Stabil C, O és H izotópok a levélzetben és az évgyűrűkben Zoltán Kern

Miért mérjük? - megértsük a növényfiziológia folyamatokat - az évgyűrűkben rögzült információk segítségével rekonstruáljuk a múltbéli környezeti eseményeket - rekonstruáljuk a paleofiziológiai változásokat - előre jelezhessünk jövőbeli fiziológiai változásokat

Mit mérünk? Alfa-cellulóz n A fatestet sok szerves vegyület építi fel, ezek között az egyik uralkodó komponens az alfa-cellulóz, ami fafajtól környezeti tényezőktől függően a fatest kb.30-40%-át teszi ki. Nátrium klorátos és nátrium hidroxidos oldatokkal történt kezelések során minden egyéb komponenst kioldunk és csupán az alfa cellulózt tartjuk meg. Ennek oka, hogy a cellulóz bioszintézise viszonylag jól ismert. Kialakulása után nem mobilizálódik a fatestben, viszont az egész fatestben (minden évgyűrűben) megtalálható.

Mit mérünk? Mivel mérjük? Alfa-cellulóz n CO A kivont cellulózból egy pirolízis feltáró rendszerrel szén-monoxid gázt állítunk elő és a stabil szén, oxigén összetételének elemzése az ionizált szén-monoxid gázból történik. A stabilizotóp arányokat nemzetközi sztenderdekre meghatározott arányokhoz viszonyítjuk, és ezrelékben fejezzük ki. A Delta V típusú vivőgázas izotóparánymérő tömegspektométert az insfrastrukturális fejlesztéseknek köszönhetően sikerült beszerezni. Intézetünk stabilizotóp laboratóriumában korábban szilárd minták elemzésére alkalmas berendezés nem üzemelt. A pirolízis során a CO mellett hidrogén gáz keletkezik, a 2H/1H izotóparány mérésére lenne így lehetőség, de cellulóz esetében ez problémába ütközik. Lecserélhető hidrogén…. automata mintaadagoló (Costech) pirolízis feltáró rendszer (ThermoQuest TC-EA) izotóparánymérő tömegspektométer (Thermo Scientific Delta V Advantage

Laborépítés – további fejlesztések 2016 június -A TC-EA rendszerre sikeresen adaptáltuk a foszfát minták stabil oxigénizotóp analízisére alkalmas módszert. Két ezüst-foszfát házi sztenderdet készítettünk el. (2015. március-április) -A műszerparkot egy Flash EA elemanalizátorral bővítettük.(2014. december) -változtatható hőmérsékletű gőzkiegyenlítős mintaadagoló a nem-lecserélhető hidrogén izotópos elemzésére (2016. április)

A 13C/12C szignál A növényi szerves anyag szén forrása a légköri szén-dioxid. A légköri szén-dioxid a levélzetben kötödik meg a fotoszintézis során. Ehhez a folyamathoz 2 ponton kapcsolódik frakcionáció, ami azt jelenti, hogy a folyamat végén keletkező anyagban az izotóparány nem egyezik a kiindulási állapotot jellemző izotóparánnyal. A légköri szén-dioxid előbb a gázcserenyílásokon átjutáskor szenved egy ~-4.4 ezrelékes frakcionációt, mert a könnyebb szén-dioxid molekulák gyorsabban diffundálnak. A szén-dioxid megkötéséért felelős RUBISCO enzim pedig kevésbé szívesen választja (diszkriminálja) a nehezebb szén-dioxid molekulákat, ami egy jelentősebb ~-27 ezrelékes frakcionációt jelent. Nem menve jobban a részletekbe a két legfontosabb fiziológia folyamat (a fotoszintézis és a transpiráció vagy a gázcserenyílások vezetőképessége) versenyfutása határozza meg, hogy a két előbb említett frakcionáció relatív viszonya hogyan alakul.

