Efter en omfattande studie av växter över hela USA har forskare kommit fram till den oväntade slutsatsen att växter som kan fixera atmosfäriskt kväve är mest olika i torra områden i landet. Detta fynd strider mot det rådande antagandet att kvävebindare bör vara jämförelsevis mest olika i miljöer där kväve i marken finns i begränsad tillgång.

Resultaten var särskilt överraskande med tanke på att kvävebindare saknar egenskaper som ofta förknippas med torra jordar, såsom de tjocka vattenlagrande stjälkarna av kaktusar. "Vid första anblicken verkar kvävefixerare inte nödvändigtvis vara anpassade för torra ekosystem", säger huvudförfattaren Joshua Doby, doktorand vid institutionen för biologi vid University of Florida.

Orsaken till detta oväntade mönster var inte omedelbart klart, men Doby misstänker att det är relaterat till hur kvävefixare och icke-fixare använder elementet.

Växter blir kreativa för att få kväve

Växter införlivar kväve i nästan varje struktur och reaktion som äger rum i deras celler. Utan det skulle de inte kunna producera proteiner, skapa enzymer eller ens fotosyntetisera. Med så hög efterfrågan på kväve är det ofta en av de största begränsningarna för växttillväxt – det finns helt enkelt inte tillräckligt med det för att gå runt.

För att kompensera för denna brist har växter upprepade gånger utvecklat innovativa sätt att pressa ut så mycket kväve som möjligt ur sin omgivning. Venusflugfällor och klibbiga soldaggar har utvecklat strukturer för att stjäla kväve från insekter, dyngmossor växer uteslutande på djurspillning och de modifierade löven från vissa kannaväxter ger ett hem för fladdermöss i utbyte mot den kväverika avföring de lämnar efter sig.

Även om kväve kan vara svårt att få tag på i jordar, finns det ett nästan oändligt utbud som hänger precis utom räckhåll. Kvävgas utgör cirka 78 % av jordens atmosfär, men likt någon som dör av törst när han går vilse till havs, är växter helt oförmögna att absorbera den.

Bakterier, å andra sidan, har bemästrat tricket att fixera atmosfäriskt kväve vid flera tillfällen. En slumpmässig allians mellan en sådan bakterie och en växt ledde till en av de största botaniska strålningarna på jorden, vilket gav upphov till bönfamiljen, som idag innehåller mer än 18 000 arter. Rötterna hos många bönväxter producerar ihåliga knölar som främjar bakterietillväxt. Växterna pumpar dessa förkammare fulla av socker för att mata sina bakteriepartner och extrahera kvävet som de driver ut som avfall.

Botaniker har spekulerat i decennier att växter som hyser kvävefixerande bakterier borde vara mer olika i ekosystem som savanner och gräsmarker. Skogsbränder sveper regelbundet genom dessa miljöer och förvandlar träd och buskar packade med näringsämnen till rök och aska som har blåst bort. Eventuella näringsämnen som finns kvar i jorden efter en brand kan slinka under rötterna när det regnar, innan groende växter har en chans att absorbera dem.

Kvävefixering förberedde växter för en svalare, torrare planet

Forskare från Florida Museum of Natural History, Louisiana State University och Mississippi State University gav sig i kast med att fastställa vilka miljöfaktorer som spelade den största rollen i utformningen av kvävefixerande växtsamhällen i USA. Med hjälp av data från National Ecological Observatory Network (NEON) analyserade de register för både inhemska och invasiva arter från mer än 40 platser över hela USA, inklusive Puerto Rico.

Enligt deras resultat ökade antalet kvävefixare i kvävefattiga miljöer och minskade i allt torrare livsmiljöer, som förväntat. Torra miljöer stöder i allmänhet färre växtarter än de som får mer nederbörd, och kvävebindare är inget undantag från denna regel.

Överraskningen kom när forskare tittade specifikt på mångfalden av inhemska kvävefixare. Även om det fanns färre arter, ökade mångfalden av inhemska kvävebindare kraftigt i torra områden, oavsett mängden tillgängligt kväve i jorden.

Skillnaden mellan antalet arter – så kallad artrikedom – och mångfald liknar att välja en färgpalett. En palett med 16 nyanser av blått innehåller fler nyanser än en palett med åtta komplementfärger; den andra paletten innehåller dock en större variation av färger och spänner över ett bredare spektrum av synligt ljus.

Det finns tusentals blommande växtarter som hyser kvävefixerande bakterier, och ofta kan individer som bara är avlägset släkt med varandra hittas som växer sida vid sida i öknar och buskasslätter. Dessa inkluderar välbekanta exempel, såsom mesquite och alträd.

Medan torrälskande växter som kaktusar har utvecklat en mängd egenskaper som gör att de kan frodas i öknar, tror Doby att växter med ett rikt lager av kväve har en inbyggd fördel. "Det beror inte nödvändigtvis på att torrhet driver mångfald", sa han. "Växter som har mer kväve har tjockare nagelband, vilket gör dem resistenta mot vattenförlust."

De flesta kvävefixerande växtstammar fick sin start i krita, när dinosaurier fortfarande fanns och temperaturen var högre än de är idag. Under de senaste 50 miljoner åren har jordens klimat gradvis svalnat och torkat, vilket utlöst bildandet av vidsträckta gräsmarker och stora öknar. Växter som inte kunde klippa det i dessa nya miljöer sårades gradvis bort, förklarar Doby, medan många kvävefixare som var väl lämpade för denna nya värld diversifierade sig i de lediga landskapen.

"Den här studien ger oss en riktigt bra uppfattning om varför växtsamhällen är som de är idag," sa Doby och tillade att han oroar sig för att förhållanden som stöder olika floror i torra områden kanske inte håller mycket längre. "När saker och ting blir blötare och varmare på grund av klimatförändringarna, kommer egenskaperna som gjorde dessa växter välanpassade och mångsidiga inte att vara särskilt fördelaktiga längre. Många av de unika växtsamhällen vi har runt idag kommer att vara i riskzonen i på lång sikt."

Forskningen publicerades i Global Ecology and Biogeography . + Utforska vidare

Odla spannmålsgrödor med mindre gödningsmedel