umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Deriving correlated climate and physiological signals from deuterium isotopomers in tree rings
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Plant Physiology. Umeå University, Faculty of Science and Technology, Umeå Plant Science Centre (UPSC).
Umeå University, Faculty of Medicine, Department of Medical Biochemistry and Biophysics.
Umeå University, Faculty of Medicine, Department of Medical Biochemistry and Biophysics.
2008 (English)In: Chemical Geology, ISSN 0009-2541, E-ISSN 1872-6836, Vol. 252, no 1-2, 1-8 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

he deuterium (D) abundance of tree-ring cellulose archives past climatic conditions, but previous attempts to access this archive have led to conflicting results. Based on an overview of D fractionation mechanisms in plants, we explain why past measurements of D abundance yield unreliable paleo signals. Our data show that variation in D abundance among the C–H groups (isotopomer variation) of tree-ring cellulose is generally greater than variation in D abundance due to climatic influences. A comparison of the D isotopomer abundances of soluble sugars of annual plants and of trees, and of tree-ring cellulose shows that an “isotopomer pattern” of the C3 photosynthetic pathway is transmitted from soluble sugars to tree-ring cellulose. Differences in this pattern between oaks and conifers appear to be related to differences in metabolism. Furthermore, the patterns are modified by hydrogen isotope exchange between C–H groups and source water during cellulose synthesis. Based on these results, we propose a strategy to simultaneously reconstruct climate signals and signals related to tree physiology from D isotopomers of tree rings. Combination of climate signals and physiological signals may allow the detection of century-time-scale adaptations of trees to past environmental change, and help to forecast future adaptations.

Place, publisher, year, edition, pages
2008. Vol. 252, no 1-2, 1-8 p.
Keyword [en]
Isotopomer, NMR, Climate reconstruction, Stable isotope, Biochemical pathway, Metabolic control
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-9645DOI: 10.1016/j.chemgeo.2008.01.011OAI: oai:DiVA.org:umu-9645DiVA: diva2:149316
Available from: 2008-05-07 Created: 2008-05-07 Last updated: 2017-12-14Bibliographically approved
In thesis
1. Monitoring climate and plant physiology using deuterium isotopomers of carbohydrates
Open this publication in new window or tab >>Monitoring climate and plant physiology using deuterium isotopomers of carbohydrates
2007 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Climate is changing and it is certain that this change is due to human activities. Atmospheric greenhouse gases have been rising in an unprecedented way during the last two centuries, although the land biosphere has dampened their increase by absorbing CO2 emitted by anthropogenic activities. However, it is unclear if this will continue in the future. This uncertainty makes it difficult to predict future climate changes and to determine how much greenhouse gas emissions must be reduced to protect climate.

To understand the future role of plants in limiting the atmospheric CO2 level, the effect of increasing CO2 on plant photosynthesis and productivity has been studied. However, studies on trees showed contradictory results, which depended on the duration of the experiment. This revealed that an initial strong CO2 fertilization may be a transient response that disappears after a few years. Because climate changes over centuries, we must explore the response of vegetation to increasing CO2 on this time scale. Studying tree rings is a good alternative to impractical decade-long experiments, because trees have experienced the CO2 increase during the last 200 years and may already have responded to it.

This thesis shows that the intramolecular distribution of the stable hydrogen isotope deuterium (deuterium isotopomer distribution, DID) of tree rings is a reliable tool to study long-term plant-climate adaptations. The premise for this is that the deuterium abundance in tree rings depends on environmental as well as physiological factors. Using newly developed methodology for DID measurements, the influences of both factors can be separated. Applied to tree rings, separating both factors opens a strategy for simultaneous reconstruction of climate and of physiological responses.

The results presented show that DIDs are influenced by kinetic isotope effects of enzymes, allowing studies of metabolic regulation. We show that the abundances of specific D isotopomers in tree-ring cellulose indeed allow identifying environmental and physiological factors. For example, the D2 isotopomer is mostly influenced by environment, its abundance should allow better reconstruction of past temperature. On the other hand, the abundance ratio of two isotopomers (D6R and D6S) depends on atmospheric CO2, and might serve as a measure of the efficiency of photosynthesis (ratio of photorespiration to assimilation). The presence of this dependence in all species tested and in tree-ring cellulose allows studying adaptations of plants to increasing CO2 on long time scales, using tree-ring series or other remnant plant material.

