O protocolo apresentado mostra medição digital e análise de características fisionômicas foliares contínuas em folhas fósseis para reconstruir paleoclima e paleoecologia usando os métodos de fisionomia foliar digital e reconstrução de massa foliar por área.
O clima e o ambiente influenciam fortemente o tamanho, a forma e a dentição (fisionomia) das folhas das plantas. Essas relações, particularmente em angiospermas lenhosas não monocotiledôneas, têm sido usadas para desenvolver proxies baseados em folhas para paleoclima e paleoecologia que foram aplicados para reconstruir ecossistemas terrestres antigos nos últimos ~ 120 milhões de anos da história da Terra. Além disso, dado que essas relações foram documentadas em plantas vivas, elas são importantes para entender os aspectos da evolução das plantas e como as plantas respondem às mudanças climáticas e ambientais. Para realizar esses tipos de análises em plantas modernas e fósseis, a fisionomia foliar deve ser medida com precisão usando uma metodologia reprodutível. Este protocolo descreve um método baseado em computador para medir e analisar uma variedade de variáveis fisionômicas foliares em folhas modernas e fósseis. Este método permite a medição de características fisionômicas foliares, em particular variáveis relacionadas a serrilhas foliares, área foliar, dissecção foliar e linearidade que são utilizadas no proxy fisionômico foliar digital para reconstrução do paleoclima, bem como largura do pecíolo e área foliar, que são utilizadas para reconstrução da massa foliar por área, um proxy paleoecológico. Como esse método digital de medição de características foliares pode ser aplicado a plantas fósseis e vivas, ele não se limita a aplicações relacionadas à reconstrução do paleoclima e da paleoecologia. Também pode ser usado para explorar características foliares que podem ser informativas para entender a função da morfologia foliar, desenvolvimento foliar, relações filogenéticas de características foliares e evolução das plantas.
As folhas são unidades de produção fundamentais que facilitam a troca de energia (por exemplo, luz, calor) e matéria (por exemplo, dióxido de carbono, vapor d'água) entre a planta e o ambiente circundante 1,2. Para desempenhar essas funções, as folhas devem suportar mecanicamente seu próprio peso contra a gravidade no ar parado e ventoso 3,4. Devido a essas ligações intrínsecas, vários aspectos do tamanho, forma e dentição das folhas (fisionomia) refletem os detalhes de sua função e biomecânica e fornecem informações sobre seu ambiente e ecologia. Trabalhos anteriores quantificaram as relações entre fisionomia, clima e ecologia das folhas em todo o mundo moderno para estabelecer proxies que podem ser aplicados a assembléias de folhas fósseis 5,6. Esses proxies fornecem oportunidades importantes para reconstruir o paleoclima e a paleoecologia e contribuem para uma maior compreensão da complexa interação entre vários sistemas do planeta ao longo de sua história. Este artigo detalha os métodos necessários para o uso de duas proxies: 1) o método de reconstrução da massa foliar por área para elucidar a paleoecologia e 2) fisionomia foliar digital para reconstruir o paleoclima.
A massa seca foliar por área (MA) é uma característica da planta frequentemente medida tanto na neo quanto na paleobotânica. O valor primário de MA, especialmente para reconstruções fósseis, é que ele faz parte do espectro da economia foliar, um eixo coordenado de características foliares bem correlacionadas que inclui taxa fotossintética foliar, longevidade foliar e conteúdo de nutrientes foliares em massa7. A capacidade de reconstruir MA partir de fósseis fornece uma janela para esses processos metabólicos e químicos inacessíveis e, em última análise, pode revelar informações úteis sobre a estratégia ecológica das plantas e a função do ecossistema.
