Combined effects of elevated [CO2] and high temperature

השפעת התחממות גלובלית על פולי הקפה 

2. חומרים ושיטות

2.1 חומר צמחי ועיצוב ניסיוני

נעשה שימוש בשלושה גנוטיפים, בעלי חשיבות אגרונומית, משני המינים המפיקים העיקריים. תכנון הניסוי ותנאי גידול הצמחים נעשו בהתבסס על  Ramalho et al. (2013(a. צמחים בני שנה וחצי C. arabica L. (cv. Icatu and cv. Catucaí IPR 108) and C. canephora Pierre ex Froehner cv. Conilon Clone 153 (CL 153), .גודלו בעציצים של 12 ליטר, הועברו מחממה (הסביבה [CO2]) לתאי גידול תאיים (EHHF 10,000, ARALAB, פורטוגל) ומוקמו בתוך עציצים של 26 ליטר. לאחר מכן גידלו את הצמחים בתנאי טמפרטורה מבוקרים על ידי הסביבה (25/20 מעלות צלזיוס, יום / לילה), לחות יחסית (75%), קרינה (כ- 700–800 מיקרומול מ -2 ס -1), תקופת צילום (11.5 h) ושני ריכוזי CO2 (380 או 700 μL L -1) על בסיס ארוך טווח (בערך שנה). כל אחד מעשרת הצמחים לכל גנוטיפ ושטופול ב- [CO2] הוזן על בסיס חודשי עם 5 גרם של תערובת הדשנים הבאה: 7% Ca (NO3) 2, 5% KNO3, 7.8% P2O5, 17% K2O, 1.6% MgO , 20% MgSO4, 0,02% H3BO3 ו- 0.01% ZnSO4. כדי לחזק את זמינות ה- N ו- Ca, נעשה דישון משלים של 2 גרם כל 3 חודשים בתערובת של 27% NH4NO3 ו- 6% CaO. שני הדשנים סופקו ככדורים מוצקים שהתמוססו באטיות במהלך השקיה עוקבת, ואיפשרו שחרור הדרגתי של מינרלים לקרקע / צמח. כדי לשפר את זמינות המיקרו-תזונה, נוספו על בסיס חודשי 500 מ”ל של תמיסה המכילה 0.02% Fe-EDTA, 0.01% CuSO4, 0.01% MnCl2 ו- 0.005% H2MoO2.

לאחר שנה נחשפו הצמחים לעליית טמפרטורה הדרגתית (0.5 מעלות צלזיוס ליום), על מנת לאפשר ביטוי ליכולת התאקלמות, בין 25/20 מעלות צלזיוס עד 42/35 מעלות צלזיוס (יום / לילה), עם קביעות של שישה / שבעה ימים בשעה 31/25, 37/30 ו- 42/35 מעלות צלזיוס, כדי לאפשר איסוף נתונים מתוכנת, לוקח בערך שמונה שבועות עד סוף הניסוי. כל שאר התנאים הסביבתיים נשמרו כמתואר לעיל, כולל שני תנאי האוויר [CO2] (380 או 700 μL L-1). הצמחים גדלו ללא הגבלות התפתחות של מים, חומרים מזינים או שורשים, אלה נשפטו על ידי בדיקה חזותית בסוף הניסוי כאשר הוצאו צמחים מעציצים.

הניסוי הוקם תוך שימוש בהתפלגות פקטוריאלית של 2 × 4 × 3 עם 10 משכפלים (צמח אחד לעציץ), בהיותם הגורמים: שתי רמות צמיחה [CO2] (380 או 700 μL L − 1), ארבע רמות טמפרטורה (25 / 20, 31/25, 37/30 ו- 42/34 מעלות צלזיוס) ושלושה גנוטיפים של קפה.

2.2 דגימת עלים

כל הדגימות נלקחו מעלים בוגרים לאחרונה, שפותחו במלואם כל אחד מתחת ל- [CO2], מהענפים העליונים החשופים לאור (הן פלגיוטרופיים והן אורתוטרופיים), לאחר שעתיים של תאורה, בין 8 ל -10 צמחים מכל טיפול וגנוטיפ, ביום השלישי / הרביעי של החשיפה לכל אחת מרמות הטמפרטורה שנחקרו.

