Cristin-prosjekt-ID: 468878
Sist endret: 30. september 2018 12:40

Cristin-prosjekt-ID: 468878
Sist endret: 30. september 2018 12:40
Prosjekt

Developing a method to measure UV-B flux through time using aromatic compounds contained in fossil pollen and leaf cuticle (PARASOL)

prosjektleder

Vigdis Vandvik
ved Institutt for biovitenskap ved Universitetet i Bergen

prosjekteier / koordinerende forskningsansvarlig enhet

  • Universitetet i Bergen

Finansiering

  • TotalbudsjettNOK 8.488.000
  • Norges forskningsråd
    Prosjektkode: 214359

Klassifisering

Vitenskapsdisipliner

Økologi

Emneord

Paleobotanikk • Paleoklima • Plantefysiologi

Kategorier

Prosjektkategori

  • Grunnforskning

Tidsramme

Avsluttet
Start: 1. juni 2012 Slutt: 31. august 2015

Beskrivelse Beskrivelse

Tittel

Developing a method to measure UV-B flux through time using aromatic compounds contained in fossil pollen and leaf cuticle (PARASOL)

Populærvitenskapelig sammendrag

Plants can get a suntan, too!

Increased exposure to ultra-violet radiation (UV-B) is known to have a host of effects on human health, crops, terrestrial ecosystems and biogeochemical cycles. It is also known that there will have been large variations in the amount of incoming UV-B flux throughout Earth's history in response to super-volcanic events and variations in solar input. Modelling estimates suggest that in some intervals in Earth's history (e.g. end of the Permian), incoming UV-B flux could have been up to 80% higher than present. If these estimates are correct then the impact on terrestrial ecosystems could have been profound, affecting all aspects of ecosystems from biomes through to genes, potentially altering the mode and tempo of evolution.

Up until now it has not been possible to reconstruct an accurate measure of UV-B flux through time, but recent research has shown that the measurement of aromatic compounds in the wall of pollen grains of Pinus spp can be used to produce reconstructions of incoming UV-B radiation over the past ca. 10,000 years. Production of these compounds is thought to act like a suntan - a protection mechanism for plants after exposure to increased UV. Crucially, these compounds are preserved in the pollen grains and cell cuticles buried in lake sediments. PARASOL aims to investigate whether this 'pollen grain suntan' can be used to reconstruct UV from the pine pollen in sediments over thousands of years. We have used pine pollen and pine needles because pine is a common species that produces much pollen, which is necessary for the analysis of fossil samples.

In PARASOL, we have spent a lot of time honing the analysis in the laboratory to achieve as accurate as possible estimates of how much coumaric acid there actually is in each pollen grain. This detailed work is important for developing a precise and repeatable method that can give us good quantitative estimates of past UV-B radiation.

We have also examined if the production of coumaric acid in pollen is genetically determined, or if it varies from year to year, or maybe even within years, depending on the incoming UV-B radiation. We did this by means of an experiment in which we wrapped some pollen cones in shade cloth in the month prior to pollen dispersal. We also compared pollen from the same trees in two different years under different UV-B irradiance. We found that coumaric acid levels in pollen are determined by the current year's UV-B radiation, and further that it is really only the last two weeks before pollen release that matters. This was confirmed in another study where we compared pine pollen from 19 botanical gardens across Europe. We chose the gardens to provide the greatest possible variation in temperature, precipitation, and UV-B radiation. It turned out that variation in UV-B radiation the last two weeks before pollen release could explain the variation in coumaric acid content of the pollen, while the average UV-B radiation through the past year or over many years, had no effect.

The methods developed in PARASOL provide an important basis for being able to reconstruct past UV-B radiation. The aim is to contribute to understanding how variation in UV-B radiation over millions of years has influenced and helped shape biodiversity and ecosystems on Earth.

Vitenskapelig sammendrag

Planter kan også bli solbrente!
 
Ultrafiolett stråling (UV-B) i sollys er skadelig for arvestoffet, og påvirker helse, avlinger, det biologiske mangfoldet, økosystemene og stoffkretsløpet på jorda. Vi vet at det har vært stor variasjon i UV-B-innstrålingen gjennom jordas historie, blant annet på grunn av supervulkanutbrudd og variasjon i solens innstråling. I noen perioder (f.eks perm-tiden), kan UV-B innstrålingen har vært opp til 80% høyere enn i dag. Dersom disse anslagene er korrekte må disse periodene med høy UV-B-stråling ha hatt dramatiske konsekvenser for livet på jorda.
 
