Istopos Estables III' Carbono y Nitrgeno

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Isótopos Estables III. Carbono y Nitrógeno

• Dr. Louis Santiago
• Universidad de California, Berkeley
• y
• Centro de Investigación Científicas del Yucatán

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Isótopos de Carbono en la Vegetación
3
El rango d13C en sistemas de plantas y el ambiente

• CO2 del aire -8
• Plantas C3 -35 a -20
• Plantas C4 -18 a -10
• Plantas CAM -22 a -10

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Podemos expresar la composición de 13C en
notación delta o discriminación
5
Los efectos isotópicos en la fijación de CO2 en
plantas
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13C y ecología funcional de plantas
? Valores de d13C en este planeta son de 70 en
metano a 30 en carbonatos.
? VALORES de d13C en PLANTAS son entre 10 Y -35
? Porque C es incorporado en hojas durante la
fotosíntesis, es la VARIACIÓN EN PROCESOS
FOTOSINTETICOS lo que causa variación en valores
de d13C en la vegetación del mundo.
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Isótopos de 13C y Ecofisiologia de plantas
Diferencias en SISTEMAS FOTOSINTETICOS causan
la gran variación en valores de d13C
? Plantas C3 tienen valores de d13C mucho más
negativos que plantas C4.
C3 plants
C4 plants
POR QUE?
Cerling et al., 1998. Phil. Trans. R. Soc. London
B 353 159-171
8
Isótopos de 13C y Ecofisiologia de plantas
PORQUE
Plantas C3 y C4 tienen anatomias diferentes que
afectan la difusión de CO2 a enzimas carboxilasas
9
Isótopos de 13C y Ecofisiología de plantas
Plantas C3 vs. C4 usan enzimas diferentes y
tienen diferentes patrones de discriminación
contra 13C
10
Isótopos de 13C y Ecofisiología de plantas
La distribución de plantas C4 aumenta con la
disminución de CO2 atmosférico
Por la temperatura, los trópicos deberían estar
dominados por gramíneas C4, pero los árboles
dominan y hacen sombra
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Isótopos de Carbono y Sistemas de Fotosíntesis
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La distribución de los sistemas fotosinteticas en
las orquideas
 
80
n221 species
C3
70
60
50
Frequency
40
CAM
30
20
10
0
-35
-30
-25
-20
-15
-10
d13C ( )
Silvera and Winter, Functional Plant Biology, In
press
13
Silvera and Winter, Functional Plant Biology, In
press
14
La Evolución de CAM en la BromeliaceaeMultiples
OriginesCrayn, Winter, Smith (2004) PNAS
1013703-3708
15
13C isótopes y dieta
Podemos usar la diferencia entre gramíneas C3 and
C4 d13C para cuestiones de dieta
? El valor d13C del diente representa la dieta de
un animal
? Podemos usar este métodos para la historia de
vegetación si un diente es un fósil
? Hay un enriquecimiento de 14.1 de dieta y
dientes
Cerling Harris 1999. Oecologia 120 347-363.
16
Discriminación Isotópica en Plantas C3
27 rubisco
4.4 estomas
17
Isótopos de 13C y Ecofisiología de plantas
Discriminación es predecible
Plantas C3 discriminan menos contra 13C cuando
hay menos CO2
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Isótopos de 13C y Ecofisiología de plantas
Plantas C3 discriminan menos contra 13C cuando
tienen estrés hídrico
Por eso, d13C de hojas es un índice de eficiencia
del uso de agua (Water use efficiency A/gs)
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Isótopos de 13C y Ecofisiología de plantas
? discriminación contra 13C aumenta en plantas
más jovenes (S) que plantas más grandes (L)
? discriminación contra 13C también aumenta en
climas más secos (Oatman) hasta climas más
húmedos (Stud Horse)
Lower WUE
Higher WUE
Ehleringer Cooper. 1988. Oecologia 76 562-566
20
Isótopos de 13C y Ecofisiología de plantas
Discriminación aumenta con lluvia en gradientes
de precipitación un ejemplo de Panamá
Santiago (2003)
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Discriminación Isotópica en Plantas C4
Variación en la discriminación en plantas C4 es
debido a la pérdida de CO2 por las células vaina
vascular
Pero las gramíneas no pierden mucho porque tienen
cero alrededor de las células vaina vascular
4.4 estomas
2.0 PEP carboxilasa
22
Discriminación Isotópica en Plantas CAM
4.4 estomas
2.0 PEP carboxilasa
23
Plantas CAM y d13CWinter and Holtum (2002) Plant
Physiology 1291843-1851
Plantas con valores d13C típicas CAM hacen
71-77 de su fijación en la oscuridad
Los valores d13C de plantas que fijan una tercera
parte o menos de su CO2 en la oscuridad puede ser
confundidas con plantas C3
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Calidad de Alimentos
Cuanta azúcar hay en la cerveza?
Brooks et al. (2002) J. Agric. Food Chemistry
506413-6418
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Isótopos de Nitrógeno en Ecosistemas y Vegetación
26
d15N en sistemas de plantas y el ambiente

