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You are here: Home Archive 2017 Towards establishing a new environmental archive – Annual growth periodicity, stable carbon isotope variability and reconstruction potential of 'Akoko (Euphorbia olowaluana), a native Hawaiian tree with C4 photosynthetic pathway

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Towards establishing a new environmental archive – Annual growth periodicity, stable carbon isotope variability and reconstruction potential of 'Akoko (Euphorbia olowaluana), a native Hawaiian tree with C4 photosynthetic pathway

DOI: 10.3112/erdkunde.2017.01.05
Year: 2017
Vol: 71
Issue: 1
Pages: 77-92
Summary:

Tree ring patterns provide one of the best records of pre-instrumental environmental and climate variability. To date, tree ring chronologies were explored from woody plant species with C3 photosynthetic pathway, only. For the first time, we have studied wood growth periodicity and stable carbon isotope ratios of tree ring cellulose of a tree species with C4 photosynthesis and compared these data to those of a C3 tree species from the same habitat. The investigated species, Māmane (Sophora chrysophylla, C3) and 'Akoko (Euphorbia olowaluana, C4), are small endemic Hawaiian trees sampled from a rather dry, high elevation site on the ridge between Mauna Loa and Mauna Kea on the island of Hawai'i, USA. A relatively strong correlation in ring patterns was found within the 'Akoko and the Māmane individuals as well as with ring-width patterns from a nearby population of introduced Deodar cedar (Cedrus deodara) trees that serve as a reference. This correlation is evidence that the C4-plant 'Akoko may form annual growth rings. In addition to being the first demonstration of annual growth rings in a C4 plant, our findings have important implications for future climate change research in Hawai‘i. Unlike plants with a C3-photosynthetic pathway, C4 plants do not show strong discrimination against 13C during the photosynthetic fixation of CO2. Thus, 'Akoko may provide a record of past atmospheric CO2 concentration (CO2 atm) that can be compared with, and possibly supplement, the well-known Keeling curve produced by the nearby Mauna Loa Atmospheric Observatory. Regression analysis indicates a significant relationship between 'Akoko δ13C averages and atmospheric δ13C values. Furthermore, time series of tree ring data from both species provide long-term information on the response of C3 and C4-plants to increasing atmospheric CO2 concentrations and climate change. Trends in δ13C (intrinsic water-use efficiency, iWUE) of the two species show similar responses in that both demonstrate an increase in iWUE over time and with increased CO2 atm. 'Akoko and Māmane iWUE curves are different however, in that the 'Akoko (C4) curve is non-linear and a significant increase could only be observed post 1975, while the Māmane curve shows a distinct linearly increasing trend throughout the observation period.

Zusammenfassung:

Jahrringe von Bäumen werden seit Jahrzehnten als Klima- und Umweltarchiv genutzt, um natürliche und anthropogene Veränderungen der letzten 1000 Jahre oder mehr zu rekonstruieren. Bis heute wurden Jahrringchronologien ausschließlich von Holzpflanzen mit dem C3-Photosynthesemechanismus erstellt. In dieser dendrochronologischen Studie wurden zum ersten Mal Untersuchungen zur Periodizität des Holzzuwachses und den Verhältnissen der stabilen Isotope des Kohlenstoffs an einer Baumart durchgeführt worden, welche dem C4-Photosyntheseweg folgt. Die erhobenen Daten wurden mit solchen von C3 Bäumen verglichen, welche im gleichen Lebensraum wachsen. Die untersuchten Arten, Māmane (Sophora chrysophylla, C3) und 'Akoko (Euphorbia olowaluana, C4), sind kleine Bäume von einem trockenen Hochlagenstandort zwischen Mauna Loa und Mauna Kea der Insel Hawai‘i (Big Island), USA. Die individuellen Holzzuwachsmuster beider Arten zeigten hohe Korrelationen sowohl untereinander, als auch mit einer robusten Referenz-Chronologie von Himalaya Zedern (Cedrus deodara), welche vor mehr als 100 Jahren auf Hawai‘i eingeführt wurden. Die starken statistischen Zusammenhänge lassen erstmals den begründeten Schluss zu, dass die Zuwachsringe der untersuchten C4-Baumart jährlich sind und tatsächlich als Jahrringe bezeichnet werden können. Es können somit jahrgenau datierbare Chronologien des Holzzuwachses dieser C4-Pflanzen erstellt werden, welche als wertvolle Grundlage für künftige Untersuchungen zur zeitlichen Dynamik des globalen Wandels in der Region dienen können. Die Analyse der stabilen Isotope des Kohlenstoffs in den Jahrringen, erlaubt Rückschlüsse über die pflanzlichen Reaktionen auf Umwelt- und Klimaveränderungen zu ziehen. Pflanzen mit C4-Photosynthesemechanismus nehmen das atmosphärische CO2 ohne große Veränderungen des 13C/12C-Verhältnisses in ihre Biomasse auf, wodurch C4-Bäume eine Möglichkeit bieten die Veränderungen des atmosphärischen CO2 vor der Zeit direkter Messungen (1958) jahrgenau zu rekonstruieren. Der deutliche Zusammenhang zwischen Veränderungen im CO2 der Atmosphäre und δ13C in Jahrringen der C4-Baumart `Akoko konnte in dieser Studie belegt werden. Darüber hinaus haben die, aus denδ13C-Werten abgeleiteten Trends der intrinsischen Wassernutzungseffizienz (iWUE) einen deutlichen Anstieg gezeigt, der auf ansteigende CO2 Konzentrationen der Atmosphäre zurückgeführt werden kann. Für `Akoko (C4) seit ca. 1975 und für Māmane (C3) bereits seit Beginn des Untersuchungszeitraums im Jahr 1960. Während der Trendverlauf bei Māmane einen deutlich linearen Anstieg über die gesamte Untersuchungsperiode zeigt, ist bei `Akoko ein nicht-linearer Trend in der iWUE zu beobachten. Von 1960 bis 1975 sind für die C4-Baumart keine bis schwache Veränderungen festzustellen. Ein deutlicher Anstieg der iWUE wurde erst nach 1975 gemessen.  Die hier vorgestellten ersten Ergebnisse belegen das Potential von Vergleichsstudien zur Langzeit-Variabilität von Wachstum und Wassernutzungseffizienz von Holzpflanzen mit C3 und C4 Photosynthese. Sie können einen wichtigen Beitrag zu Beantwortung der Frage der Anpassungsfähigkeit von C3 und C4 Pflanzen an den Klimawandel leisten.

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