2.3  ניתוח חומרים מזינים ברקמות

דגימות העלים היו מיובשות בטמפרטורה של 65 מעלות צלזיוס, עד שהגיע למשקל קבוע (כ 48 שעות) והופחתו לאבקה (באמצעות טחנת CIENLAB CE-430; 8 להבים, 1,725 ​​סל”ד, גודל רשת 20).

כדי לכמת את התוכן P, K, Ca, Mg, S, Cu, Fe, Mn ו- Zn, בערך חלקים של 400 מ”ג (משקל יבש) הועברו לעיכול חנקתי-פרכלורי (65% ו -70%) ואחריו ניתוח באמצעות ספקטרומטריית ספיגה אטומית (VARIAN AA-240-FS, Agilent Technologies, ארה”ב) (EMBRAPA-Empresa Brasileira De Pesquisa 1997).

ריכוז החנקן הכולל נקבע ב aliquots 100 מ”ג (משקל יבש), בשיטת מיקרו Kjeldahl. העיכול בוצע ב- 5 מ”ל H2S04 (תערובת של אשלגן גופרתי ותחמוצת כספית אדומה, 1:10, w / w, שימשה כזרז וחומצה סליצילית נכללה להפחתת חנקתי) (Vogel 1961), כפי שעבר אופטימיזציה לקפה. (Ramalho et al. 1999).

לכימות B, נעשה שימוש ב- aliquots של 200 מ”ג (משקל יבש), אליהם נוספו 2 מ”ל של חיץ אמוניום אצטט 40 מ”מ המכיל 7.5% EDTA (w / v) ו- 2 מ”ל של תמיסה של 10 מ”מ azomethine-H לקידום התגובה. לאחר תסיסה הדגימות הושארו למשך 30 דקות וכימות B בוצע באופן ספקטרופוטומטרי (420 ננומטר, 25 מעלות צלזיוס), תוך שימוש בעקומה סטנדרטית של B, בעקבות Bataglia et al. (1983).

כל הקביעות בוצעו בשלוש עותקים.

2.4 ניתוח סטטיסטי

הנתונים הועברו ל- ANOVA דו-כיווני (p≤0.05), בהתחשב בגורמי הגנוטיפ ו- [CO2], ולאחר מכן הוחל בבדיקת Tukey (p≤0.05) לצורך השוואה ממוצעת, כ- ANOVA דו-כיווני עבור מרכיבי תזונה ( N, P, K, Ca, Mg ו- S) וחומרים מזינים (B, Cu, Fe, Mn ו- Zn) גילו אינטראקציה משמעותית בין כל הטיפולים.

3. תוצאות

3.1 השפעת הגידול המשופר [CO2] על תכולת המינרלים העליים ללא קשר לטמפרטורה

באופן גלובלי, בטמפרטורת הבקרה (25/20 מעלות צלזיוס, ביום / בלילה) תוכן חומרי המזון העלים השתנה באופן משמעותי על בסיס תלוי בגנוטיפ (טבלה 1). בתנאי טמפרטורת בקרה, נצפו ירידות משמעותיות תחת [CO2] משופר עבור N (7.5% ב- CL 153 ו- 16% ב- Icatu), K (24% ב- ​​Icatu) ו- Mg ו- Ca (24% ו- 18% בהתאמה, CL 153) (טבלה 1), ואילו IPR108 לא הגיב באופן משמעותי ל- [CO2].

