Stabilní izotopy v ekologii rostlin

Izotopové analýzy se používají v mnoha studiích v souvislosti s klimatickými změnami a to zejména δ¹³C, δ²H a δ¹⁸O v kontextu s teplotou vzduchu a relativní vlhkostí, stejně jako se srážkami. Některé studie spojují izotopový signál (především δ¹³C a δ¹⁵N) se znečištěním ovzduší nebo s hnojením.

Základy problematiky, trocha teorie

Izotopy (nuklidy) daného prvku mají stejný počet elektronů a protonů, liší se však v počtu neutronů v jádře. Radioizotopy se za určitých podmínek rozpadají, emitují záření a přeměňují se. Stabilní izotopy se nerozpadají. Těžší izotopy jsou většinou vzácnější (výjimka je např. lithium nebo bor). Izotopy mají shodné chemické vlastnosti, ale rozdíl ve hmotnosti dovoluje fyzikálním, chemickým a biologickým procesům zvýhodňovat jeden z izotopů, čímž předávají environmentální signál (McCarroll&Loader, 2004).

Prvek	Izotop	Abundance v %
vodík	1H	99,985
	2H	0,015
uhlík	12C	98,982
	13C	1,018
dusík	14N	99,633
	15N	0,366
kyslík	16O	99,759
	17O	0,037
	18O	0,204

tabulka 1 Přehled výskytu jednotlivých stabilních izotopů vybraných prvků

Poměr těžšího izotopu k lehčímu se označuje R (R ¹³C = ¹³C/¹²C). Izotopové složení vzorku se vyjadřuje jako relativní odchylka poměru těžšího a lehčího izotopu ve vzorku a standardu k poměru těžšího a lehčího izotopu ve standardu viz rovnice 1.

Izotopový efekt (α) je způsoben rozdílnými fyzikálními nebo chemickými vlastnostmi, které vyplývají z rozdílů v atomové hmotnosti. Jedná se o kinetický izotopový efekt a rovnovážný izotopový efekt. Kinetický izotopový efekt je spojen s nepřímými, ireverzibilními procesy jako je evaporace, difuse, disociační reakce. Je následkem různých rychlostí přesunu různých izotopomerů (např. ¹²CO₂ nebo ¹³CO₂). Rovnovážný (termodynamický) izotopový efekt je způsoben vlivem hmotnosti na termodynamické vlastnosti molekul, tzn.vliv hmotnosti na pevnost vazeb v chemické sloučenině. Molekuly obsahující těžký izotop jsou stabilnější než molekuly s lehkým izotopem.

Pro izotopové složení se v mnoha biologických pracích používá termín izotopová diskriminace. Pro lepší porovnávání vzorků mezi sebou bylo zavedeno vyjadřování izotopové diskriminace pomocí Δ. Její výhodou je, že je nezávislá na standardu a je možné ji použít při sériových pokusech viz rovnice 2.

Pro studie, kde se používá obohacený materiál (přidání značkovací substance tzv. traceru), se rovnice modifikuje, protože izotopové složení se vymyká jakékoli přirozené úrovni, používá se k vyjádření "atomové procento" (A _b ), které je definováno jako A _b = X_heavy/(X_heavy + X_light) = 100*(R_sample/(R_sample + 1))

Studie na úrovni rostlin

Studie zaměřené na rostlinu jako jednotku, která roste v určitých podmínkách a potřebuje využívat jisté zdroje, které zároveň limitují její růst, přežití a výskyt – tyto studie se zaměřují nejčastěji právě na vodu, uhlík a dusík.

Uhlík

Rostliny využívají různé fotosyntetické cesty poutání uhlíku. Zdrojem uhlíku pro fotosyntetické procesy je oxid uhličitý ze vzduchu. Poměr izotopu ¹³C ke ¹²C v oxidu uhličitém ve vzduchu v současné době představuje hodnotu δ¹³C okolo -8 ‰. Míra ochuzení atmosférického CO₂ se zvyšuje díky spalování fosilních paliv a odlesňování.

Rostlinná biomasa nabývá hodnot izotopového signálu v určitém intervalu v závislosti na mechanismu fotosyntézy. Hodnoty pro CAM a C3 rostliny leží v intervalu okolo 15 až 25 ‰ (nebo –20 až –35 ‰ při použití vyjádření pomocí δ¹³C), u C4 rostlin, kde je prvním produktem fotosyntézy čtyřuhlíkatá sloučenina, leží hodnoty mezi 2,5 a 5 ‰ (-11 až –15 s použitím δ¹³C).

Tato změna v izotopovém poměru mezi zdrojem a produktem je označována termínem frakcionace a stupeň frakcionace je závislý na velikosti (míře) reakce rostliny na podmínky prostředí. Mechanismus diskriminace ¹³C/¹²C je vysvětlen teoreticky (Farquhar et al., 1982) a pro C3 rostliny může být vyjádřen jako: Δ ‰ = a + (b - a)(ci/ca),

kde a je diskriminace ¹³CO₂ během difuse skrz průduchy (~ 4,4 ‰), b je čistá diskriminace při karboxylaci (~ 27 ‰) a _ci a _ca je koncentrace CO₂ v intercelulárních prostorech a v atmosféře (Farquhar et al., 1982; McCarroll & Loader, 2004).