Az 18O/16O szignál Sucrose formed (photoautotrophic fractionation: εHA=-171‰ 42% of O and 36% of H are exchanged A növényi szerves anyag elsődleges oxigén forrása a felvett víz. A felvett víz pedig jellemzően a gyökérzeten keresztül felvett felszín alatti víz. A felvett víz a levélzetben a párologtatás miatt izotóposan bedúsul. A levélzetbe diffundált szén-dioxid ezzel a bedúsult vízzel izotópos egyensúlyba kerül. Így a párolgás/párologtatás mértékétől függően módosult kiindulási víz szignál öröklődik át a fotoszintézis során keletkező termékekbe (elsősorban cukorba) de egy ez esetben ~27 ezrelékes mértékű frakciónálódással módosítva. A hidrogén esetében ehhez a lépéshez a nehéz izotóp markás diszkriminációja kapcsolódik. A fotoszintézis során termelődött cukrok szállítódnak a kambiumhoz ahol az új évgyűrűt építő sejtekhez szükséges cellulóz szintetizálódik. Ekkor egyrészt a glükóz gyűrűk felszakadnak és hexose foszfát keletkezik. Ebben a lépésben a kiindulási cukorban lévő oxigén atomok 20%-a kicsrélődik a környezetben lévő vízzel. A keletkező hexose fosztát egy része nem alakul át egyből cellulózzá, hanem tióz foszfát ciklusba kerül ahol további oxigén kicsrélődés is történik. Végeredményben a cellulóz szintéziskor az oxigén atomok kb 40 %-a kicserélődik a környezetében lévő vízzel, ami a már emlegetett gyökérzet által felvett talajvíz, másrészt ismét történik egy ~27 ezrelékes mértékű frakcionálódás. Laborkísérletek eredményei alapján ebben a fázisban a hidrogén atomok ~36%-a is kicserélődik. Az ezt követő cellulóz szintézis fázisához ismét jelentős frakcionálódás kapcsolódik. Oxigén esetében ez nagyjából megegyezik az autrotróf fázisban meghatározott értékkel, hidrogén esetében is hasonló nagyságrendű, de ellentétes előjelű. A pillanatnyi nézet szerint tehát a cellulóz stabil hidrogén és oxigénizotóp-összetétele tehát végső soron a kiindulási felvett víz és a levélzetben a bedúsult víz oxigénizotóp-összetételéből alakul ki. Az előbbit elsősorban a csapadékvíz határozza meg, míg a másodikat a környezeti vízpára stabil oxigénizotóp-összetétele, és a gázcserenyílások vezetőképessége, és a levélen belüli és a környezeti vízgőz páranyomásának különbsége. Ez utóbbi két paraméter pedig a relatív páratartalommal áll kapcsolatban. Heterotrophic metabolism : εOA=+27‰ εHA=+158‰ Based on: Sternberg 1989, Yakir & DeNiro 1990, Roden et al. 2000, McCarroll & Loader 2004

Roden model (Roden et al. 2000) These processes were summarized in these equations twelve years ago by John Roden . The Roden model employed the listed constant fractionations. The (almost) state-of-art mechanistic model for water isotopes in xylem cellulose

The Roden model predicts very similar behaviour for oxygen and hydrogen during cellulose synthesis. δ18Oxc vs δDxc calculated by the Roden model from a set of fictive leaf water (δ18Olw ; δDlw ) and xylem water (δ18Oxw and δDxw) series Based on the Roden model we expect that the degree of dampening of the evaporative-enrichment signal for hydrogen isotopes, the exchange with xylem water, is likely to be similar to that for oxygen. Shu et al. 2005 published a modified model. They state that the slope varies with humidity but the close to the slope of the waterline of the source water.

