NYHET Forskare vid Umeå universitet och Sveriges lantbruksuniversitet har upptäckt att ökade nivåer av koldioxid i atmosfären under 1900-talet har förändrat växters metabolism. Studien är den första i världen som genom historiska växtprover kunnat dra slutsatser kring biokemisk reglering av växtmetabolism.
Med hjälp av NMR-teknik som mäter kärnmagnetisk resonans har forskarna utvecklat en ny metod för att studera växtfysiologi över det senaste århundradet. Upptäckterna, som idag publiceras i den ledande tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), kommer att påverka framtagandet av nya modeller för beräkning av mängden CO2 i atmosfären.
CO2 binds i växter genom fotosyntes, en effekt som i de flesta växter minskas genom en motverkande effekt som kallas fotorespiration. Forskarna har nu kvantifierat hur en ökning av andelen CO2 i atmosfären under 1900-talet har skiftat balansen mellan fotosyntes och fotorespiration till fördel för fotosyntes, vilket bidragit till den globala växtlighetens samlade förmåga att binda upp till en tredjedel av människans CO2-utsläpp. Men eftersom fotorespiration bevisligen ökar vid högre temperaturer så kommer, som forskare tidigare befarat, effekterna av ett varmare klimat och en högre koldioxidhalt i atmosfären att motverka varandra. Detta innebär att framtida temperaturökningar kommer motverka CO2-drivna förändringar i växternas metabolism.
Växternas förmåga att genom fotosyntes binda CO2 som finns i atmosfären är inte bara en avgörande faktor för den globala koldioxidbalansen utan även avgörande för att försöka förutspå klimatförändringar och odlingsproduktivitet. Genom att undersöka växtmetabolism retrospektivt i historiska växtprover har forskarna kunnat kvantifiera hur mycket som ökade koldioxidhalter i atmosfären bidragit till när det gäller växters förmåga att fånga upp växthusgasen.
– Tills nyligen så fanns ingen metod för att studera långsiktiga metabola förändringar, och forskning kring förändringar över årtionden eller århundraden var därför hänvisad till datorsimulationer baserade på kortsiktiga experiment. Genom att rekonstruera historiska metabola förändringar som följt med klimatförändringar har vi nu lagt grunden för modeller som bättre beräknar hur växter i framtiden kommer att bete sig, säger Jürgen Schleucher, forskare på Institutionen för medicinsk kemi och biofysik vid Umeå universitet, som lett studien.
– Vi har nu data som visar vilken effekt koldioxid haft på växtmetabolism över decennier, säger Ina Ehlers, som är postdoktor vid Umeå universitet och utförde de flesta av mätningarna i studien samt är en av medförfattarna av artikeln.
Forskningsstudien har finansierats av Vetenskapsrådet och den utrustning som användes av Kempestiftelserna samt Knut och Alice Wallenbergstiftelserna.
– Vi misstänkte att fotorespiration stjäl från effekten av fotosyntes och nu har vi tydliga tecken på att det faktiskt är så, säger John Marshall, professor i skogsekologi vid Sveriges lantbruksuniversitet och medförfattare.
Forskarna vid Umeå universitet och Sveriges lantbruksuniversitet, under ledning av Jürgen Schleucher, observerade förändringar i fotosyntetisk metabolism i både vilda växter och grödor. Eftersom den observerade förändringen orsakats av en grundläggande biokemisk mekanism så kan forskarna härleda att samma förändring borde ha skett i de flesta växtarter över hela jorden.
Forskarna studerade ett flertal olika så kallade C3-växter, vilka står för majoriteten av global fotosyntes samt och för de flesta kalorierna av människors näringsintag. I sockerbetor, som växte vid olika tidpunkter mellan 1890 och 2012, observerades metabola förändringar som forskarna kan bevisa är orsakade av högre koncentration av CO2 i atmosfären och inte av förändrade odlingsmetoder eller växtförädling.
– Vi har sett samma förändring i vitmossor, en grupp växter som är oerhört viktig för den globala kolcykeln. Vitmossor har sedan senaste istiden lagrat ca en fjärdedel av allt kol som finns i marken över hela världen, säger Mats Nilsson, professor i biogeokemi vid Sveriges lantbruksuniversitet och medförfattare.
Med hjälp av NMR-spektroskopi vid Umeå universitets forskningslabb NMR for Life har forskarna utvecklat en ny metod för att jämföra växtmetabolism i hundraåriga herbarieväxter med nutida växtprover. Genom att studera intramolekylära isotopmönster i växternas glukos, som bildats genom fotosyntes, har forskarna upptäckt att förändringarna på molekylnivå är kopplade till metabola förändringar och beror på olika koldioxidhalter. Metoden, som först kalibrerades i växthusexperiment, användes för att jämföra historiska och nya växtprover och på så sätt lyckades forskarna kvantifiera metabola förändringar över århundradet.
Bildtext: Mjölkört (Chamerion angustifolium). Foto: Johan Gunséus
PNAS. Detecting long-term metabolic shifts using isotopomers: CO2-driven suppression of photorespiration in C3 plants over the 20th century.
Ina Ehlers, Angela Augusti, Tatiana R. Betson, Mats B. Nilsson, John D. Marshall, och Jürgen Schleucher. DOI:10.1073/pnas.1504493112
Jürgen SchleucherInstitutionen för medicinsk kemi och biofysik, Umeå universitetTelefon: 070-549 4664
E-post: jurgen.schleucher@umu.se
Redaktör: Daniel Harju