Royer et al.5 desenvolveram um método para estimar a MA de folhas fósseis de angiospermas lenhosas não monocotiledôneas (dicotiledôneas) com base na área da lâmina foliar e na largura do pecíolo. Teoricamente, o pecíolo da folha atua como um balanço, mantendo o peso da folha na posição ideal 3,4. A área da seção transversal do pecíolo, que constitui o componente mais significativo da resistência do feixe, deve, portanto, estar fortemente correlacionada com a massa da folha. Ao simplificar a forma do pecíolo em um tubo cilíndrico, a área da seção transversal do pecíolo pode ser representada com a largura do pecíolo ao quadrado, permitindo que a massa foliar seja estimada a partir de um fóssil bidimensional (para mais detalhes, consulte Royer et al.5). A área foliar pode ser medida diretamente. Juntos, a largura do pecíolo ao quadrado dividida pela área da folha (ou seja, a métrica do pecíolo; Tabela 1) fornece um bom proxy para o MA fóssil e permite que os paleobotânicos entrem na ecologia moderna baseada em características. Os métodosde reconstrução M A também foram expandidos para gimnospermas de folha larga e pecioladas 5,8, angiospermas herbáceas8 e samambaias9, que produziram relações que diferem das relações observadas para angiospermas dicotiledôneas lenhosas e entre si. Um conjunto de dados expandido de dicotiledôneas lenhosas e novas equações de regressão para reconstruir a variância e a média de MA no nível do local permitem a inferência da diversidade de estratégias econômicas foliares e quais estratégias são mais prevalentes, entre as angiospermas dicotiledôneas lenhosas em floras fósseis10.
A relação entre as características fisionômicas das folhas e seu clima é observada há mais de um século11,12. Especificamente, a fisionomia das folhas de angiospermas dicotiledôneas lenhosas está fortemente correlacionada com a temperatura e a umidade13. Essa relação formou a base para numerosos proxies fisionômicos de folhas univariadas 14,15,16,17 e multivariadas 6,18,19,20,21,22 para paleoclima terrestre. Os métodos paleoclimáticos fisionômicos de folhas univariadas e multivariadas têm sido amplamente aplicados a floras fósseis dominadas por angiospermas em todos os continentes, abrangendo os últimos ~ 120 milhões de anos da história da Terra (do Cretáceo ao moderno) 23 .
Duas observações fundamentais utilizadas em proxies paleoclimáticos fisionômicos foliares são 1) a relação entre o tamanho da folha e a precipitação média anual (MAP) e 2) a relação entre os dentes foliares (ou seja, projeções externas da margem foliar) e a temperatura média anual (MAT). Especificamente, o tamanho médio da folha de todas as espécies de angiospermas de dicotiledôneas lenhosas em uma localidade está positivamente correlacionado com a MAP, e a proporção de espécies de angiospermas de dicotiledôneas lenhosas em uma localidade com folhas dentadas, além do tamanho e número de dentes, correlaciona-se negativamente com o MAT 6,12,13,14,15,16,24.
Uma ligação funcional entre essas relações fisionomia-clima foliar é fortemente apoiada tanto pela teoria quanto pela observação 1,2,25. Por exemplo, embora folhas maiores forneçam maior área de superfície fotossintética, elas requerem maior suporte, perdem mais água por transpiração e retêm calor mais sensível devido a uma camada limite mais espessa 1,26,27. Assim, folhas maiores são mais comuns em ambientes mais úmidos e quentes porque a perda de água pelo aumento da transpiração resfria efetivamente as folhas e é menos problemática. Em contraste, folhas menores em climas quentes mais secos reduzem a perda de água e evitam o superaquecimento, aumentando a perda de calor sensível28,29. Detalhes de quais fatores, ou combinação de fatores, contribuem mais fortemente para explicar as ligações funcionais permanecem enigmáticos para outras características foliares. Por exemplo, várias hipóteses foram propostas para explicar a relação dentes foliares-MAT, incluindo resfriamento foliar, empacotamento eficiente de botões, suporte aprimorado e fornecimento de folhas finas, gutação por meio de hidódios e maior produtividade no início da temporada 30,31,32,33.
A maioria dos proxies paleoclimáticos fisionômicos foliares depende da divisão categórica das características foliares, em vez de medições quantitativas de variáveis contínuas, levando a várias deficiências potenciais. A abordagem categórica exclui a incorporação de informações mais detalhadas capturadas por medições contínuas que estão fortemente correlacionadas com o clima (por exemplo, número de dentes, linearidade foliar), o que pode reduzir a precisão das estimativas paleoclimáticas 6,20,34. Além disso, em alguns dos métodos de pontuação de características foliares, as características que estão sendo pontuadas categoricamente podem ser ambíguas, levando a problemas de reprodutibilidade, e algumas características têm evidências empíricas limitadas para apoiar sua ligação funcional com o clima 6,15,16,35,36.
Para resolver essas deficiências, Huff et al.20 propuseram medir digitalmente as características contínuas da folha em um método conhecido como fisionomia digital da folha (DiLP). Uma das principais vantagens do DiLP em relação aos métodos anteriores é sua dependência de características que 1) podem ser medidas de forma confiável entre os usuários, 2) são de natureza contínua, 3) estão funcionalmente ligadas ao clima e 4) exibem plasticidade fenotípica entre as estações de crescimento 6,37. Isso levou a estimativas mais precisas de MAT e MAP do que os métodos paleoclimáticos fisionômicos foliares anteriores6. Além disso, o método acomoda a natureza imperfeita do registro fóssil, fornecendo etapas para contabilizar folhas danificadas e incompletas. O método DiLP foi aplicado com sucesso a uma variedade de floras fósseis de vários continentes, abrangendo uma grande variedade de tempo geológico 6,38,39,40,41,42.
O protocolo a seguir é uma expansão do descrito em trabalhos anteriores 5,6,20,34. Ele explicará os procedimentos necessários para reconstruir o paleoclima e a paleoecologia a partir de folhas fósseis de angiospermas dicotiledôneas lenhosas usando os métodosde reconstrução DiLP e MA (consulte a Tabela 1 para obter uma explicação das variáveis medidas e calculadas por meio do uso deste protocolo). Além disso, este protocolo fornece etapas para registrar e calcular características foliares não incluídas na análise DiLP ou MA, mas que são fáceis de implementar e fornecem caracterizações úteis da fisionomia foliar (Tabela 1). O protocolo segue o seguinte formato: 1) Imagem de folhas fósseis; 2) preparo digital foliar, organizado em cinco cenários possíveis de preparo; 3) medição digital da folha, organizada nos mesmos cinco cenários de preparo possíveis; e 4) análises de DiLP e MA, usando o pacote R dilp10.
O protocolo para reconstruções de MA está embutido no protocolo DiLP porque ambos são convenientes para preparar e medir um ao lado do outro. Se um usuário estiver interessado apenasem análises de MA, ele deve seguir as etapas de preparação descritas no cenário de preparação 2 do DiLP, independentemente de a margem da folha ser dentada ou não, e as etapas de medição que descrevem apenas as medidas da largura do pecíolo, da área do pecíolo e da área foliar. Um usuário pode então executar as funções apropriadas no pacote dilp R que executaas reconstruções de MA.
1. Imagem de folhas fósseis
2. Preparação digital
NOTA: Uma ilustração da terminologia de arquitetura leaf usada nesses protocolos é fornecida na Figura 1. Use a árvore de decisão (Figura 2) e os exemplos fornecidos (Figura 3) para determinar qual cenário de preparação é aplicável à folha fóssil a ser medida e prossiga para a seção apropriada. Consulte a Tabela 2 para considerações adicionais nas etapas de preparação. Se a folha se enquadrar no cenário 1 ou 5, a folha não poderá ser preparada para medições quantitativas da fisionomia foliar.
3. Medição digital
NOTA: Uma planilha de modelo de entrada de dados é fornecida como Arquivo Suplementar 1. Consulte a Tabela 3 para considerações adicionais nas etapas de medição. Nos cenários 1 e 5, a única etapa necessária é registrar o estado da margem folha na planilha de entrada de dados (etapa 3.5).
4. Execução de análises em software R
NOTA: As etapas a seguir requerem o pacote R dilp11. A planilha de entrada de dados é lida em R e usada pelo pacote. Consulte a guia Instruções adicionais na planilha de entrada de dados (Arquivo suplementar 2). O script R pode acomodar a análise de vários locais simultaneamente ou de um único local.
Um conjunto de dados publicado anteriormente de medições de fisionomia foliar do sítio fóssil de McAbee do início do Eoceno no centro-sul da Colúmbia Britânica foi usado para fornecer um exemplo de resultados representativos usando os métodos de reconstrução de fisionomia foliar digital (DiLP) e massa foliar por área (MA) (Lowe et al.38; dados fornecidos no Arquivo Suplementar 2). O local oferece uma oportunidade para reconstruir o paleoclima e a paleoecologia durante o intervalo mais quente do Cenozóico (o Ótimo Climático do Eoceno Inferior) em uma paisagem montanhosa e vulcânica 38,45,46,47. As assembléias fósseis foram amostradas de dois horizontes separados em uma sequência lacustre, denominada H1 (28 cm de espessura) e H2 (27 cm de espessura), agrupadas em uma faixa estreita de estratigrafia usando uma técnica de censo, em que todos os espécimes capazes de receber um morfotipo foram coletados ou contados38,48.