Světlo, vzdušná vlhkost, srážky a teplota jsou environmentální faktory známé svým vlivem na fotosyntézu díky svému vlivu na stomatální vodivost a fixaci CO₂. Nepřímo ovlivňují signál δ¹³C v krátkém (cukry, škrob) nebo v dlouhém (rostlinné tkáně, letokruhy) časovém intervalu. Z tohoto důvodu se velmi často používá hodnota δ13C letokruhů k rekonstrukcím klimatu.

Již samotný rozdíl v hodnotách izotopového signálu C3 a C4 nabízí prostor pro nesčetné archeologické / paleozemědělské aj. studie (např. studium δ¹³C lidského kolagenu ukázalo, že se pěstování kukuřice (C4 rostlina) rozšířilo ze střední Ameriky do Jižní a centrální Severní Ameriky kolem roku 1000 n.l.; stejně tak se dá třeba z exkrementů velkých savců žijících v savaně pozorovat, jak se mění složení potravy v závislosti na sezóně atd.)

Vodík a kyslík

Rostlina přijímá vodu kořeny nebo z okolního prostředí celým povrchem (vodní rostliny). Během příjmu k frakcionaci nedochází a voda v rostlině má shodný signál se zdrojovou vodou; k frakcionaci dochází při výparu a proto jsou výparná místa v listu obohacena až o 50 ‰ proti vodě ve stonku.

Míra obohacení vody v listu ze zdrojové vody na místě výparu (Δ¹⁸O_e ) je dána vztahem (viz rovnice 3), kde ε* je rovnovážný izotopový efekt frakcionace vody (je poměrem izotopových poměrů těžších a lehčích izotopů v kapalné a plynné fázi (ε^*= R_kapal/R_plyn), εk je kinetický efekt, tedy frakcionace vody difusí přes stomata a hraniční listovou vrstvu, Δ¹⁸O_v je izotopové složení vodních par v atmosféře (vyjádřeno relativně vzhledem ke zdrojové vodě; Δ¹⁸O_v= R_atm/R_zdroj -1) a e_a a e jsou tlaky vodní páry v atmosféře (vně listu) a v intercelulárním prostoru uvnitř listu, přičemž platí, že δ¹⁸O_e > δ18O vody v listu (Pécletův efekt).

K frakcionaci může docházet i vlivem solí rozpuštěných ve vodě. Sladká voda je v porovnání s mořskou ochuzena o deuterium a v pobřežních oblastech je pak možné sledovat, který zdroj vody využívají pobřežní rostliny v jaké míře (většina tropických a subtropických dřevin využívá srážkovou nebo odtokovou vodu).

Analýzy stabilních izotopů vodíku a kyslíku se v současné době hojně využívají ke zjišťování a zlepšování našich vědomostí o vodním provozu rostlin a příklady ukazují, jak mohou různé rostlinné druhy využívat zdroje vody v čase a prostoru. Úspěšně se používají při určení závislosti druhu na povrchové či spodní půdní vodě, povrchovém odtoku / proudící vodě nebo půdní vodě, zimních srážkách nebo mlze či monzunových deštích. Stejně tak se používají analýzy δD a δ¹⁸O k odlišení zdroje vody u různých druhů v rámci společenství rostlin na stanovišti nebo se využívají ke zjišťování změn zóny, ze které rostliny berou vodu během vegetačního období tam, kde půdní vlhkost v různých hloubkách během sezóny kolísá. Jde o studie značného významu, protože kořeny často prokořeňují celý půdní profil, ale přítomnost kořenů v určité hloubce neznamená vždy, že tyto kořeny se aktivně podílí na příjmu vody.

Izotopovou analýzu ¹⁸O/¹⁶O v letokruzích dřevin lze využít k rekonstrukci klimatu – vlhkosti vzduchu i teplot. Nejnovější studie se zaměřují na zkoumání δD a δ¹⁸O v půdě, rostlinách a výparu a používají se k vysvětlení úlohy rostlin v procesech na úrovni povodí či v hydrologickém cyklu samotném.

Symbióza rostlin a mykorhizních hub

Rostliny poskytují uhlíkaté sloučeniny houbám, houby zase pomáhají rostlinám získat některé živiny z půdy. Protože spojení mezi kořeny rostlin a houbami se dají dost špatně pozorovat a protože mnoho hub není hostitelsky specifických, houby mohou dostávat uhlíkaté sloučeniny od několika různých hostitelů, stejně jako rostlina může dostávat dusík od řady různých symbiotických hub.

Právě při pozorování, zkoumání a popisování složitých symbiotických vztahů jsou experimenty se značkovacími látkami v podobě těžších izotopů velkým pomocníkem.

Trofické vztahy

Některé studie ukazují na potravní vztahy například mezi mravenci a jejich hostitelskými rostlinami, kde mravenci poskytují rostlinám dusík a získávají uhlíkaté produkty. Některé příklady trofických studií již byly zmíněny výše.

Závěr

Díky mnoha studiím v tomto oboru udělalo naše vědění o světě rostlin a jejich fungování v přirozených podmínkách, a to i v paleontologickém kontextu, veliký pokrok a ukazuje se, že použití metod stabilních izotopů v ekologii rostlin přináší celou řadu výhod.

Dawson T.E., Mambelli S., Plamboeck A.H., Templer P.H., Tu K.P. 2002. Stable isotopes in plant ecology. Annual Review of Ecology Systematics 33: 507-59.