• N2 del aire 0
• Rango terrestre -15 a 35
• 14N 99.63
• 15N 0.37

27
El Ciclo de Nitrógeno
N2
Fijación Biológica
NH3
N3O, NO, N2
Vegetación
Volatilización
Hojarasca
Denitrificación
Mineralización
Nitrificación
NH4
Suelo orgánico
NO3-
perdida
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El Ciclo de Nitrógeno
N2
Fijación Biológica
NH3
N3O, NO, N2
Vegetación
Volatilización
Hojarasca
Denitrificación
29
0-33
Mineralización
Nitrificación
NH4
Suelo orgánico
NO3-
perdida
0
0-35
29
Nitrógeno en Ecosistemas N orgánico en suelo se
vuelve enriquecido con tiempo porque los
microorganismos discriminan contra 15N
Nadelhoffer and Fry (1988) Soil Science Soc. Am.
J. 521633-1640
30
N más viejo y profundo en el suelo es más
enriquecidoPiccolo, Neill, Cerri (1994)
Oecologia 99112-117
31
Bosques tropicales tienen ciclos de N más
abiertosMartinelli, Piccolo, Townsend, Vitousek,
Cuevas, McDowell, Robertson, Santos, Treseder
(1999) Biogeochemistry 4645-65
Los ecosistemas tropicales presentan un
enriquecimiento en 15N debido a la forma en que
pierden N
32
d15N a lo largo de un gradiente de lluvia en
Panamá
Bosques tropicales con menos lluvia tienen ciclos
de N más abiertos Re-metabolismo?
Santiago, Kitajima, Wright, Mulkey (2004)
Oecologia 139495-502
33
Factores que afectan d15N de plantas

• Asimilación
• Formas de N NO3, NH4, N2
• Concentración
• Micorrizas

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Discriminación en Absorbción de N en
PlantasEvans (2001) Trends in Plant Science
6121-126
Solo hay discriminación en absorbción con altas
concentraciones de N, como en sistemas de
agricultura
35
d15N y Fijación de NVirginia and Delwiche (1982)
Oecologia 54317-325
Es posible usar un modelo de dos fuentes para
calcular la of N de fijación
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Cambios en fuentes de N con tamaño en Bromelias
de Costa RicaReich, Ewel, Nadkarni, Dawson,
Evans (2003) Oecologia
Plantas jóvenes reciben 77-80 de su N de fuentes
atmosféricas Plantas maduras reciben 64-100 de
su N del suelo del dosel
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Información de Isótopos

• Center for Stable Isotope Biogeochemistry
• Stable Isotope Ratio Facility for Environmental
  Research
• International Atomic Energy Agency
• National Institute of Standards (NIST)
• Lawrence Berkeley National Laboratory
• U.S. Geological Survey