キラルモノテルペンが森林放出メカニズムと干ばつ反応を明らかにする

Nature volume 609、pages 307–312 (2022)この記事を引用

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モノテルペン (C10H16) は、植物によって大気中に大量に放出され (>100 TgC year-1)、ヒドロキシルラジカルやオゾンと容易に反応して新しい粒子を形成し、それによって雲が形成され、地球の放射収支に影響を及ぼします。、気候変動1、2、3。ほとんどのモノテルペンはエナンチオマーと呼ばれる 2 つのキラルな鏡像形態で存在しますが、これらの (+) と (-) の形態は測定やモデリング研究ではほとんど区別されません 4,5,6。したがって、植物におけるモノテルペン鏡像異性体の個々の形成経路とその生態学的機能はほとんど理解されていません。今回我々は、紫外線と大気酸化化学の不在下で、4 か月間制御された干ばつと再湿潤実験中に行われた、閉鎖された熱帯雨林生態系から得られた、鏡像異性的に分離された大気中のモノテルペンとイソプレンのデータを紹介します7。驚くべきことに、放出されたエナンチオマーは、進行する乾燥に対して異なる反応を示す、明確なディール放出ピークを示しました。同位体標識により、植物は主に新規合成された (-)-α-ピネンを放出するのに対し、(+)-α-ピネンは貯蔵プールから放出されることが確立されました。干ばつが進行するにつれて、(-)-α-ピネンの排出源は貯蔵プールに移り、雲の形成が促進されました。両方のα-ピネンエナンチオマーの乾燥前の混合比は、相互よりも他のモノテルペンとより良い相関があり、異なる酵素制御を示しています。これらの結果は、鏡像異性体の分布が、森林生態系からのモノテルペン放出を引き起こす基礎的なプロセスを理解し、気候変動に応じて大気からのフィードバックを予測するための鍵であることを示しています。

これまでのところ、モノテルペンの異なるキラル形態 ((+) と (-)) にはほとんど注目されていません。これは、両方のエナンチオマーが同一の物理的特性と OH および O3 との反応速度を持っているためです (参考文献 8)。フィールド研究とモデリング研究はそれらを区別しません4、5、6。ただし、これは、たとえ個々のエナンチオマー生成経路や推進力が不確かであるとしても、両方のエナンチオマーのソースとシンクが同一であることを暗黙的に前提としています。最近の森林測定では、鏡像異性体の濃度が等しくなく（非ラセミ体）、場合によっては相互に相関すらしないことが示され 9,10 、これは異なる発生源メカニズムを示しています。一部の報告では、エナンチオマーの生合成は個々の植物全体で均一であると示唆されていますが 10、均一な森林内の葉、樹皮、および土壌落葉には明確なキラル特徴があります 11。これは、これらのキラル種 (したがって、モノテルペン一般) の放出および除去プロセスが重要であることを強く示唆しています。）が十分に理解されていない。

イソプレンの放出はモノテルペンの放出よりもよく理解されており、一般に正確なモデル予測と測定が一致しています 12,13。イソプレンの合成は、2-C-メチル-d-エリスリトール 4-リン酸経路によって起こり、光合成により同化された CO2 がイソプレン前駆体であるイソペンテニル二リン酸に変換され、葉から直接放出されます (新規放出)12。モノテルペンの合成は 2-C-メチル-d-エリスリトール 4-リン酸経路によっても行われますが、一部のモノテルペンはメバロン酸経路によって合成されます。どちらの経路でもイソペンテニル二リン酸が生成され、その異性体であるジメチルアリル二リン酸と結合して、共通のモノテルペン前駆体であるゲラニル二リン酸が形成されます14,15。テルペンシンターゼとして知られる酵素は、ゲラニル二リン酸を一連のモノテルペンに変換し、特定の酵素によって生成されるキラルモノテルペンは通常、(-) または (+) 1 つのキラル形態になります 16,17。モノテルペンは、新たな放出によって放出されることも、貯蔵プールから放出されることもあり、したがって、生合成の時間から切り離される。熱帯に典型的な広葉植物種は、通常、モノテルペンを葉全体に非特異的に、主に脂質相に貯蔵しますが、葉内の水相にも少量貯蔵します18,19。モノテルペンの生成と潜在的な貯蔵を制御するプロセスは、おそらく植物全体のキラル発光特性を決定しますが、これらが干ばつなどの極端な気候現象に応じてどのように変化するかは不明です。干ばつは 21 世紀を通じてさらに頻繁になり 20、生態系機能の混乱 21 や森林からの揮発性有機化合物 (VOC) の排出 22 を引き起こすと予想されています。報告されている干ばつに対するモノテルペン放出の反応は非常にばらつきがあり、個々の植物に依存するため、経験に基づいたアキラル放出目録は不正確なものとなっている 23,24,25,26,27。ただし、キラル化合物は基礎となる酵素駆動プロセスに直接リンクしているため、改善された発光スキームの基礎を形成する可能性があります。

15 cm) trees, about 10% in the understory trees and around 5% in the understory herbaceous species (including Musa sp., Alpinia sp., Hedychium sp. and Zingiber sp., planted along the walls). Clitoria fairchildiana dominates the canopy (around 33%). Pterocarpus indicus and H. tiliaceus each take up about 15% and 10% of the canopy, respectively. All other tree species take up 5% or less each./p> 0.1 μmol m−2 s−1). Here the focus is on enantiomeric monoterpenes, which can only be measured by GC-MS techniques, as pre-separation is required. Therefore, again for consistency, we use the isoprene measured by the same GC-MS instrument. Although broadly similar in the temporal behaviour, the isoprene traces from both systems diverged in concentration during the early drought period (PTR-TOF-MS was lower). Despite rigorous investigation of both systems, no cause for the discrepancy could be found, even with the inlets being closely located to each other. Therefore, we concluded that the only remaining plausible cause for the discrepancy is that the sampling lines for the two instruments had differing flow rates, which sampled different locally influenced air. As the temporal behaviour of isoprene is used only as an indicator of the general behaviour of the de novo emission signal, the short-term differences in isoprene concentrations between the instruments are not important in this context, and the same conclusions can be drawn using the other dataset./p>