עם החשיפה לטמפרטורות גבוהות יותר, חומרי המזון N ו- K בולטים כאשר משווים את רמות הצמיחה [CO2]. לאחר 700 µL L-1 עלה תוכן N נטה לערכים נמוכים יותר ללא קשר לטמפרטורה וגנוטיפ. ירידות כאלה היו משמעותיות לכל הטמפרטורות ב- CL 153 (עד 11%), ב- IPR 108 ב- 31/25 ° C וב- 37/30 ° C (כ- 7%) וב- Icatu ב- 42/34 ° C (6%. ). עדיין מעל 25/20 מעלות צלזיוס, K הראה גם ירידות משמעותיות ב- CL 153 בכל הטמפרטורות, בין 14 ל- 18%, ב Icatu ב 31/25 מעלות צלזיוס (19%) ו 37/30 מעלות צלזיוס (7%) , וב- IPR108 בשעה, שני הגבוהים ביותר (כ 20-24%). עבור יתר המרכיבים התזונתיים שנותרו, זוהו שינויים מעטים בלבד, עם ירידה של Mg ב- 37/30 מעלות צלזיוס ב- IPR 108, ועלייה של Ca ב- 31/25 מעלות צלזיוס ב- CL 153 (טבלה 1).

טבלה 1 תכולת עלים מזינים עלים (מ”ג גרם -1, משקל יבש) ב- C. arabica (Icatu ו- IPR 108) ו- C. canephora (Conilon CL 153) שגדלו ב -380 או 700 μL CO2 L − 1), ב- 25/20; 31/25; 37/30; 42/34 מעלות צלזיוס, (יום / לילה). כל ערך מייצג את הממוצע של עשרה משכפלים.

אותיות שונות מבטאות הבדלים משמעותיים בין טיפולי CO2 בתוך אותו גנוטיפ (a, b), או בין גנוטיפים באותו טיפול CO2 (A, B, C), לאחר השוואה ממוצעת תוך שימוש במבחן Tukey ב -5% מההסתברות.

ביחס לחומרים המזינים את העלים, תחת טמפרטורת הבקרה B, תוכן Mn ו- Zn לא השתנה באופן משמעותי עקב [CO2] המוגבר בשני הגנוטיפים (טבלה 2). לעומת זאת, Cu עלה ב- CL 153 (7%) וב- Icatu (12%) וירד ב- IPR 108 (16%), ואילו תכולת Fe פחתה בכל הגנוטיפים לאחר [CO2] גבוהה, ונעה בין 10% (Icatu) ל 25% (CL 153). יש לציין כי התוכן של Cu ו- Fe השתנה באופן משמעותי בטמפרטורות אחרות. בטמפרטורה הגבוהה המתונה של 31/25 מעלות צלזיוס, Cu ו- Fe ירדו בסך הכל בגנוטיפים, אך ב- 42/34 מעלות צלזיוס Cu היה גבוה יותר בצמחים ב- 700 μL L − 1 ב- IPR 108 (12%) וגדל עד 56% ב- CL 153. Fe נטה לרדת ב 31/25 ° C ו 37/30 מעלות צלזיוס בכל הגנוטיפים תחת [CO2] משופר. הבדלים אלה נעדרו ב 42/34 מעלות צלזיוס, בעיקר מכיוון שתכולת Fe בצמחים שגדלו ב- 380 μL L -1 נוטה להוריד ערכים, ומתקרבת לאלה של הצמחים שגדלו ב- 700 μL L -1. ביחס לחומרים מזינים אחרים, תכולת ה- B הייתה נמוכה יותר בתנאי [CO2] גבוהים בכל הטמפרטורות המוגברות ב- CL 153 (כ- 9-14%), 37/30 מעלות צלזיוס ל- IPR 108 ו- 42/34 מעלות צלזיוס עבור Icatu. Mn נטה לערכים גבוהים יותר ב- CO2 משופרת בשתי הטמפרטורות הגבוהות ביותר, במיוחד ב 37/30 מעלות צלזיוס בגנוטיפים של C. arabica, Icatu (21%) ו- IPR 108 (30%), שהיה קשור בעיקר ליעילות עלייה בתכולת Mn העלה בצמחים L-1 של 700 μL. תכולת ה- Zn נבדלה באופן מינימלי, אם בכלל, בכל גנוטיפ (טבלה 2).

טבלה 2 מיקרומזינים של עלים מכילים (μg g−1, משקל יבש) ב- C. arabica (Icatu ו- IPR 108) ו- C. canephora (Conilon CL 153) שגדל ב -380 או 700 μL CO2 L-1), ב 25/20; 31/25;37/30; 42/34 מעלות צלזיוס, (יום / לילה). כל ערך מייצג את הממוצע של עשרה משכפלים.

