В новом исследовании команда ученых из Принстонского университета определила черты, которые лучше всего защищают деревья от гибели от засухи. Исследование, опубликованное в Интернете на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что наиболее устойчивыми к засухе являются те виды, которые лучше переносят нагрузку на систему водного транспорта, состоящую из внутренних труб, известных как ксилема, которая несет вода от корней до макушки.
Лучшее понимание подверженности деревьев засухе может помочь специалистам в области лесоводства создать системы раннего предупреждения и принять меры предосторожности, такие как посадка более устойчивых видов или прореживание перенаселенных лесов, чтобы снизить уязвимость леса к засухе, сообщают исследователи.
«Мы действительно не знаем будущего лесов в условиях меняющегося климата», — сказал ведущий автор Уильям Андерегг, младший научный сотрудник Принстонского института окружающей среды и будущий доцент биологии Университета Юты. "Наши результаты обеспечивают основу для улучшения наших прогнозов смертности деревьев в результате засухи в разнообразных лесах Земли."
‘Как сердечный приступ у дерева’
Деревья обычно забирают воду из почвы в свои корни, а затем через стволы вверх к листьям.
Вода продвигается вверх по ксилеме, чтобы заменить воду, испаряющуюся с поверхности листа. Это вытягивание воды создает напряжение, которое Андерегг по сравнению с пружиной становится все туже и туже по мере прогрессирования засухи.
Когда воды не хватает, деревьям приходится намного сильнее тянуть воду в ксилеме, что позволяет пузырькам воздуха проникать в трубы. Пузырьки вызывают закупорку или эмболию, которая закупоривает трубы так же, как сгусток крови блокирует поток через артерию.
Результат, по словам Андрегга, «похож на сердечный приступ для дерева."
Исследование показало, что способность противостоять этому стрессу была более предсказуемой для выживания, чем другие факторы, такие как общее количество воды, потерянной через листья и глубина корней. По словам Андерегга, виды деревьев с большим «гидравлическим запасом прочности» — измеряемым по тому, насколько хорошо деревья могут выдерживать напряжение от протягивания воды через ксилему — лучше переносят засуху.
Команда обнаружила, что покрытосеменные (цветущие деревья) и голосеменные (шишки) с одинаковой вероятностью погибнут от засухи. Среди видов покрытосеменных плотность древесины стала полезным прогностическим признаком выживаемости в засухе, возможно, потому, что деревья с густой древесиной, как правило, имеют большую броню вокруг своей ксилемы.
Данные для исследования были получены из десятков опубликованных рецензируемых научных исследований и из базы данных функциональных признаков Xylem, которая содержит измерения запаса гидравлической безопасности для каждого вида, определенного в лабораторных экспериментах.
Андерегг разработал исследование в сотрудничестве с Тамиром Кляйн из Организации сельскохозяйственных исследований, Центр Вулкани, Израиль. Данные и аналитические инструменты были предоставлены Адамом Пеллегрини, аспирантом Экологии и эволюционной биологии из Принстона; Лоурен Сак и Меган Бартлетт, соответственно профессор и аспирант кафедры экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Брендан Чоат, старший преподаватель Института окружающей среды Хоксбери при Западном Сиднейском университете в Австралии, и Стивен Янсен, профессор ботаники в Ульмском университете в Германии.
Команда собрала информацию о гибели деревьев в результате засухи из 33 отдельных исследований, проведенных по всему миру, которые включали данные о 475 видах и более 760 000 отдельных деревьев.
Они исследовали различные лесные среды, включая тропические леса, лиственные леса умеренного пояса, вечнозеленые леса и леса саванн. Всего команда исследовала 10 физиологических характеристик, которые они считали важными для прогнозирования смертности.
По словам Андерегга, исследование может помочь предсказать, как смертность деревьев, вызванная засухой, вписывается в модели будущего изменения климата. Хотя повышение уровня CO2 в атмосфере может способствовать росту деревьев, связанное с этим повышение температуры может вызвать засуху, убивающую деревья, что, в свою очередь, снижает удаление CO2 из атмосферы.
Западные Соединенные Штаты в последние годы были горячей точкой для гибели людей: леса находятся под угрозой исчезновения в Колорадо, Аризоне, Нью-Мексико, Юте, Техасе и Калифорнии. Согласно Андереггу, недавние оценки показывают, что от 20 до 60 миллионов деревьев умирают от нынешней засухи в Калифорнии.
Пак Уильямс, доцент обсерватории Земли Ламонт-Доэрти Колумбийского университета, сказал, что исследование показывает, как деревья какого-либо вида гибнут от засухи, и как ученые могут проанализировать этот процесс, чтобы оценить уязвимость к засухе.
«Мы все знаем, что вероятность гибели растения возрастает, когда вода становится ограниченной, но мы не уверены, какие именно процессы внутри растения вызывают гибель во время засухи, и мы еще более не уверены, как моделировать эти процессы», сказал Уильямс, который не участвовал в работе. "Этот новый метаанализ проливает свет на эту проблему, говоря нам, что деревья более или менее чувствительны к одному и тому же во время засухи — отказу гидравлической системы.
«Когда дереву приходится слишком много работать, чтобы вытащить воду из почвы, его« соломка »разрушается так же, как соломка, если мы слишком много работаем, чтобы выпить молочный коктейль», — продолжил Уильямс. «Этот документ согласуется с другими недавно опубликованными исследованиями, которые показывают, что если мы сможем точно смоделировать, насколько тяжело деревьям приходится работать, чтобы вытягивать воду из почвы, это улучшило бы нашу способность моделировать, насколько вероятно, что они умрут во время засухи."
Тодд Доусон, профессор интегративной биологии в Калифорнийском университете в Беркли, сказал, что исследование дает целостное представление о гибели деревьев в то время, когда ожидается повышение глобальных температур — и, возможно, условий засухи.
«Документ добавляет давно назревший глобальный анализ к продолжающейся дискуссии о коренных причинах, ведущих к гибели деревьев по широкому спектру деревьев», — сказал Доусон, который знаком с исследованием, но не участвовал в нем. «К сожалению, по мере потепления климата и увеличения количества экстремальных засух и волн тепла, я опасаюсь, что мы добавим больше примеров и чисел в базу данных.
Билл Андерегг и его соавторы сообщают в своем важном документе."
Одним из ограничений исследования является то, что в нем не сравнивались одни и те же виды деревьев в разных регионах, что могло привести к некоторым пропущенным вариациям в реакции на засуху.
Следующим шагом будет понимание того, насколько разнообразны эти засухозащитные свойства у одного и того же вида в разных регионах.
«Мы хотели бы иметь хрустальный шар, чтобы увидеть будущее лесов», — сказал Андерегг. "Прямо сейчас у нас есть очень нечеткий и потрескавшийся шар, который мы медленно пытаемся отполировать, чтобы лучше рассмотреть."