The impact of environmental drivers and competition on phenolic metabolite profiles in hybrid aspen and silver birch

Abstract

Taimed on paiksed organismid, mille tõttu ei ole neil võimalik ebasoodsate olude eest põgeneda. Ühe kohastumusena sünteesivad taimed teiseseid metaboliite – aineid, mis leevendavad kahjulikke keskkonnamõjusid, tõrjuvad herbivoore, patogeene jms. Nende ainete osakaal kogu taime metabolismist võib olla väga suur, mille tõttu võib taime kasv jääda väiksemaks. Selle töö fookuses on tesisestest metaboliitidest fenoolsed ühendid, nt flavonoidid ja tanniinid, mida leidub kõigis taimedes. Valdavalt on keskkonnatingimuste ja taimede kaitseainete vahelisi seoseid uuritud laboris, kuid vabas looduses mõjutavad taimi korraga mitmed erinevad stressitegurid, mille koosmõjud on etteennustamatud. Välitingimustes läbiviidud katsed annavad suure praktilise potentsiaaliga teadmisi, mis on näiteks rakendatavad puistute majandamisel. Antud doktoritöös uuriti, kuidas keskkonnatingimused, puudevaheline ja võrasisene konkurents ning metsanduslikud praktikad (harvendusraie tüübid) mõjutavad hübriidhaava (Populus tremula L. × P. tremuloides) ja arukase (Betula pendula) lehtedes ning juurtes leiduvate fenoolsete ühendite sisaldust. Selgus, et keskkonnatingimusete mõjul muutub kaitseainete sisaldus rohkem konkurentsis allajäänud väikestes puudes kui domineerivates puudes. Ulatuslik harvendamine avaldas kasvus allajäänud hübriidhaava lehtede fenoolsete ühendite sisaldusele pikaajalist mõju, kuid ei mõjutanud fenoolsete ühendite sisaldust domineerivates puudes. Ka aasta keskmine temperatuur mõjutas enam väiksemate puude kaitseainete profiili. Lisaks leiti, et selliste fenoolsete ühendite nagu hüdroksübensoaadid ja kondenseerunud tanniinid sisaldus nii lehtedes kui juurtes võib olla hea stressiindikaator jahedamates, niiskemates ja varjulisemates kasvutingimustes, samas kui lehtede flavonoidide sisaldus oli tugevas seoses valguse intensiivsusega. Kokkuvõtvalt, puude kaitseainete sisaldus võib viidata puu konkurentsistaatusele aga ka ressursside kättesaadavusele keskkonnas. Et kaitseainetesse ja kasvu investeerimise vahel on lõivsuhe, on soovitatav vähemintensiivne varane harvendamine, et puistu kasvupotentsiaali efektiivsemalt ära kasutada.

Plants are sessile organisms, which means they can’t escape from adverse growing conditions. As an adaptation, plants synthesise specialised metabolites (SM) – compounds that mitigate harmful environmental conditions, deter herbivores, pathogens, etc. The proportion of these metabolites in the metabolism of the whole plant can be very high, which can cause the plant’s growth rate to decrease. The focus of this study is on phenolic compounds, like flavonoids and tannins, found in all plant species. Most studies on the relationships between plant SM and environmental conditions have been conducted in growth chambers. However, the changes in plant SM are better studied in field experiments in which both abiotic and biotic factors influence the plant simultaneously. The aim of this thesis was to investigate the impact of competition and environmental conditions on the SM of hybrid aspen (Populus tremula L. × P. tremuloides) and silver birch (Betula pendula) trees growing in field conditions. The results showed that competitively suppressed trees were more susceptible to different environmental drivers than dominant trees were. Extensive thinning had a strong effect on the phenolic content of competitively suppressed hybrid aspen, whereas thinning didn’t affect the SM content of dominant residual trees. The phenolic profile of suppressed trees also reacted more strongly to changes in mean annual temperature. In addition, it was found that the content of hydroxybenzoates and condensed tannins in both leaves and roots was a good predictor of stressful conditions, while the content of flavonoids in leaves was strongly related to light intensity. The SM profiles illustrated the different needs for protection against irradiance possessed by suppressed and dominant trees, as well as illustrating different resource supply. The long-lasting effects of extensive thinning on suppressed residual tree SM profiles, as well as the fact that SM synthesis is an additional cost at the expense of tree growth, should be considered in forest management practises.