Frem til nå har det ikke vært mulig å rekonstruere fortidens UV-B innstråling med særlig grad av nøyaktighet, og dermed har det ikke vært mulig å studere variasjonen i innstråling, og effektene av den, vært begrenset. PARASOL-prosjektet har bidratt til å utvikle en metode for å rekonstruere i fortidens UV-B stråling ved hjelp av aromatiske forbindelser i plantemateriale. Plantens produksjon av disse forbindelsene er antatt å virke som solkrem- en beskyttelsesmekanisme mot høy UV-B eksponering. Når de først er dannet er disse forbindelsene er svært stabile og blir bevart, for eksempel i pollenkorn og i celleveggene til furunåler, som igjen bevares i innsjøsedimenter gjennom tusener av år. Vi har altså undersøkt om pollenkornenes «solkrem» i slike sedimenter kan brukes til å rekonstruere fortidens UV-B innstråling.  Vi har brukt furupollen og furunåler fordi furu er en vanlig art som produserer mye pollen, noe som er nødvendig for å kunne bruke metoden på fossile prøver.

I PARASOL har vi brukt mye tid på å finslipe analysemetoder i laboratoriet for å få et mest mulig presist estimat av hvor mye kumarinsyre det faktisk er i pollenkornene. Dette er en viktig forutsetning for å kunne utvikle en presis metode som kan gi oss gode kvantitative estimater for fortidens UV-B-stråling. 

Deretter undersøkte vi om produksjonen av kumarinsyre i pollenkornet er genetisk bestemt, eller om det varierer fra år til år eller kanskje også på kortere tidsskala avhengig av variasjon i UV-B-strålingen.  Dette gjorde vi ved hjelp av et eksperiment der vi pakket inn noen pollenkongler i skyggeduk den siste måneden før pollenspredningen.   Vi sammenlignet også pollen fra de samme trærne i to forskjellige år med forskjellig UV-B-innstråling. Vi fant at kumarinsyrenivået i pollenkornene bestemmes av årets UV-B-stråling, og videre at det bare var de to siste ukene før pollenspredning som betyr noe. Dette fikk vi bekreftet i et annet studie, der vi sammenlignet furupollen fra 19 botaniske hager fra hele Europa. Vi har valgt hagene slik at vi får størst mulig variasjon i temperatur, nedbør og UV-B innstråling samtidig som disse variablene er mest mulig uavhengige av hverandre. Det viste seg at variasjon i UV-B-stråling de siste to ukene før pollenspredning kunne forklare variasjonen i kumarinsyre i pollenkornene, mens gjennomsnittlig UV-B-stråling gjennom det siste året, eller over mange år, ikke hadde noen effekt.

Metodene utviklet i PARASOL danner et viktig grunnlag for å kunne rekonstruere fortidens UV-B-stråling. Målet er å bidra til en forståelse hvordan variasjon i UV-B-stråling over millioner av år har påvirket og bidratt til å forme det biologiske mangfoldet og økosystemene på jorda.

Metode

Our work progressed along four lines of enquiry:

First, we worked to improve the analytical precision and stability over time of currently established methods to quantify UV-B absorbing compounds within sporopollenin. This is crucial for the applicability of the proxy in detecting ecologically-relevant variation in UV-B flux over time and/or space, and in ensuring analytical stability across maintenance cycles etc., for analysing and comparing large numbers of samples typically used in palaeoecological studies. We developed a new approach which incorporates adding a known quantity of Nonadecanoic acid to the pollen samples prior to analysis using pyrolysis-Gas Chromatography Mass Spectrometry. Nonadecanoic acid is a chemical homologue to other compounds of the sporopollenin-based compounds, and is not found in Pinus pollen. Adding this compound to the chemical analyses results in improved reproducibility and a more robust determination of the abundance of UV-B absorbing compounds in Pinus sylvestris pollen. We developed a Bayesian framework procedure to adequately address and quantify sources of errors at different points in the analytical cycle, including the sampling of pollen grains as well as the different laboratory procedures. We demonstrate that the new method is able to detect linear increases in the total amount of pCA in samples containing different numbers of pollen grains.

