DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03175-3
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Tihomir Simin وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابة النباتات لزيادة ثاني أكسيد الكربون
نظرة عامة
تخلص الدراسة إلى أن التعرض للمصدرين التالفين يعزز بشكل كبير مقاومة شتلات الصنوبر الاسكتلندي ضد خنافس الصنوبر الكبيرة، كما يتضح من انخفاض الأضرار في اللحاء بنسبة 49% وزيادة بنسبة 15% في صافي عملية التمثيل الضوئي ($A_N$). تشير العلاقة السلبية بين انبعاث β-elemene والأضرار في اللحاء إلى دوره الوقائي، مما يبرز خصوصية المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) في آليات دفاع النباتات. بينما تشير هذه النتائج إلى أن التفاعلات بين النباتات يمكن أن تعزز الدفاعات الطبيعية، فإن الظروف المسيطر عليها في تجربة الرعي تتطلب مزيدًا من التحقيق في البيئات الطبيعية، حيث قد تختلف عوامل متعددة مثل مستويات الإصابة والظروف البيئية.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الأبحاث الضوء على أهمية فهم كيفية إدراك النباتات والاستجابة للمركبات العضوية المتطايرة الناتجة عن الرعي (HIPVs) والإشارات تحت الأرض من الجيران التالفين. يجب أن تركز الدراسات المستقبلية على التأثيرات المنفصلة للتفاعلات تحت الأرض وفوق الأرض في شتلات الصنوبر الاسكتلندي لتوضيح الآليات التي تحفز عملية التمثيل الضوئي في النباتات السليمة المجاورة لتلك التالفة. من الجدير بالذكر أنه بينما أثرت الأوزون ($O_3$) وعوادم الديزل على فسيولوجيا النباتات، إلا أنها لم تعرقل الاستجابات الدفاعية المستحثة، مما يبرز مرونة هذه التفاعلات في البيئات الملوثة بالهواء.
الطرق
تم إجراء التجربة في منشأة جامعة ريدينغ لتغذية الهواء الحر بالديزل والأوزون (FADOE)، والتي تشمل 13,124 م² وتتميز بوحدة تحكم مركزية تحتوي على 12 حلقة لتقديم علاجات تلوث الهواء المختلفة، بما في ذلك الأوزون المرتفع (O₃) وغازات عوادم الديزل (D) ومزيج من الاثنين (O₃ + D). كل حلقة علاج، التي يبلغ قطرها 8 م، مزودة بنظام لتوصيل الهواء وتوليد التلوث، وهو أمر ذي صلة لدراسة التفاعلات الحيوية في سياق الأهداف البيئية. تضمنت إعداد التجربة زراعة شتلات الصنوبر الاسكتلندي التي تبلغ من العمر عامين في حاويات مليئة بمزيج تربة محدد، مع شتلات محددة كمرسلات ومستقبلات لمراقبة التفاعلات المتأثرة بالرعي من خنفساء الصنوبر الكبيرة، Hylobius abietis.
تم هيكلة التجربة في مرحلتين: تضمنت المرحلة الأولى وضع الخنافس على شتلات المرسلات لمدة خمسة أيام، تلتها قياسات لاستجابات شتلات المستقبلات، بينما تضمنت المرحلة الثانية وضع الخنافس على شتلات المستقبلات لمدة 38 ساعة. تم جمع بيانات بيئية، بما في ذلك الإشعاع الشمسي، لنمذجة انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة (VOC)، مع حساب كثافة تدفق الفوتونات الضوئية (PPFD) باستخدام معادلة محددة. تم مراقبة رطوبة التربة لضمان ظروف مثالية للشتلات طوال فترة الدراسة، التي امتدت من أواخر مايو إلى أوائل يوليو 2023.
النتائج
تشير النتائج إلى أن متوسط تركيز الأوزون (O₃) في الحلقات المحيطة خلال فترة الدراسة من 5 مايو إلى 1 يوليو 2023، كان 31 ppb، متماشيًا مع القياسات المحلية من محطة مراقبة تلوث الهواء القريبة في نيو تاون، ريدينغ، المملكة المتحدة. في الحلقات التي تحتوي على تعزيز الأوزون، زاد التركيز إلى 39.5 ppb، مقتربًا من حد حماية الغطاء النباتي البالغ 40 ppb المحدد بموجب توجيه 2024/2881. على العكس من ذلك، أظهرت حلقات تعزيز عوادم الديزل أقل تركيز للأوزون عند 16 ppb، بينما سجلت الحلقات التي تحتوي على كل من عوادم الديزل وتعزيز الأوزون متوسطًا قدره 35.8 ppb، والذي، على الرغم من كونه أعلى من المستويات المحلية المحيطة، إلا أنه ظل دون حدود التوجيه.