אותיות שונות מבטאות הבדלים משמעותיים בין טיפולי CO2 בתוך אותו גנוטיפ (a, b), או בין גנוטיפים באותו טיפול CO2 (A, B, C), לאחר ממוצע השוואה באמצעות מבחן Tukey ב -5% מההסתברות

3.2 שינויים בתכולת המינרלים בעלים כתוצאה מעליית הטמפרטורה בשתי הצמיחות [CO2]

בסך הכל, לא היו הבדלים משמעותיים בתכולת המרכיבים התזונתיים בקרב הגנוטיפים שגדלו ב- 380 μL L -1 ב 25/20 מעלות צלזיוס, למעט Ca שהציגו תוכן גבוה יותר ב- CL 153. דפוס זה היה במעקב צמוד לכל גנוטיפים שגדלו ב- [CO2] גבוה, למעט N (גבוה יותר ב- IPR 108) ו- K (נמוך ב- Icatu).

התבנית שתוארה לעיל הייתה דומה במשך 31/25, 37/30 ו- 42/34 מעלות צלזיוס בהתחשב בכך שלא ניתן היה למצוא הבדלים בין גנוטיפים לכל חומרי המיקרו-תזונה ב -380 μL L-1. בצמחים שגדלו תחת [CO2] מוגבר, נמצאו הבדלים מועטים, בעיקר מוגבלים ל- K, אך Icatu התפתח מהתכולה הנמוכה ביותר (25/20 מעלות צלזיוס) לתוכן הגבוה ביותר (42/34 מעלות צלזיוס) בקרב גנוטיפים עקב כמות ניכרת (76%) עלייה K הדרגתית.

גנוטיפים של הקפה בעולם חשפו נטייה לתכולת חומרים מזינים מוגברת עם העלייה בטמפרטורה. למעשה, ללא קשר לצמיחה [CO2], ערכי המיקרו-המזינים הגיעו בדרך כלל לשיא בטיפולי הטמפרטורה הגבוהים ביותר (טבלה 1). דפוס זה היה ברור בגנוטיפים של C. arabica (Icatu ו- IPR 108) בהם רק תוכן ה- P ב- IPR 108, שגדל מתחת ל- 700 μL L-1, לא הראה ערך מקסימלי ב 42/34 מעלות צלזיוס. ה- CL 153 הציג את תכולת K הגבוהה ביותר (בשני [CO2]) ב 37/30 מעלות צלזיוס, אם כי קרוב לאלה שנצפו ב 42/34 מעלות צלזיוס.

היוצאים מן הכלל האחרים צוינו ב- CL 153 שהגיעו לשיא בשליטה על P הן לצמיחה [CO2] והן ל- Ca שהראו את התכולה הגבוהה ביותר בבקרה (380 μL CO2 L -1) או 31/25 ° C (700 μL CO2 L- 1) (טבלה 1).

בקשר לחומרים המזינים, תחת טמפרטורת בקרה וסביבה [CO2], CL 153 ו- IPR 108 הציגו את התכולה הגבוהה ביותר של B, Cu ו- Fe (למעט Cu ב- IPR 108) ו- Icatu הנמוכים ביותר. בתנאי [CO2] גבוהים CL 153 ו- IPR 108 עדיין הראו תכולת מינרלים גבוהה יותר, למעט Cu ב- IPR 108 ו- Fe (שכל הגנוטיפים הציגו עבורם תוכן דומה). תוכן ה- Mn ו- Zn לא היה שונה באופן מובהק בין הגנוטיפים, ללא קשר ל- [CO2]. באשר למקרה של חומרי המזון, כמעט כל תכולת המיקרו-מזג המוחלטת הגיעה לשיאה בשתי הטמפרטורות הגבוהות ביותר, ללא קשר לצמיחה [CO2]. ואכן, בטמפרטורות גבוהות יותר מהבקרה וב- CO2 הסביבתי, התכולה הגבוהה ביותר של B, Cu ו- Fe עברה בהדרגה מ CL 153 ו- IPR 108 ל- Icatu שהראתה את התכולה המרבית של אותם מינרלים ב 42/34 מעלות צלזיוס (למעט Fe ). עבור הצמחים שגדלו תחת CO2 מוגבר השינויים של מינרלים אלה עם עליית הטמפרטורה לא היו כל כך ברורים. עם זאת, ערכים מקסימליים עבור B, Cu ו- Fe נמצאו ב 37/30 או 42/34 מעלות צלזיוס (למעט Cu ב- IPR 108). הדוגמה הברורה יותר נצפתה בצמחי Icatu שגדלו תחת 700 µL CO2 L − 1, שהראו תוכן מקסימלי של כל המיקרו-תזונה ב 42/34 מעלות צלזיוס, אם כי עם רמות דומות או נמוכות מאלו שנצפו תחת 380 μL CO2 L − 1 (טבלה 2).

