雲杉樹在碳饑餓下的關鍵生存策略-儲備
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文章來源 : 農業科技決策資訊平台 2022-01-12
全世界的樹木和森林都受到極端氣候加劇及隨之而來的蟲害威脅。作為固著性生物，樹木無法移動來逃避環境的變化，因此必須調整其代謝途徑以面對威脅。對植物來說，最關鍵的是利用光合作用產生富含能量的糖分子(碳水化合物)。這些碳水化合物除了做為所有代謝的能量來源，也是代謝過程的原料。在極端氣候環境如長期乾旱或高溫，因為二氧化碳(CO2 )吸收量減少加上缺乏水分，導致光合作用效率大大降低，而使樹木產生較少量的碳水化合物。所以無法滿足對糖的需求，植物必須轉而依靠自身的儲備，來維持重要的代謝途徑。最後連儲備都耗盡時，植物可能會因此「餓」死，或因為防禦系統失效而容易生病及遭受昆蟲攻擊。
儘管儲備有重要作用，直到現在人們仍在假設，只有在有利光合作用的條件下且供(產能)過於需(生長需求)時，可溶性糖類、澱粉或脂肪才會形成。但Max Planck生物地球化學研究所(BGC)的組長Henrik Hartmann博士卻強調: 從進化的角度來看，這是沒有意義的。樹木必須生存幾十年才能繁殖，而穩定可靠的「快速即食」儲備來源，對頻繁的艱困時期可以生存下來扮演著重要的角色。那為什麼樹木還要將能量投資在生長，而不是透過積累更多的儲備來確保眼前和未來的生存？為了研究這些「儲備」對樹木生存的重要性，研究團隊的博士後研究員、研究第一作者Jianbei Huang對幼年雲杉樹進行了饑餓處理，將這些雲杉樹在極低CO2濃度下生長幾個星期。這讓Huang能夠在研究植物的碳水化合物時，模擬極端氣候中光合作用速率降低的情況。
一開始，現有的儲備如團隊預期般減少，因為儲備被使用在代謝反應，卻不能在減少CO2濃度的情況下補充。不過令人驚訝的是，CO2饑餓處理過程中，儲備量會維持固定且樹木會停止生長。Huang總結出: 當光合作用產量過低，無法充分地給生理功能提供碳源時，樹木就會降低生長速度，並將可用資源移轉到儲備中。CO2饑餓處理三至五周後，研究人員還檢查了植物細胞的基因活性，特別是表現參與代謝過程之酵素的編碼基因。Huang說:「我們首次發現植物在長期饑餓過後，負責快速使用儲存化合物的酵素產量有所增加」。相較之下，參與生長過程(像是產生纖維素及木質素)的酵素，其基因表現量大大降低，進而證實了在分子層級上儲存和生長間的平衡關係。更令人訝異的是，負責將複合脂肪分子轉化為富含能量的碳水化合物的酵素，發現其產量增加而促進替代能量的代謝途徑。
Hartmann說:「由實驗結果看來，顯然植物寧願犧牲可消耗的結構，甚至消化分解自己，也不願意放棄儲備。因此植物在CO2飢餓期間，會關閉在生長上不必要的能量耗損，同時也一貫地執行能量生產及儲存策略。」樹木使用這種飢餓策略，能在極端氣候下存活多久?以及看起來明顯健康的樹木是否已經處於自我消化的緊急模式?這些都是在研究中要盡快釐清的衍生問題。但總結來說，碳饑餓導致雲杉樹累積了儲備的新發現，給森林從氣候變遷中復原帶來了希望。
先前關於植物儲存策略的研究對象僅限於如阿拉伯芥的一年生草本植物，且只在CO2飢餓中幾小時至數天。然而阿拉伯芥的發現，對於需要幾十年才能繁殖，且不斷暴露在季節變化及偶而發生極端氣候的多年生植物而言可能沒有什麼意義。Huang說:「當然，樹木必須遵循一種儲備策略，使它們生存的壽命能超過二年生植物，否則它們是如何在地球上存活將近4億年的？」iDiv和FSU的合著者Nicole van Dam教授說:「我們的合作發現，即使在高壓環境下碳被消耗，雲杉樹仍然可以儲存儲備，是很新奇和出乎我們意料的。他們給受到嚴重環境壓力的森林樹木群帶來希望，希望樹木們能利用這些儲備來恢復狀態。」針葉樹，如本研究的雲杉樹，主宰北半球許多生態系統，除了吸收和儲存溫室氣體二氧化碳之外，還有其他非常重要的生態功能。
但許多針葉樹種因為不適應氣候變遷帶來的暖化和乾旱狀態，而強烈感受到環境的威脅。針葉樹的生存和整體森林發展在植被模型中進行模擬。然而，模擬的情況是建立在先前「光合作用產物直接驅動植物生長」認知上，卻忽略了富含能量的糖會被分配到儲存和儲備中。Hartmann強調:根據我們的新發現，這種模型現在可以更真實地被設計，尤其是在氣候不斷改變的情況下，而這些更可靠的模型結果對於預測我們森林的未來極為重要。【延伸閱讀】紅樹林藍碳估算新方法
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