كانت تركيزات أكاسيد النيتروجين (NOₓ) مرتفعة بشكل ملحوظ، حيث كانت حلقات الهواء المحيط وحلقات تعزيز الأوزون تقيس 25.3 ppb و20.9 ppb، على التوالي، وكلاهما يتجاوز حد حماية الغطاء النباتي البالغ 20 ppb. أظهرت حلقات تعزيز الديزل زيادة كبيرة في مستويات NOₓ، بمتوسط 69.7 ppb، وهو ما يزيد بمقدار 2.7 مرة عن القياسات المحيطة. في حلقات تعزيز الأوزون وعوادم الديزل المجمعة، كان متوسط تركيز NOₓ 27 ppb، مما يشير إلى تفاعل معقد بين الملوثات في هذه البيئات.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في آثار أضرار الرعي وتلوث الهواء على شتلات الصنوبر الاسكتلندي، مع التركيز على أضرار اللحاء، وعملية التمثيل الضوئي، وانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، وقابلية الأكل للرعاة. أظهرت شتلات المستقبلات المعرضة للنباتات المرسلة التالفة من قبل الرعاة انخفاضًا كبيرًا (49%) في أضرار خنفساء الصنوبر الكبيرة مقارنةً بالتحكم، مما يدل على زيادة المقاومة للرعي. كانت هذه المقاومة المتزايدة متسقة عبر مختلف علاجات تلوث الهواء، مما يشير إلى أن تلوث الهواء لم يضعف آليات الدفاع التي تم تفعيلها نتيجة التعرض للجيران التالفين. زادت معدلات التمثيل الضوئي في شتلات المستقبلات بنسبة 15% بسبب التعرض للمصدرين التالفين، على الرغم من أن الموصلية الثغرية (Gs) ظلت غير متأثرة. من الجدير بالذكر أن علاجات تلوث الهواء أثرت بشكل كبير على كل من التمثيل الضوئي وGs، حيث أدت الأوزون وعوادم الديزل المجمعة إلى انخفاض بنسبة 20.5% في Gs وانخفاض بنسبة 16% في التمثيل الضوئي مقارنةً بالتحكم.
حددت الدراسة 123 مركبًا عضويًا متطايرًا فرديًا تم انبعاثه من الصنوبر الاسكتلندي، مع كون المونوتيربينات غير المؤكسدة هي الأكثر وفرة. بينما لم يؤد التعرض للمصدرين التالفين إلى زيادة كبيرة في إجمالي انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة، إلا أن علاجات تلوث الهواء غيرت بشكل ملحوظ معدلات انبعاث المركبات العضوية المتطايرة والمزائج، مع زيادات كبيرة في المونوتيربينات المؤكسدة، والمركبات المتطايرة من الأوراق الخضراء، والبينزينات تحت ظروف التلوث المجمعة. كانت السيسكويترين β-elemene مرتبطة سلبًا بأضرار اللحاء، مما يشير إلى دوره في تقليل قابلية الأكل لخنافس الصنوبر الكبيرة. على العكس من ذلك، كانت بعض المونوتيربينات المؤكسدة والبينزينات مرتبطة إيجابيًا بأضرار اللحاء، مما يشير إلى إمكانية استخدامها كمؤشرات لملاءمة نبات المضيف. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على التفاعلات المعقدة بين الضغوط الحيوية (الرعي) والضغوط غير الحيوية (تلوث الهواء) في تشكيل آليات دفاع النباتات واستجابات التمثيل الضوئي، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث حول هذه التفاعلات في النظم البيئية الطبيعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03175-3
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Tihomir Simin et al.
Primary Topic: Plant responses to elevated CO2
Overview
The study concludes that exposure to damaged emitters significantly enhances the resistance of Scots pine seedlings against large pine weevils, evidenced by a 49% reduction in bark damage and a 15% increase in net photosynthesis ($A_N$). The negative correlation between the emission of β-elemene and bark damage suggests its protective role, emphasizing the specificity of volatile organic compounds (VOCs) in plant defense mechanisms. While these results indicate that inter-plant interactions can bolster natural defenses, the controlled conditions of the herbivory experiment necessitate further investigation in natural settings, where various factors such as infestation levels and environmental conditions may differ.