במה שנוגע ל- Mn ו- Zn, רק בטמפרטורה הקיצונית של 42/34 ° C נוצרים הבדלים בין גנוטיפים. Mn נטה להיות גבוה יותר ב- CL 153 בשתי הצמיחות [CO2], בעוד ש- Zn היה גבוה במיוחד ב- Icatu על 380 μL CO2 L − 1.

היוצאים מן הכלל לדפוסים הכוללים הללו נצפו עבור Fe ב- CL 153 (380 μL CO2 L -1) שהראו תוכן מקסימאלי של Fe בטמפרטורת הבקרה עם ירידה איטית עם העלייה בטמפרטורה, עבור Mn ב- Icatu (380 μL CO2 L -1) ו- Cu עבור IPR 108 (שניהם [CO2]) שהציגו, בהתאמה, את תכולת ה- Mn ו- Cu הגבוהה ביותר ב- 31/25 מעלות צלזיוס.

3.3 העלאת [CO2] והטמפרטורה מקדמים שינויים ביחסים בין המינרלים של העלים

השינויים במינרלים הבודדים, עקב גידול ב [CO2] או בטמפרטורה, הראו השפעה מתונה על האיזון בין חומרים מזינים לגידולי הקפה, כפי שהודגש בטבלה 3 לבקרה ולמשטרי הטמפרטורה הגבוהים ביותר (42/34 מעלות צלזיוס). תחת טמפרטורת בקרה, הגנוטיפים הראו ערכים עבור N / P (רק עבור CL 153), N / S, N / Cu, P / Zn ו- B / Zn קרוב לאלו שנחשבו נאותים לגידול זה, ואילו יחסי N / P (גנוטיפים C. arabica), K / Mg  ו- Cu / Zn הראו ערכים גבוהים מעט יותר ו- Ca / Mn ערכים מתחת למה שניתן לצפות.

ההשפעה של טמפרטורה גבוהה ביחסי תזונה מסוימים נבדלת בין הגנוטיפים. ה- N / P עלה ב- CL 153 ו- IPR 108 אך לא ב-Icatu  .  N/S, P/Znו – B / Zn הראו כמה שינויים אך עדיין נשמרו בין ערכים נאותים. מצד שני, K / Mg צומצם ללא קשר לגנוטיפ ול- [CO2] (למעט CL 153, 380 μL CO2 L-1) אך עדיין נשאר בערכים גבוהים יותר מהמצופה. כמו כן, יחס ה- N / Cu גדל ב- CL 153 ו- IPR 108 ב- 380 μL CO2 L − 1, אך ירד ב- 700 μL CO2 L − 1, בדומה ל- Icatu בשני [CO2]. השפעת הצמיחה [CO2] הייתה מגוונת גם כן. יחסים מסוימים (כמו N / S ו- B / Zn) לא הושפעו בשתי הטמפרטורות ואחרים לא הושפעו רק בבקרה (Ca / Mn), ואילו N / P נטו לערכי יחס גבוהים יותר עם צמיחה משופרת [CO2].

מילות מפתח

יבול- crop                                                        עלים – leaves

התחממות גלובלית –  global warming                                פולי קפה – coffee beans

אקלים –        climate                                                        מזין – nutrient