Second, we still lacked understanding of the physiological response and timing of pCA production and between-species variation, which challenges the utility and interpretation of the proxy. We therefore conducted a shading experiment, where we covered pollen cones on Pinus sylvestris trees with 90% shading cloth one month before dehiscence and compared the amount of pCA in pollen from shaded cones with sun-exposed cones from the same tree. Further, we measured pCA in the same individuals of four Pinus spp. over two consecutive years with different UV-B irradiance. Shaded Pinus sylvestris pollen produce 21% less pCA than fully exposed pollen. Across years, Pinus produced 24% more pCA in 2014 than in 2013, which reflected a difference in UV-B irradiance during the pollen season between the two years: irradiance in April–May 2014 was 1 034 J m2 higher than in 2013, whereas there was no discernible difference in irradiance during the rest of the year. Finally, pCA content varied between species, largely reflecting differences in pollen size. Our work on Pinus spp. thus demonstrates a plastic response of pCA production to local UV-B radiation during pollen development. This work supports and refines the use of pCA as a proxy of past UV-B flux.

Third, at a European scale, we examined the timing of the UV-B response of quantitatively measured pCA in Pinus sylvestris in different UV-B periods using our new improved analytical method. Our results show that short-term UV-B radiation, one to two weeks before dehiscence, best explains the production of pCA in Pinus sylvestris pollen across a large geographic UV-B scale. Hence, a Pinus sylvestris pollen-based UV-B proxy represents the seasonal UV-B flux in the pollen flowering season across the range of years represented in a given sediment sample. This finding strengthens the use of the THM-py GC/MS method and Pinus spp. pollen for reconstructing past UV-B flux.

Fourth, while the project focussed on pCA, we have also started explorative analyses towards establishing other biochemical potential proxies in the pollen exines. We have conducted THM-py GC/MS in the full-scan mode, and we are exploring the alternative suggested methodology—Fourier transformed infrared spectroscopy (FITR)—to establish whether the pollen contains other substances that can be used to establish alternative or additional proxies. 

prosjektdeltakere

prosjektleder

Vigdis Vandvik

  • Tilknyttet:
    Prosjektleder
    ved Institutt for biovitenskap ved Universitetet i Bergen

Jelte Rozema

  • Tilknyttet:
    Prosjektdeltaker
    ved Vrije Universiteit Amsterdam

Anne Elisabeth Bjune

  • Tilknyttet:
    Prosjektdeltaker
    ved Uni Research Klima ved NORCE Norwegian Research Centre AS
  • Tilknyttet:
    Prosjektdeltaker
    ved Institutt for biovitenskap ved Universitetet i Bergen

Tanja Barth

  • Tilknyttet:
    Prosjektdeltaker
    ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Bergen
  • Tilknyttet:
    Prosjektdeltaker
    ved Avdeling for arktisk geologi ved Universitetssenteret på Svalbard

Mari Jokerud

  • Tilknyttet:
    Prosjektdeltaker
    ved Institutt for biovitenskap ved Universitetet i Bergen
  • Tilknyttet:
    Prosjektdeltaker
    ved Realfag og teknologi ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet
1 - 5 av 9 | Neste | Siste »

Resultater Resultater

Biodiversity trends within the Holocene.

Birks, Harry John Betteley; Felde, Vivian Astrup; Seddon, Alistair. 2016, The Holocene. UvA, UIB, UCLVitenskapelig artikkel

Global Ecosystem Sensitivity to Climate Variability.

Seddon, Alistair; Macias-Fauria, Marc; Long, Peter R; Benz, David; Willis, Katherine Jane. 2016, State of the World's Plants Symposium. UIBFaglig foredrag

Sensitivity of global terrestrial ecosystems to climate variability.

Seddon, Alistair; Macias-Fauria, Marc; Long, Peter R; Benz, David; Willis, Katherine Jane. 2016, Nature. UoO, RBGKEW, UIBVitenskapelig artikkel

Using Sediments as an Ecological Time Machine.

Seddon, Alistair. 2016, Institute of Botany Departmental Seminar Series, University of Innsbruck. UIBVitenskapelig foredrag

The Ecological Time Machine.

Seddon, Alistair. 2016, Long-term Ecology Laboratory Weekly Seminars. UIBVitenskapelig foredrag
1 - 5 av 10 | Neste | Siste »