Хиральные монотерпены раскрывают механизмы выбросов лесов и реакцию на засуху

Nature, том 609, страницы 307–312 (2022 г.) Процитировать эту статью

7942 Доступа

4 цитаты

222 Альтметрика

Подробности о метриках

Монотерпены (C10H16) в больших количествах выбрасываются растительностью в атмосферу (>100 ТгС/год), где они легко вступают в реакцию с гидроксильными радикалами и озоном, образуя новые частицы и, следовательно, облака, влияя на радиационный баланс Земли и тем самым , изменение климата1,2,3. Хотя большинство монотерпенов существует в двух хиральных зеркальных формах, называемых энантиомерами, эти (+) и (-) формы редко различаются в исследованиях по измерению или моделированию4,5,6. Поэтому индивидуальные пути образования монотерпеновых энантиомеров в растениях и их экологические функции изучены недостаточно. Здесь мы представляем данные об энантиомерном разделении атмосферных монотерпенов и изопрена из замкнутой экосистемы тропических лесов в отсутствие ультрафиолетового света и химического окисления в атмосфере во время четырехмесячного эксперимента с контролируемой засухой и повторным увлажнением7. Удивительно, но выделенные энантиомеры показали отчетливые пики суточной эмиссии, которые по-разному реагировали на прогрессирующую сушку. Изотопная маркировка установила, что растительность выделяет в основном синтезированный de novo (-)-α-пинен, тогда как (+)-α-пинен выделяется из водохранилищ. По мере развития засухи источник выбросов (-)-α-пинена переместился в водохранилища, что способствовало образованию облаков. Соотношения смешивания обоих энантиомеров α-пинена перед засухой лучше коррелировали с другими монотерпенами, чем друг с другом, что указывает на различные ферментативные элементы контроля. Эти результаты показывают, что энантиомерное распределение является ключом к пониманию основных процессов, вызывающих выбросы монотерпенов из лесных экосистем, и прогнозированию атмосферных обратных связей в ответ на изменение климата.

До сих пор мало внимания уделялось различным хиральным формам монотерпенов ((+) и (-)), поскольку оба энантиомера имеют одинаковые физические свойства и скорости реакции с OH и O3 (ссылка 8), поэтому большинство атмосферных полевые и модельные исследования не различают их4,5,6. Однако это неявно предполагает, что источники и стоки обоих энантиомеров идентичны, хотя пути и движущие силы производства отдельных энантиомеров неясны. Недавние измерения в лесах показали неравные (нерацемические) концентрации энантиомеров, которые иногда даже не коррелируют друг с другом9,10, что указывает на различные механизмы происхождения. Хотя в некоторых сообщениях предполагается, что биосинтез энантиомеров однороден на всем отдельном растении10, листья, кора и почвенная подстилка в однородном лесу имеют отчетливые хиральные признаки11, что убедительно свидетельствует о том, что процессы выделения и удаления этих хиральных видов (и, следовательно, монотерпенов в целом ) не совсем понятны.

Выбросы изопрена лучше изучены, чем выбросы монотерпенов, и в целом модели, прогнозы и измерения согласованы12,13. Синтез изопрена происходит по 2-C-метил-d-эритрит-4-фосфатному пути, при котором фотосинтетически ассимилированный CO2 превращается в предшественник изопрена, изопентенилдифосфат, и непосредственно выделяется из листа (эмиссия de novo)12. Синтез монотерпенов также происходит по 2-C-метил-d-эритрит-4-фосфатному пути, но некоторые монотерпены синтезируются по мевалонатному пути. Оба пути приводят к образованию изопентенилдифосфата, который соединяется со своим изомером, диметилаллилдифосфатом, с образованием общего монотерпенового предшественника геранилдифосфата14,15. Ферменты, известные как терпенсинтазы, преобразуют геранилдифосфат в набор монотерпенов, так что хиральные монотерпены, продуцируемые конкретным ферментом, обычно находятся в одной хиральной форме (-) или (+)16,17. Монотерпены могут выделяться в результате эмиссии de novo или из пулов хранения, таким образом, независимо от времени биосинтеза. Виды широколистных растений, типичные для тропиков, обычно накапливают монотерпены неспецифически в листьях, в основном в липидной фазе, а также в небольшом количестве в водной фазе листа18,19. Процессы, регулирующие производство и потенциальное хранение монотерпенов, вероятно, определяют общую характеристику хирального излучения растения, и неясно, как они изменятся в ответ на экстремальные климатические явления, такие как засуха. Ожидается, что в XXI веке засухи участятся20, вызывая нарушения функционирования экосистем21 и выбросы летучих органических соединений (ЛОС) из лесов22. Сообщаемые реакции выбросов монотерпенов на засуху сильно различаются и зависят от конкретного растения, что делает эмпирически обоснованные реестры ахиральных выбросов недостоверными23,24,25,26,27. Однако, поскольку хиральные соединения напрямую связаны с лежащими в основе ферментативными процессами, они могут лечь в основу улучшенной схемы выбросов.

15 cm) trees, about 10% in the understory trees and around 5% in the understory herbaceous species (including Musa sp., Alpinia sp., Hedychium sp. and Zingiber sp., planted along the walls). Clitoria fairchildiana dominates the canopy (around 33%). Pterocarpus indicus and H. tiliaceus each take up about 15% and 10% of the canopy, respectively. All other tree species take up 5% or less each./p> 0.1 μmol m−2 s−1). Here the focus is on enantiomeric monoterpenes, which can only be measured by GC-MS techniques, as pre-separation is required. Therefore, again for consistency, we use the isoprene measured by the same GC-MS instrument. Although broadly similar in the temporal behaviour, the isoprene traces from both systems diverged in concentration during the early drought period (PTR-TOF-MS was lower). Despite rigorous investigation of both systems, no cause for the discrepancy could be found, even with the inlets being closely located to each other. Therefore, we concluded that the only remaining plausible cause for the discrepancy is that the sampling lines for the two instruments had differing flow rates, which sampled different locally influenced air. As the temporal behaviour of isoprene is used only as an indicator of the general behaviour of the de novo emission signal, the short-term differences in isoprene concentrations between the instruments are not important in this context, and the same conclusions can be drawn using the other dataset./p>