…the question Hangartner 2010 Corr. coeff Hafner et al. 2011 You can see in the plot as the correlation coefficient computed in 41-yr moving windows between O and H isotope chronologies from larch tree rings show significant fluctuations. Different colors represent the different set of samples those finally made up the millennial Loetschental chronology. Next plot is from a recent paper studying again larch tree-rings from Slovenia. Black dashed curve in the b part of the Figure shows the MW correlation between the water isotopes over the 20th century. The correlation seems to be high and stable for the first half of the century (higher than any period in the Loetschental record), however a sudden drop appears at 1970. So the phenomenon is not site specific. Finally here is another 400yrs-long record from the Cantabrian Mts. The species is Scots pine. There are some periods when the correlation practically change to significant anticorrelation. So the phenomenon is not species-specific. Observed fluctuations of synchroneity between water isotope chronologies challange the validity of the Roden model. Hafner et al. 2011

…the strategy measure the cellulose in a large set of leaf samples δ18Owl In order to find some explanantion for this phenomenon, and hopefully improve the O and H model of tree 3 research directions were designated. First, to build a high resolution interpolated dataset for water isotopes of the Swiss precipitation. Since this is the primary input signal for tree-rings so if we want to test any model for Loetschental chronologies or other chronologies from Switzerland we need the Secondly, measure water isotopes from leaf cellulose. As medium water of cellulose synthesis in the foligae is the leaf water, the Roden model is significantly simplified for leaf cellulose. Thirdly, test some modofication in the Roden model adopting some alternatives overlooked or rejected by Roden

A 18O/16O összetétel várhatóan átlagos nyári maximum hőmérsékleti proxi Szólni szükséges még arról is, hogy milyen környezeti paraméter rekonstrukciója várható a mért adatok alapján. Az időkeretekre tekintettel, csakaz oxigénizotópos adatokra fogok koncentrálni. Napi meteorológiai adatokkal végeztünk korrelációs vizsgálatot. A legjobb korrelációs kapcsolatot a napi maximum hőmérsékletek átlagolásánál kaptuk. Az eredmény a felső ábrarészen látható. Egy Kb 100 napos időszak (május 17-től augusztus 25-ig) napi maximum átlaghőmérsékletével összehasonlítva éri el a korrelációs együttható a maximumát. Azaz a nyári időszak, és egy kicsit a május vége határozza meg a cirbolya évgyűrűkben a stabil oxigénizotóp összetétel alakulását a kelem havasokban. Ennek az időszaknak a átlagos maximum hőmérséklete lesz a várhatóan rekonstruálható környezeti paraméter. De mi lesz a rekonstrukció érvényességi tartománya. Ennek a nyomozására térbeli korrelációs vizsgálatot végeztünk. A kelemen havasok cirbolyaévgyűrűiből mért átlagos d18O értékek idősorát 1901és 2009 között a nyári átlagos maximumhőmérsékletek rácshálós adatbázisával korreláltuk. A térkép a korrelációs koefficiensek jobb oldali színkód szerint színezett értékei alapján szerkesztettük. Látszik, hogy a korreláció maximum aBalkán közepén van, és Erdély és a Balkán egésze felett 0.5 felett van a korrelációs együtthetó. Várhatóan ide lesz érvényes majd a rekonstrukció.

Cirbolyafenyő (Pinus cembra) évgyűrűből kivont cellulóz stabil C- és O-izotóp összetétel a Kelemen-havasokban Lefedett időszak: 1513-2012 Mérve: 1485 évgyűrű A méréseket folytattuk. A kivetített grafikonok arról adnak tájékoztatást, hogy hol tartunk most. A 3 élő fa mellé egy negyedik minta elemzését is elvégeztük, valamint 4 régebben kidőlt holt fából származó minta adatainak elemzésével már 500 évre terjesztettük ki az adatokkal lefedett időszakot. Mérésre elő van készítve 2 további minta ( ez azt jelenti, hogy a leszeletelt évgyűrűk a cellulóz kivonás, és nagyrészt az ultrahangos homogenizálás megtörtént. Mérésre előkészítve: 272 leszeletelve: 354

Kutatási témaötlet: Gyapjúsás minták C-O-H izotóp összetétele Köszönöm a megtisztelő figyelmet!