La recherche en chimie des plantes examine les tendances de l’écologisation

Le chercheur de MSU Jack Brookshire a récemment publié un article dans Biologie du changement global examiner les raisons de l’augmentation de la productivité des plantes dans les grandes plaines du nord et les Rocheuses du nord. Le Brookshire examine le changement climatique et les processus biologiques pour comprendre les changements chimiques qui se produisent dans les plantes. Crédit: photo MSU.

Les recherches d’un professeur de l’Université d’État du Montana sur la chimie des plantes dans les grandes plaines et les Rocheuses du Nord ont été publiées dans Biologie du changement global, une revue de premier plan qui promeut l’exploration des liens entre les processus biologiques et les changements environnementaux.

Jack Brookshire, professeur agrégé au Département des ressources foncières et des sciences de l’environnement du MSU College of Agriculture, a combiné des données satellites et des échantillons de plantes de plus de 300 endroits dans le nord des grandes plaines et des Rocheuses du Nord pour examiner les tendances de l’écologisation, une métrique qui représente productivité végétale par photosynthèse. Le projet a débuté en 2016 et a été soutenu par un financement EPSCoR de la National Science Foundation et une subvention de recherche via la Montana Agriculture Experiment Station.

« Des études utilisant la télédétection ont montré qu’une grande partie de la surface terrestre de la Terre est devenue plus verte au cours des dernières décennies, principalement en raison de l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère », a déclaré Brookshire. « Cependant, il y avait aussi des preuves que la teneur en azote des plantes était en baisse. Personne n’avait encore combiné les analyses des tendances au verdissement de la végétation avec ces changements dans la chimie des plantes. »

Brookshire a travaillé avec des collaborateurs de l’Université du Wisconsin-Madison et de l’Idaho State University, ainsi qu’avec des étudiants diplômés et de premier cycle à MSU pour examiner si les changements climatiques régionaux ou l’augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique étaient la cause de l’écologisation accrue dans le Montana et le nord du Grand Nord. Plaines. Bien qu’une productivité accrue puisse sembler un avantage, Brookshire a déclaré que la question était de savoir comment ces augmentations étaient durables et si l’augmentation de l’écologisation modifiait la composition chimique des plantes elles-mêmes.

Les travaux ont commencé par passer au crible près de deux décennies de données satellitaires d’un programme de la NASA appelé MODIS, qui recueille des données de toute la surface de la Terre tous les 1-2 jours. Le groupe de Brookshire a analysé des données d’indice de différence de végétation normalisées, qui mesurent la quantité de lumière réfléchie par les plantes. En 20 ans, ils ont noté que l’écologisation des grandes plaines septentrionales et des montagnes Rocheuses septentrionales avait considérablement augmenté, mais la différence était plus prononcée dans les grandes plaines septentrionales.

« Les augmentations les plus importantes du verdissement se sont produites aux endroits où il faisait le plus chaud et le plus sec, pensons-nous, car ce sont les gains les plus marginaux à réaliser en réponse au dioxyde de carbone et au changement climatique étant donné les changements de physiologie végétale que nous observons », a déclaré Brookshire. « De plus, une grande partie des Grandes Plaines du Nord a connu une augmentation des précipitations au cours des dernières décennies, et nous trouvons des preuves que cela a été un moteur majeur des tendances au verdissement. »

Cependant, alors que les tendances au verdissement variaient selon l’emplacement géographique, le Brookshire voulait voir si les changements physiologiques dans les plantes elles-mêmes étaient uniformes dans les deux régions. Si tel est le cas, la cause la plus probable serait une augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique. L’augmentation du dioxyde de carbone est de portée mondiale et ne fluctuerait pas régionalement, a déclaré Brookshire.

Pour tester les changements physiques qui se produisent à l’intérieur des plantes, Brookshire s’est tourné vers l’herbier MSU, qui abrite des milliers d’échantillons de plantes de tout l’État, collectés sur plus de 100 ans.

« L’herbier est vraiment un trésor d’espèces de plantes indigènes », a déclaré Brookshire. «Nous avons sélectionné quatre espèces représentatives des écosystèmes, trois graminées et une armoise, puis nous avons soigneusement échantillonné de petites sections de leurs feuilles pour une analyse chimique et isotopique.»

Après avoir testé des échantillons de l’herbier, l’équipe de Brookshire est retournée à certains des emplacements des échantillons de plantes historiques et a recueilli des échantillons contemporains pour comparer les bilans chimiques à l’intérieur des mêmes espèces végétales jusqu’à 100 ans plus tard.

En analysant les rapports chimiques et isotopiques du carbone et de l’azote dans les échantillons de plantes historiques et contemporains, Brookshire a trouvé une diminution des niveaux d’azote et une augmentation des niveaux de carbone dans les échantillons récents. Ils ont également constaté que les usines avaient augmenté leur efficacité d’utilisation de l’eau – le rapport entre la quantité de dioxyde de carbone qu’elles absorbent par unité d’eau – de plus de 30% depuis les années 1970. Ces mesures ont confirmé son hypothèse selon laquelle les plantes s’adaptaient aux changements de l’atmosphère terrestre au fil du temps.

« Fondamentalement, les plantes ont besoin de dioxyde de carbone, d’eau, de lumière du soleil et de nutriments, en particulier d’azote, pour photosynthétiser et croître », a-t-il déclaré. « Lorsque l’un de ces leviers est augmenté, les autres doivent s’adapter. Les plantes de ces écosystèmes se sont adaptées à l’augmentation du dioxyde de carbone en maintenant un rapport constant entre ce qui est à l’intérieur de leurs feuilles et ce qui est à l’extérieur. »

Brookshire a déclaré que les changements à long terme de la chimie des plantes pourraient avoir des effets néfastes sur les écosystèmes. Éventuellement, des limites au verdissement apparaîtront, notamment en ce qui concerne la faible survie des plantes azotées.

« Les plantes ne peuvent pas augmenter indéfiniment l’efficacité d’utilisation de l’eau ou de l’azote », a-t-il déclaré. « Ces résultats sont importants pour le développement de la prochaine génération de modèles d’écosystème, car les plantes devront probablement ajuster leurs stratégies d’acquisition de nutriments. »

La composition changeante des plantes pourrait également avoir un impact sur les créatures qui mangent ces plantes. L’augmentation du dioxyde de carbone s’accompagne d’une augmentation des sucres végétaux et une diminution de l’azote entraîne une diminution de la teneur en protéines, ce qui pourrait entraîner des impacts alimentaires pour les herbivores et même des changements dans la nutrition des cultures cultivées dans les Grandes Plaines du Nord et les Rocheuses du Nord pour la consommation humaine.

« Il existe une grande incertitude quant à la façon dont le changement climatique, l’augmentation de la productivité des prairies et la baisse de la qualité des tissus végétaux affectent actuellement les écosystèmes des grandes plaines du Nord », a déclaré Brookshire. « Il est difficile mais important de comprendre comment ils continueront de changer au cours du prochain siècle et au-delà. »