Additionally, the research highlights the importance of understanding how plants perceive and respond to herbivore-induced plant volatiles (HIPVs) and underground signals from damaged neighbors. Future studies should focus on the separate effects of belowground and aboveground interactions in Scots pine seedlings to elucidate the mechanisms driving the induction of photosynthesis in undamaged plants adjacent to damaged ones. Notably, while ozone ($O_3$) and diesel exhaust impacted plant physiology, they did not hinder the induced defensive responses, underscoring the resilience of these interactions in air-polluted environments.
Methods
The experiment was conducted at the University of Reading’s Free-Air Diesel and Ozone Enrichment (FADOE) facility, which encompasses 13,124 m² and features a central control unit with 12 rings for delivering various air pollution treatments, including elevated ozone (O₃), diesel exhaust gases (D), and a combination of both (O₃ + D). Each treatment ring, measuring 8 m in diameter, is equipped with a system for air delivery and pollution generation, relevant for studying biotic interactions in the context of environmental goals. The experimental setup involved planting two-year-old Scots pine seedlings in containers filled with a specific soil mixture, with designated emitter and receiver seedlings to observe interactions influenced by herbivory from the large pine weevil, Hylobius abietis.
The experiment was structured in two phases: the first phase involved placing weevils on the emitter seedlings for five days, followed by measurements of the receiver seedlings’ responses, while the second phase involved weevil placement on the receiver seedlings for 38 hours. Environmental data, including solar radiation, was collected to model volatile organic compound (VOC) emissions, with photosynthetic photon flux density (PPFD) calculated using a specified equation. Soil moisture was monitored to ensure optimal conditions for the seedlings throughout the study period, which spanned from late May to early July 2023.
Results
The results indicate that the average ozone (O₃) concentration in the ambient rings during the study period from May 5 to July 1, 2023, was 31 ppb, aligning with local measurements from a nearby air pollution monitoring station in New Town, Reading, UK. In rings with O₃ enrichment, the concentration increased to 39.5 ppb, approaching the vegetation protection limit of 40 ppb set by the 2024/2881 directive. Conversely, diesel exhaust enrichment rings exhibited the lowest O₃ concentration at 16 ppb, while rings with both diesel exhaust and O₃ enrichment recorded an average of 35.8 ppb, which, although higher than local ambient levels, remained below the directive limits.
Nitrogen oxides (NOₓ) concentrations were notably elevated, with ambient air and O₃ enrichment rings measuring 25.3 ppb and 20.9 ppb, respectively, both exceeding the 20 ppb vegetation protection limit. Diesel enrichment rings showed a significant increase in NOₓ levels, averaging 69.7 ppb, which is 2.7 times higher than ambient measurements. In combined O₃ and diesel exhaust enrichment rings, the NOₓ concentration averaged 27 ppb, indicating a complex interaction between pollutants in these environments.
Discussion
In this study, we investigated the effects of herbivore damage and air pollution on Scots pine seedlings, focusing on bark damage, photosynthesis, volatile organic compound (VOC) emissions, and palatability to herbivores. Receiver seedlings exposed to herbivore-damaged emitter plants exhibited a significant reduction (49%) in large pine weevil damage compared to controls, indicating enhanced resistance to herbivory. This increased resistance was consistent across various air pollution treatments, suggesting that air pollution did not compromise the defense mechanisms activated by exposure to damaged neighbors. Photosynthesis rates in receiver seedlings increased by 15% due to exposure to damaged emitters, although stomatal conductance (Gs) remained unaffected. Notably, air pollution treatments significantly impacted both photosynthesis and Gs, with combined ozone and diesel exhaust leading to a 20.5% reduction in Gs and a 16% reduction in photosynthesis compared to controls.
The study identified 123 individual VOCs emitted from Scots pine, with non-oxygenated monoterpenes being the most abundant. While exposure to damaged emitters did not significantly increase total VOC emissions, air pollution treatments notably altered VOC emission rates and blends, with substantial increases in oxygenated monoterpenes, green-leaf volatiles, and benzenoids under combined pollution conditions. The sesquiterpene β-elemene was negatively correlated with bark damage, suggesting its role in reducing palatability to large pine weevils. Conversely, certain oxygenated monoterpenes and benzenoids were positively correlated with bark damage, indicating their potential as indicators of host plant suitability. Overall, the findings highlight the complex interactions between biotic stressors (herbivory) and abiotic stressors (air pollution) in shaping plant defense mechanisms and photosynthetic responses, emphasizing the need for further research on these interactions in natural ecosystems.