривается как способ противодействия неуклонно возрастающим концентрациям CO2 в атмосфере и изменение климата. В краткосрочных экспериментах было обнаружено, что повышенный уровень CO2 увеличивает фотосинтез, но неясно, сохранится ли этот случайный эффект в ближайшие десятилетия и при изменении климата.
Исследователи кафедры медицинской биохимии и биофизики Университета Умео в последние годы работали над разработкой методов, позволяющих уточнить климатические модели, оценить роль растений в снижении концентрации углекислого газа в атмосфере., а также выяснить, как метаболизм растений зависит от изменения климата. На эти вопросы нельзя ответить с помощью краткосрочных экспериментов, поэтому исследователи Умео используют архивы растительного материала и ищут следы процессов на протяжении десятилетий. В предыдущих публикациях исследовательская группа Юргена Шлейхера показала, что модели растительности должны учитывать весь метаболизм растений. Ранее они использовали исторический растительный материал в гербариях для изучения развития фотосинтеза и метаболизма в растениях в течение более длительного периода времени и, таким образом, могли делать прогнозы на будущее в изменившихся климатических условиях..
В своей последней публикации в журнале Scientific Reports Томас Виелох и его коллеги из Умео, Австрии, Швейцарии и США сообщают об инновационном методе изучения метаболизма дерева на протяжении всей его жизни. По аналогии с использованием микроскопа вместо увеличительного стекла специалисты по ЯМР измерили соотношение изотопов углерода (13C/12C) во всех шести отдельных положениях C-H в фотосинтетической глюкозе. Это отличается от традиционных методов, которые не разрешают отдельные положения C-H, а определяют среднее значение по всем положениям глюкозы. В серии годичных колец черной сосны (Pinus nigra) команда обнаружила в дополнение к хорошо известному сигналу поглощения CO2 несколько новых сигналов, которые сообщают о последующих метаболических процессах. Таким образом, новый подход извлекает более четко определенные сигналы и умножает информационное содержание растительных архивов, таких как годичные кольца деревьев.
Затем ученые изучили годичные кольца 11 различных видов деревьев, распространенных по всему миру. «Наши результаты для 11 видов деревьев показывают, что соотношение 13C/12C в отдельных положениях C-H оставляет отпечаток регуляции метаболизма, который, по-видимому, одинаков для всех видов», - прокомментировал Томас Виелох.
Мы обнаружили несколько до сих пор неизвестных сигналов 13C в молекулах целлюлозы наших ежегодно анализируемых образцов годичных колец. Это означает, что помимо поглощения CO2, другие метаболические процессы также влияют на отношения 13C / 12C в отдельных положениях C-H, и сигналы, сообщающие об этих процессах, могут быть извлечены из рядов годичных колец. Ряды годичных колец могут охватывать тысячи лет, поэтому можно решать даже вопросы, относящиеся к этому временному интервалу», - объясняет Томас Виелох.
"Это исследование показывает, что мы можем изучать метаболическую историю деревьев с гораздо более высоким разрешением, так что мы, возможно, можем определить, акклиматизируются ли деревья в меняющемся климате.", - говорит профессор Юрген Шлейхер, один из двух директоров Центра ЯМР в Умео.
"Мы очень надеемся, что наше открытие того, что отношения 13C/12C различаются между отдельными положениями C-H целлюлозы годичных колец, позволит улучшить интерпретацию сигналов изотопов 13C/12C для глобального углеродного цикла."
"Основываясь на этом недавнем исследовании, мы теперь продолжим предлагать физиологические механизмы происхождения новых метаболических сигналов, чтобы в конечном итоге мы могли расшифровать, как увеличивается CO2 в сочетание с изменением климата влияет на рост деревьев - на протяжении десятилетий"
Результаты новейших исследований ЯМР из Умео могут иметь большое значение для лесного хозяйства, потому что они могут предоставить исследователям климата более достоверные исходные данные для их моделей и дать лицам, принимающим решения, новые идеи о том, как адаптировать свои планы управления лесами и делать оценки производство деревьев более реалистично», - говорит Юрген Шлейхер.