Os dados fisionômicos da folha de McAbee passaram nas verificações de erro sinalizadas por dilp_errors() e sete outliers sinalizados por dilp_outliers() foram verificados duas vezes para garantir que os valores representem uma variação real nos dados e não um erro metodológico. Os dados foram posteriormente executados através da função dilp() para produzir paleoclima e da função lma() para reconstruções de massa foliar por área.
As reconstruções MA e os limites inferior e superior de seus intervalos de previsão de 95% são relatados na Tabela 4 tanto no nível da espécie quanto do local, usando equações apresentadas em Royer et al.5 e Butrim et al.10. Os valores reconstruídos estão dentro da faixa de MA típica para espécies terrestres modernas (30-330 g / m2) 49 . Usando os limiares discutidos em Royer et al.5, a maioria das espécies temum MA reconstruído que se alinha com a expectativa de vida foliar de <1 ano (≤87 g / m2), alguns ~ 1 ano (88-128 g / m2), enquanto nenhum é típico de > 1 ano (≥129 g / m2). As reconstruções do local M,A média e variância em McAbee refletem a prevalência e diversidade de estratégias econômicas foliares em um local10,50. Não há diferenças proeminentes entre a média do local e a variância entre H1 e H2 e, portanto, não há evidências de que a composição e a diversidade das estratégias econômicas foliares variaram entre os dois pontos no tempo. Além disso, as reconstruções sítio-médias feitas usando as equações de Royer et al.5 e Butrim et al.10 foram muito semelhantes.
As reconstruções da temperatura média anual (SAM) e da precipitação média anual (PAM) por meio das equações de regressão linear múltipla (DiLP) e regressão linear simples (análise da margem foliar e da área foliar) apresentadas em Peppe et al.6 são apresentadas na Tabela 5. As estimativas paleoclimáticas são inferidas de forma mais confiável se a fisionomia foliar das assembléias foliares fósseis ocorrer dentro do espaço fisionômico do conjunto de dados de calibração. Isso é avaliado por meio da etapa de análise de correspondência canônica (CCA) realizada pela função dilp_cca(). Tanto o McAbee H1 quanto o H2 se enquadram na faixa de fisionomia foliar observada no conjunto de dados de calibração (Figura 7A). Se os locais tiverem valores reconstruídos que caíram fora do espaço de calibração, as reconstruções paleoclimáticas devem ser interpretadas com cautela (por exemplo, por meio da comparação com linhas independentes de evidência; ver Peppe et al.6 para uma discussão mais aprofundada). MAT e MAP reconstruídos para H1 e H2 são consistentes com um bioma sazonal temperado (Figura 7B, C), o que concorda bem com linhas independentes de evidência, incluindo inferências baseadas em parentes vivos mais próximos das comunidades florais e de insetos fósseis em McAbee45.
Figura 1: Fisionomia da folha e terminologia arquitetônica ao longo deste artigo. (A) Uma folha com veios pinados, sem lóbulos e com margens inteiras, (B) uma folha com veios palmados, sem lóbulos e dentados, (C) uma folha com veios pinados, lobados e com margens inteiras, (D) uma folha com veios palmados, lobados e dentados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Fluxograma do método. Um fluxograma demonstrando como diferentes condições de preservação de folhas e tipos de folhas determinam que tipo geral de características foliares podem ser medidas de forma confiável (caixa amarela). Isso determina qual cenário de preparação será seguido no protocolo e em quais colunas os dados serão inseridos na planilha de entrada de dados (bullet points). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Diferentes cenários de preparação. Diferentes cenários de preparação demonstrando exemplos de imagens preparadas digitalmente completas prontas para a fase de medição. (A) Cenário 1, folha inteira com margens cuja área, ou meia área, não pode ser reconstruída, (B) Cenário 5, folha dentada cuja área, ou meia área, não pode ser reconstruída e não tem ≥2 dentes consecutivos e/ou ≥25% da folha preservada, (C) Cenário 2, folha inteira com margens cuja área, ou metade da área, é preservada ou pode ser reconstruída, (D) Cenário 3, uma folha dentada cuja área, ou meia área, não pode ser reconstruída, mas tem ≥2 dentes consecutivos e ≥25% da folha preservada, (E) Cenário 4, uma folha dentada cuja área, ou meia área, é preservada ou pode ser reconstruída. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Ilustração da remoção de danos. Ilustrando como cortar a margem danificada e a área foliar adjacente a essa margem danificada. As linhas vermelhas tracejadas demonstram como as seleções são feitas com a ferramenta laço. Observe que os limites do dano foram iniciados intencionalmente nos seios dos dentes decíduos (consulte a Figura Suplementar 2 para ajudar a diferenciar os dentes decíduos dos subsidiários). (A) Uma folha com veios pinados onde a seleção é estendida até a nervura média. (B) Uma folha com veios palmados onde a seleção é estendida para a nervura primária mais próxima. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Ilustrando um exemplo de como cortar dentes. (A) As linhas vermelhas tracejadas demonstram como as seleções são feitas com a ferramenta laço. Observe que, neste caso, os dentes são compostos, portanto, as seleções foram feitas apenas entre os seios decíduos (consulte a Figura Suplementar 2 para ajudar a diferenciar os dentes decíduos dos subsidiários), (B) uma perspectiva ampliada de como a seleção dos dentes foi feita, com pontos vermelhos representando onde o mouse foi clicado durante a seleção, (C) a cópia da folha quando os dentes são removidos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Ilustração do cenário de preparação 4. Ilustração das decisões de preparação e etapas de medição para uma folha de exemplo preparada no cenário 4. (A) Um cenário de preparação em que foi decidido que uma meia folha fornecia a forma e as medidas de área da folha mais confiáveis, e margens preservadas em ambas as metades mediais foram incluídas para as medições dos dentes. (B) Um exemplo demonstrando quais variáveis são medidas em vários componentes da folha preparada. O texto em negrito destaca as medições necessáriaspara as análises DiLP e MA, enquanto o texto em negrito (perímetro da lâmina, Feret mínimo e perímetro médio artificial) destaca as medições que não são necessárias, mas úteis para caracterizações fisionômicas adicionais (por exemplo, fator de forma e compacidade; Tabela 1). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Resultados representativos. Resultados de dois horizontes fósseis (H1 e H2) amostrados nos leitos fósseis de McAbee do início do Eoceno de Lowe et al.38. (A) Análise de correspondência canônica mostrando a representação da fisionomia foliar multivariada no conjunto de dados de calibração. Os dados de calibração são de Peppe et al.6. A fisionomia foliar dos dois horizontes de McAbee é sobreposta e ocorre dentro do espaço de calibração. (B e C) Estimativas de temperatura e precipitação, e suas incertezas associadas (erros padrão dos modelos), usando equações apresentadas em Peppe et al.6 dos dois horizontes de McAbee sobrepostos em um diagrama do Bioma Whittaker. (B) Estimativas reconstruídas usando os modelos de regressões lineares múltiplas (MLR) da Fisionomia Digital da Folha (DiLP), (C) Estimativas reconstruídas usando as equações de regressão linear simples (SLR) de análise de área foliar (LAA) e análise de margem foliar (LMA) dos dois horizontes de McAbee sobrepostos em um diagrama do Bioma Whittaker. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: Variáveis fisionômicas foliares. Variáveis que são medidas e/ou calculadas e aplicadas em modelos preditivos usando este protocolo para reconstruir a massa seca foliar por área (MA), temperatura média anual (MAT) e precipitação média anual (MAP). MAT e MAP são reconstruídos com equações apresentadas em Peppe et al.6 usando uma abordagem multivariada para Fisionomia Digital da Folha (DiLP) e abordagens univariadas para análise da margem foliar (LMA) e análise da área foliar (LAA). As variáveis listadas como Outras não são usadas nas análises MA, DiLP, LMA e LAA, mas ainda são medidas e calculadas usando este protocolo porque são fáceis de implementar e fornecem caracterizações úteis da fisionomia foliar. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 2: Considerações e explicações adicionais para as etapas de preparação. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 3: Considerações e explicações adicionais para medir etapas. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 4: Reconstruções da massa seca foliar por área (M, A) e limites superior e inferior associados dos intervalos de predição de 95% para leitos fósseis de McAbee de Lowe et al.38. As reconstruções são feitas para a média do morfotipo5, média do local 5,10 e variância do local10. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 5: Reconstruções da precipitação média anual temperada (MAT) e média anual (MAP) para os Horizontes 1 (H1) e 2 (H2) nos leitos fósseis de McAbee do início do Eoceno usando as regressões lineares múltiplas (MLR) da Fisionomia Digital da Folha (DiLP) e as regressões lineares simples (SLR) da análise da margem foliar (LMA) e análise da área foliar (LAA) apresentadas em Peppe et al.6. Clique aqui para baixar esta tabela.