Abstract [sv]

Klimatet förändras och det är numera allmänt vedertaget att detta beror på människans aktiviteter. Halten av växthusgaser har stigit onormalt mycket under de senaste två århundradena och detta beror i största del på människans användning av fossila bränslen. Landbiosfären har hittills haft en buffrande effekt på klimatförändringen eftersom den tar upp och lagrar mycket av växthusgasen CO2. Det är dock osäkert om, och i så fall hur länge, denna effekt kvarstår. Detta gör det mycket svårt att förutsäga framtida klimatförändringar, och därmed hur mycket utsläppen av växthusgaser måste reduceras för att skydda klimatet.

För att förstå växternas framtida förmåga att begränsa halten atmosfäriskt CO2 har man studerat effekten av förhöjda halter av CO2 på växters fotosyntes och produktivitet. Resultaten av dessa försök varierar i stor omfattning. Studier på träd odlade under höga halter CO2 indikerar att den initiala ökningen av en trädets produktivitet kan vara en temporär effekt som försvinner redan efter några år. Eftersom klimatförändringen sker under århundraden, måste även växternas anpassningar på förhöjd CO2 halt utforskas på denna tidsskala, men experiment som skulle ta tiotals år är opraktiska att utföra. Trädringar är ett bra sätt att studera sådana anpassningar, eftersom träd redan har upplevt de senaste två hundra årens ökning av koldioxid och dess trädringar därför kan innehålla information om en respons som redan skett.

Denna avhandling visar att den intramolekylära fördelningen av den stabila väteisotopen deuterium i trädringar är en tillförlitlig metod för att studera växters anpassningsförmåga till långsiktiga klimatförändringar. Antagandet bakom denna strategi är att isotopfördelningen i trädringar beror på faktorer både från miljön och växtens fysiologi. Om båda faktorerna skulle kunna utvinnas från trädringar, skulle detta öppna en helt ny väg för parallell rekonstruktion av klimatet och växters anpassning till det. Avhandlingen presenterar den första tekniken för att mäta isotopfördelningen av deuterium i växtglukos. Resultaten visar att deuteriumfördelningen hos växtglukos påverkas av enzymers isotopeffekter, vilket möjliggör att regleringen av växternas metabolism kan kartläggas. I avhandlingen bevisas att halten deuterium i skilda intramolekylära positioner (isotopomerer) av glukos från trädringcellulosa bestäms av miljöfaktorer respektive trädets fysiologi. T.ex. påverkas deuteriumhalten i position 2 (D2 isotopomer) av glukosmolekylen huvudsakligen av miljön, vilket kan användas för att förbättra temperaturrekonstruktioner från trädringar. Å andra sidan är kvoten deuterium mellan två andra positioner (D6R och D6S) relaterat till halten atmosfäriskt koldioxid, och kvoten skulle kunna användas som mått för fotosyntesens effektivitet, dvs. förhållandet mellan fotorespiration och fotosyntes. Närvaron av denna relation i trädringar och annat växtmaterial i alla de växter vi hittills studerat, öppnar en helt ny möjlighet att studera växters anpassning till den ökande mängden CO2 i atmosfären under århundraden.

Place, publisher, year, edition, pages
Umeå: Fysiologisk botanik, 2007. 40 p.
Keyword
Climate reconstruction, deuterium, elevated CO2, isotopomer, nuclear magnetic resonance, photorespiration, tree-ring cellulose.
National Category
Botany
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-1042 (URN)978-91-7264-281-2 (ISBN)
Public defence
2007-04-10, KB3A9, KBC Huset, Umeå, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2007-03-15 Created: 2007-03-15 Last updated: 2009-08-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Schleucher, Jurgen
By organisation
Department of Plant PhysiologyUmeå Plant Science Centre (UPSC)Department of Medical Biochemistry and Biophysics
In the same journal
Chemical Geology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 225 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf