Khí thải sesquiterpene từ thực vật: một tổng quan
Tóm tắt
Tóm tắt. Bài tổng quan tài liệu này tổng hợp các yếu tố môi trường điều khiển khí thải sesquiterpene (SQT) sinh học và trình bày danh sách các loài thực vật phát thải SQT, cũng như số lượng và tỷ lệ các loài SQT đã được quan sát phát thải. Kết quả từ nhiều nghiên cứu trong điều kiện nhốt cho thấy sự biến đổi khí thải SQT theo thời gian chủ yếu bị chi phối bởi nhiệt độ môi trường, mặc dù các yếu tố khác cũng góp phần (ví dụ như sự biến đổi theo mùa). Điều này cho thấy rằng khí thải SQT có ý nghĩa quan trọng hơn vào những thời điểm nhất định trong năm, đặc biệt là từ cuối mùa xuân đến giữa mùa hè. Sự phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ của khí thải SQT cũng tạo ra khả năng đáng kể về việc tăng khí thải SQT trong điều kiện khí hậu ấm lên. Các tác động đối với thảm thực vật (từ động vật ăn cỏ và có thể là các sự kiện thời tiết khắc nghiệt) rõ ràng cũng rất quan trọng trong việc kiểm soát những đợt phát thải SQT ngắn hạn, mặc dù mức độ đóng góp tương đối của khí thải do tác động gây ra thì chưa được biết đến. Dựa trên các nghiên cứu về khí thải SQT sinh học được xem xét ở đây, tỷ lệ khí thải SQT giữa nhiều loài đã được quan sát cho thấy có phạm vi rộng lớn, và thể hiện sự biến đổi đáng kể giữa các cá thể và qua các loài, cũng như ở các trạng thái môi trường và sinh trưởng khác nhau. Tỷ lệ khí thải này trải dài qua nhiều bậc (10s–1000s ng gDW-1 h−1). Nhiều tỷ lệ cao hơn đã được báo cáo bởi các nghiên cứu SQT sớm, có thể đã bao gồm mức khí thải SQT cao do nhiệt độ trong điều kiện nhốt cao hơn nhiệt độ môi trường và các tác động đến thực vật trong điều kiện nhốt trước và trong quá trình thu mẫu. Khi dự đoán các luồng SQT ở cấp độ cảnh quan, các nhà mô hình phải xem xét nhiều nguồn biến đổi tác động đến khí thải SQT quan sát được. Các mô tả về luồng SQT trong cảnh quan và toàn cầu đều rất không chắc chắn do sự khác biệt và không chắc chắn trong các phương thức thí nghiệm và đo lường, sự biến đổi lớn trong các tỷ lệ khí thải quan sát được từ các loài khác nhau, sự lựa chọn các loài đã được nghiên cứu cho đến nay, và sự chưa rõ ràng trong việc kiểm soát khí thải. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải có các quy trình thí nghiệm chuẩn hóa, đặc điểm hóa tốt hơn về khí thải do tác động gây ra, sàng lọc các loài thực vật chủ yếu, và thu thập nhiều mẫu từ một vài cá thể trong cùng một loài hoặc chi cũng như việc cải thiện hiểu biết về sự phụ thuộc theo mùa của khí thải SQT nhằm cải thiện việc đại diện cho tỷ lệ khí thải SQT.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Agelopoulos, N. G., Chamberlain, K., and Pickett, J. A.: Factors affecting volatile emissions of intact Potato plants, \\textitSolanum tuberosum: variability of quantities and stability of ratios, J. Chem. Ecol., 26, 497–511, 2000.
Arey, J., Crowley, D. E., Crowley, M., Resketo, M., and Lester, J.: Hydrocarbon emissions from natural vegetation in California's South Coast Air Basin, Atmos. Environ., 29, 2977–2988, 1995.
Arimura, G., Huber, D. P. W., and Bohlmann, J.: Forest tent caterpillars (\\textitMalacosoma disstria) induce local and systemic diurnal emissions of terpenoid volatiles in hybrid poplar (\\textitPopulus trichocarpa$\\times$\\textitdeltoides): cDNA cloning, functional characterization, and patterns of gene expression of (–)-germacrene D synthase, \\textitPtdTPS1, The Plant J., 37, 603–616, 2004.
Atkinson, R. and Arey, J.: Gas-phase tropospheric chemistry of biogenic volatile organic compounds: a review, Atmos. Environ., 37(Supp. No. 2), S197–S219, 2003.
Chen, F., Tholl, D., D'Auria, J.C., Farooq, A., Pichersky, E., and Gershenzon, J.: Biosynthesis and emission of terpenoid volatiles from Arabidopsis flowers, Plant Cell, 15, 481-494, 2003.
Ciccioli, P., Brancaleoni, E., Frattoni, M., Di Palo, V., Valentini, R., Tirone, G., Seufert, G., Bertin, N., Hansen, U., Csiky, O., Lenz, R., and Sharma, M.: Emission of reactive terpene compounds from orange orchards and their removal by within-canopy processes, J. Geophys. Res., 104, 8077–8094, 1999.
Degenhardt, D. C. and Lincoln, D. E.: Volatile emissions from an odorous plant in response to herbivory and methyl jasmonate exposure, J. Chem. Ecol., 32, 725–743, 2006.
Dement, W. A., Tyson, B. J., and Mooney, H. A.: Mechanism of monoterpene volatilization in \\textitSalvia mellifera, Phytochemistry, 14, 2555–2557, 1975.
De Moraes, C. M., Mescher, M. C., and Tumlinson, J. H.: Caterpillar-induced nocturnal plant volatiles repel conspecific females, Nature, 410, 577–580, 2001.
Dudareva, N., Andersson, S., Orlova, I., Gatto, N., Reichelt, M., Rhodes, D., Boland, W., and Gershenzon, J.: The nonmevalonate pathway supports both monoterpene and sesquiterpene formation in snapdragon flowers, Proc. Natl. Acad. Sci., 102, 933-938, 2005.
Fehsenfeld, F., Calvert, J., Fall, R., Goldan, P., Guenther, A. B., Hewitt, C. N., Lamb, B., Liu, S., Trainer, M., Westberg, H., and Zimmerman, P.: Emissions of volatile organic compounds from vegetation and the implications for atmospheric chemistry, Global Biogeochem. Cycles, 6, 389–430, 1992.
Fuentes, J. D., Lerdau, M., Atkinson, R., Baldocchi, D., Bottenheim, J. W., Ciccioli, P., Lamb, B., Geron, C., Gu, L., Guenther, A., Sharkey, T. D., and Stockwell, W.: Biogenic hydrocarbons in the atmospheric boundary layer~: a review, Bull. Amer. Met. Soc. 81, 1537–1575, 2000.
Geron, C., Guenther, A., Greenberg, J., Karl, T., and Rasmussen, R.: Biogenic volatile organic compound emissions from desert vegetation of the southwestern US, Atmos. Environ., 40, 1645–1660, 2006.
Gouinguené, S. P. and Turlings, T. C. J.: The effects of abiotic factors on induced volatile emissions in corn plants, Plant Phys., 129, 1296–1307, 2002.
Guenther, A. B., Zimmerman, P. R., Harley, P. C., Monson, R. K., and Fall, R.: Isoprene and monoterpene emission rate variability: model evaluations and sensitivity analyses, J. Geophys. Res., 98, 12 609–12 617, 1993.
Guenther, A., Zimmerman, P., and Wildermuth, M.: Natural volatile organic compound emission rate estimates for U.S. woodland landscapes, Atmos. Environ., 28, 1197–1210, 1994.
Hakola, H., Laurila, T., Lindfors, V., Hellén, H., Gaman, A., and Rinne, J.: Variation of the VOC emission rates of birch species during the growing season, Boreal Environ. Res., 6, 237–249, 2001.
Hakola, H., Tarvainen, V., Bäck, J., Ranta, H., Bonn, B., Rinne, J., and Kulmala, M.: Seasonal variation of mono- and sesquiterpene emission rates of Scots Pine, Biogeosciences, 3, 93–101, 2006.
Hansen, U. and Seufert, G.: Terpenoid emission from \\textitCitrus sinensis (L.) OSBECK under drought stress, Phys. Chem. Earth (B), 24, 681–687, 1999.
Hansen, U. and Seufert, G.: Temperature and light dependence of $\\beta $-caryophyllene emission rates, J. Geophys. Res., 108, 4801, https://doi.org/10.1029/2003JD003853, 2003.
Harley, P., Guenther, A., and Zimmerman, P.: Effects of light, temperature and canopy position on net photosynthesis and isoprene emission from sweetgum (Liquidambar styraciflua) leaves, Tree Physiology, 16, 25–32, 1996.
Helmig, D., Klinger, L. F., Guenther, A., Vierling, L., Geron, C., and Zimmerman, P.: Biogenic volatile organic compound emissions (BVOCs): I. Identifications from three continental sites in the U.S., Chemosphere, 38, 2163–2187, 1999.
Helmig, D., Revermann, T., Pollmann, J., Kaltschmidt, O., Jiménez Hernández, A., Bocquet, F., and David, D.: Calibration system and analytical considerations for quantitative sesquiterpene measurements in air, J. Chrom. A, 1002, 193–211, 2003.
Helmig, D., Bocquet, F., Pollmann, J., and Revermann, T.: Analytical techniques for sesquiterpene emission rate studies in vegetation enclosure experiments, Atmos. Environ., 38, 557–572, 2004.
Helmig, D., Ortega, J., Guenther, A., Herrick, J., and Geron, C.: Sesquiterpene emissions from Loblolly Pine and their potential contribution to biogenic aerosol formation in the Southeastern US, Atmos. Environ., 40, 4150–4157, 2006.
Helmig, D., Ortega, J., Duhl, T., Tanner, D., Guenther, A., Harley, P., Wiedinmyer, C., Milford, J., and Sakulyanontvittaya, T.: Sesquiterpene emissions from pine trees – Identifications, emission rates, and flux estimates for the contiguous United States, Environ. Sci. Technol. 41, 1545–1553, 2007.
Helsper, J. P. F. G., Davies, J. A., Bouwmeester, H. J., Krol, A. F., and van Kampen, M. H.: Circadian rhythmicity in emission of volatile compounds by flowers of \\textitRosa hybrida L. cv. Honesty, Planta, 207, 88–95, 1998.
Holzke, C., Hoffmann, T., Jaeger, L., Koppmann, R., and Zimmer, W.: Diurnal and seasonal variation of monoterpene and sesquiterpene emissions from Scots Pine (\\textitPinus silvestris L.), Atmos. Environ., 40, 3174–3185, 2006.
Huber, D. P. W., Ralph, S., and Bohlmann, J.: Genomic hardwiring and phenotypic plasticity of terpenoid-based defenses in conifers, J. Chem. Ecol., 30, 2399–2418, 2004.
Kesselmeier, J. and Staudt, M.: Biogenic volatile organic compounds (VOC): an overview on emission, physiology, and ecology, J. Atmos. Chem., 33, 23–88, 1999.
Kesselmeier, J., Ciccioli, P., Kuhn, U., Stefani, P., Biesenthal, T., Rottenberger, S., Wolf, A., Vitullo, M., Valentini, R., Nobre, A., Kabat, P., and Andreae, M. O.: Volatile organic compound emissions in relation to plant carbon fixation and the terrestrial carbon budget, Global Biogeochem. Cycles, 16, 1126, https://doi.org/10.1029/2001GB001813, 2002.
Komenda, M., Parusel, E., Wedel, A., and Koppmann, R.: Measurements of biogenic VOC emissions: sampling, analysis and calibration, Atmos. Environ., 35, 2069–2080, 2001.
König, G., Brunda, M., Puxbaum, H., Hewitt, C. N., Duckham, S. C., and Rudolph, J.: Relative contribution of oxygenated hydrocarbons to the total biogenic VOC emissions of selected mid-European agricultural and natural plant species, Atmos. Environ., 29, 861–874, 1995.
Kulmala, M., Hari, P., Laaksonen, A., Vesala, T., and Viisanen, Y.: Research unit of physics, chemistry and biology of atmospheric composition and climate change: overview of recent results, Boreal Environ. Res., 10, 459–477, 2005.
Lathière, J., Hauglustaine, D. A., Friend, A. D., De Noblet-Ducoudrè, N., Viovy, N., and Folberth, G. A.: Impact of climate variability and land use changes on global biogenic volatile organic compound emissions, Atmos. Chem. Phys., 6, 2129–2146, 2006.
Maes, K. and Debergh, P. C.: Volatiles emitted from in vitro grown tomato shoots during abiotic and biotic stress, Plant Cell Tissue and Organ Culture, 75, 73–78, 2003.
Martin, D. M., Gershenzon, J., and Bohlmann, J.: Induction of volatile terpene biosynthesis and diurnal emission by methyl jasmonate in foliage of Norway spruce, Plant Phys., 132, 1586–1599, 2003.
Merfort, I.: Review of the analytical techniques for sesquiterpenes and sesquiterpene lactones, J. Chromatogr. A, 967, 115-130, 2002.
Ormeño, E., Fernandez, C., Bousquet-Mélou, A., Greff, S., Morin, E., Robles, C., Vila, B., and Bonin, G.: Monoterpene and sesquiterpene emissions of three Mediterranean species through calcareous and siliceous soils in natural conditions, Atmos. Environ., 41, 629-639, 2007a.
Ormeño, E., Mévy, J.P., Vila, B., Bousquet-Mélou, A., Greff, S., Bonin, G., and Fernandez, C.: Water deficit stress induces different monoterpene and sesquiterpene emission changes in Mediterranean species. Relationship between terpene emissions and plant water potential, Chemosphere, 67, 276-284, 2007b.
Pollmann, J., Ortega, J., and Helmig, D.: Analysis of atmospheric sesquiterpenes: Sampling losses and mitigation of ozone interferences, Environ. Sci. Technol., 39, 9620–9629, 2005.
Ruther, J. and Kleier, S.: Plant-plant signaling: Ethylene synergizes volatile emission in \\textitZea mays induced by exposure to (Z)-3-Hexen-1-ol, J. Chem. Ecol., 31, 2217–2222, 2005.
Ruuskanen, T. M., Hakola, H., Kajos, M. K., Hellén, H., Tarvainen, V., and Rinne, J.: Volatile organic compound emissions from Siberian larch, Atmos. Environ., 41, 5807-5812, 2007.
Schade G. W. and Goldstein, A. H.: Fluxes of oxygenated volatile organic compounds from a ponderosa pine plantation, J. Geophys. Res., 106, 3111–3123, 2001.
Schuh, G., Heiden, A. C., Hoffmann, Th., Kahl, J., Rockel, P., Rudolph, J., and Wildt, J.: Emissions of volatile organic compounds from Sunflower and Beech: dependence on temperature and light intensity, J. Atmos. Chem., 27, 291–318, 1997.
Tarvainen, V., Hakola, H., Hellén, H., Bäck, J., Hari, P., and Kulmala, M.: Temperature and light dependence of the VOC emissions of Scots Pine, Atmos. Chem. Phys., 5, 989–998, 2005.
Tholl, D., Chen, F., Petri, J., Gershenzon, J., and Pichersky, E.: Two sesquiterpene synthases are responsible for the complex mixture of sesquiterpenes emitted from Arabidopsis flowers, Plant J., 42, 757-771, 2005.
Tholl, D., Boland, W., Hansel, A., Loreto, F., Röse, U.S.R., and Schnitzler, J.-P.: Practical approaches to plant volatile analysis, Plant J., 45, 540-560, 2006.
Turlings, T. C. J., Loughrin, J. H., McCall, P. J., Röse, U. S. R., Lewis, W. J., and Tumlinson, J. H.: How caterpillar-damaged plants protect themselves by attracting parasitic wasps, Proc. Natl. Acad. Sci., 92, 4169–4174, 1995.
Vuorinen, T., Nerg, A.-M., Ibrahim, M. A., Reddy, G. V. P., and Holopainen, J. K.: Emission of \\textitPlutella xylostella-induced compounds from cabbages grown at elevated CO2 and orientation behavior of the natural enemies, Plant Phys., 135, 1984–1992, 2004.
Vuorinen, T., Nerg, A.-M., Vapaavuori, E., and Holopainen, J. K.: Emission of volatile organic compounds from two silver birch (\\textitBetula pendula Roth) clones grown under ambient and elevated CO2 and different O3 concentrations, Atmos. Environ., 39, 1185–1197, 2005.