Chemical warfare in a degraded land: The allelopathic capacity and allelochemical diversity of Empetrum nigrum in Icelandic tundra ecosystems

Abstract

Iceland has major issues with land degradation due to centuries of unsustainable land use. Degraded Icelandic tundra ecosystems do not easily recover after removing one of the main drivers of degradation – livestock overgrazing – and they appear to be “trapped” in degraded states. It is important to identify the “trapping mechanisms” potentially interfering with restoration efforts to avoid further loss of plant and soil resources. One such mechanism may be “chemical warfare” through the release of allelochemicals by unpalatable plants that inhibit seed germination and seedling growth in neighbouring species and modify ecosystem processes. The aim of this thesis was to investigate the role of the unpalatable and allelopathic evergreen dwarf shrub Empetrum nigrum in keeping degraded Icelandic tundra ecosystems trapped in degraded states, by assessing the allelopathic capacity and allelochemical diversity of Icelandic Empetrum. This thesis comprises three research papers based on bioassays and chemical analyses following targeted and untargeted liquid chromatography-mass spectrometry metabolomics approaches. The results show that volcanic soils alleviate the allelopathic capacity of Empetrum considerably when compared with non-volcanic soils, reducing negative soil legacy effects of Empetrum-associated soils. Nevertheless, the allelopathic capacity of Empetrum is likely high enough to retard seedling establishment in Icelandic tundra ecosystems, considering the high amount of Empetrum leaf biomass in the system. The synoecious Empetrum group hermaphroditum was found to have a stronger allelopathic capacity than the monoecious nigrum group, partly explained by higher foliar concentrations of the previously designated key allelochemical Batatasin-III. Furthermore, male nigrum plants were found to have a stronger allelopathic capacity than female nigrum plants. That means that the magnitude of Empetrum allelopathic capacities likely vary with the relative abundance of intra-specific groups and sexes. These allelopathically distinct groups and sexes were used as a biological system to identify more potential Empetrum allelochemicals. The untargeted chemical analysis revealed an Empetrum chemical profile characterized by putative phenolics and terpenoids as expected, but also naphthalene- and alkaloid-derivatives which have not been recorded in Empetrum before. Chemical profiles were clearly distinct between the Empetrum groups, whereas there were no clear differences between the nigrum sexes. The allelopathic capacity of Empetrum may be driven by terpenoids, naphthalenes, alkaloids, and various phenolics besides Batatasin-III. Thereby, this thesis broadens our understanding of how Empetrum may chemically interact with its environment and is the first step towards expanding our mechanistic understanding of Empetrum allelopathic effects. In conclusion, Icelandic Empetrum has a high allelopathic capacity and produces a wide range of potential allelochemicals by which it may contribute to keeping Icelandic tundra ecosystems trapped in degraded states. Future studies should aim to assess Empetrum allelopathic capacities in natural Icelandic tundra ecosystems and how they may change with climate warming.Hnignun lands í kjölfar aldalangrar ósjálfbærrar landnýtingar er mikið vandamál á Íslandi. Oft dugar ekki að fjarlægja einn helsta drifkraft hnignunarinnar – búfjárbeit – til að endurheimta heilbrigði vistkerfa og þau virðast því fönguð í viðjum hnignunar. Til að koma í veg fyrir frekari gróður- og jarðvegseyðingu er mikilvægt að skilja þau gangverk sem halda vistkerfum á hnignunarstigi og hvernig þau trufla endurheimtaraðgerðir. Eitt slíkt gangverk gæti verið „efnahernaður“ þar sem ákveðnar tegundir losa bæliefni (e. allelochemicals) sem hafa neikvæð áhrif á spírun fræja og vöxt ungplantna nágrannategundanna og móta þannig vistkerfisferla. Markmið ritgerðarinnar var að rannsaka hlutverk krækilyngs (Empetrum nigrum), sígræns smárunna, við að halda túndruvistkerfnum á hnignunarstigi með því að mæla hæfni/virkni þess til bælingar (e. allelopathic capacity) og fjölbreytni bæliefnanna. Ritgerðin byggir á þremur vísindagreinum þar sem beitt var lífvirkniprófum og markvissri og ósértækri (e. untargeted) vökvaskilju-massagreiningu virkra efna. Niðurstöður sýndu að íslenskur eldfjallajarðvegur mildar verulega bælingaráhrif krækilyngs í samanburði við annan jarðveg og dregur úr langtímaáhrifum í jarðvegi sem krækilyng hefur vaxið í. Engu að síður má gera ráð fyrir að bæling krækilyngs á spírun og vexti ungra plantna sé veruleg í íslenskum túndruvistkerfum sé miðað við hátt magn krækilyngsblaðmassa í vistkerfunum. Bælihæfni tvíkynja krækilyngs (hermaphroditum plöntur) var mun meiri en einkynja krækilyngs (nigrum plöntur), sem skýrðist að hluta til af hærri styrk bæliefnisins Batatasin-III í blöðum, en þetta efni hefur verið talið eitt helst bæliefni tegundarinnar. Að auki reyndust karlkyns nigrum plöntur hafa meiri bælihæfni en kvenplönturnar. Þetta bendir til að bælihæfni krækilyngs sé breytileg eftir kyni og magni mismunandi hópa innan tegundarinnar. Þessi breytileiki milli hópa og kynja krækilyngs var nýttur til að greina fleiri hugsanleg bæliefni í tegundinni. Ósértæk massagreining afhjúpaði efnafræðilega samsetningu sem einkenndist, eins og búist var við, af áður þekktum fenól- og terpenóíðsamböndum, en einnig afleiðum naftalens og alkalóíða sem hafa ekki verið greind áður í krækilyngi. Efnafræðileg samsetning krækilyngshópanna var greinilega ólík en enginn skýr munur var á milli kynja hjá nigrum. Bælihæfni krækilyngs virðist byggja á terpenóíðum, naftalenum, alkalóíðum og fenólum auk Batatasin-III. Þessi greining eykur því skilning okkar á efnafræðilegum samskiptum krækilyngs við umhverfið og er fyrsta skrefið í átt að auknum skilning okkar á bælingaráhrifum þess. Að lokum má álykta að krækilyng hafi mikla bælihæfni á Íslandi og framleiði fjölbreytt efnasambönd með hugsanlega bælivirkni sem gætu stuðlað að því að fjötra íslensk túndruvistkerfi á hnignunarstigi. Framhaldsrannsóknir ættu að miða að því að meta bælihæfni krækilyngs í túndruvistkerfum við náttúrulegar aðstæður og rannsaka hvernig loftslagshlýnun hefur áhrif á hana.