Figura suplementar 1: Folha de Quercus rubra da Harvard Forest ilustrando a regra do lobo vs. dente. Os segmentos de linha p e d são definidos no texto. Barras de escala = 1 cm. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 2: Folha de Betula lutea da Floresta de Harvard ilustrando as regras para diferenciar dentes subsidiários de dentes decíduos. O segmento foliar isolado foi ampliado 2X. A linha azul conecta os seios com maior grau de incisão (ou seja, seios primários), e os dentes associados a esses seios são considerados primários (setas azuis). Os pontos vermelhos marcam os dentes que podem ser diferenciados como subsidiários porque seus seios apicais são incisados em menor grau. Os dentes denotados pelas setas vermelhas têm um grau de incisão semelhante em comparação com os dentes decíduos, mas podem ser identificados como subsidiários por uma veia principal calibrada relativamente mais fina em comparação com os dentes decíduos. Barras de escala = 1 cm. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 3: Ilustração da seleção dentária, a regra do lobo pinado e a regra de prioridade do lobo. (A) Seleção de dentes para uma folha de Hamamelis virginiana da Huyck Preserve. As áreas escurecidas correspondem ao tecido foliar que é incluído na seleção total dos dentes porque os dentes subsidiários são diferenciados dos dentes decíduos. (B) A folha de Quercus alba do IES ilustra a regra da prioridade do lóbulo. As áreas escurecidas são medidas como lóbulos e as não escuras são medidas como dentes, mas todas as projeções são consideradas lóbulos por meio da regra de prioridade do lóbulo. Barras de escala = 1 cm. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 4: Folha de Acer saccharum da Floresta Nacional de Allegheny ilustrando as regras de extensão e dentes solitários. As linhas tracejadas representam as seleções de dentes. A linha sólida representa o eixo de simetria do dente associado. A área preta é um peso usado para achatar as folhas para fotografia. Barras de escala = 1 cm. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 5: Ilustrando a maneira ideal de cortar um pecíolo posicionado no topo de uma base cordada. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo Suplementar 1: Modelo de entrada de dados para todas as variáveis de fisionomia da folha digital medidas. Esse arquivo não deve ser modificado, pois será usado como o arquivo de entrada para o pacote R. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo Suplementar 2: Dados de exemplo de leitos fósseis de McAbee de Lowe et al.38. Esses dados foram utilizados para gerar a Figura 7 e para a discussão dos resultados representativos. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo Suplementar 3: Documento de regras para fisionomia foliar digital fóssil. Clique aqui para baixar este arquivo.
Este artigo apresenta como características contínuas da fisionomia foliar podem ser medidas em folhas fósseis de angiospermas dicotiledôneas lenhosas e posteriormente aplicadas a proxies desenvolvidos a partir de dados modernos de calibração para reconstruir o paleoclima e a paleoecologia. Isso requer que se tome cuidado para alinhar as etapas metodológicas com aquelas representadas nos conjuntos de dados de calibração proxy 5,6,10. Essa consideração começa antes da aplicação deste protocolo durante a coleta de folhas fósseis, particularmente no que diz respeito ao tamanho da amostra. Recomenda-se agrupar assembléias de folhas fósseis em uma faixa de estratigrafia tão estreita quanto possível para obter um número adequado de espécimes e morfotipos mensuráveis para minimizar a média do tempo. Limitar a reconstrução paleoclimática a locais com pelo menos 350 espécimes identificáveis e pelo menos 15-20 morfotipos de angiospermas dicotiledôneas lenhosas também é recomendado 19,51,52. Além disso, ao escolher folhas para análises, recomenda-se medir o maior número possível de folhas por morfotipo e, no mínimo, escolher espécimes que representem a variabilidade da fisionomia foliar dentro de um morfotipo.
Deve-se tomar cuidado adicional ao implementar as seções de preparação e medição para permanecer consistente com o conjunto de dados de calibração. As etapas realizadas durante as etapas de preparação têm maior potencial de subjetividade e resultados variados entre os usuários. No entanto, se o protocolo for seguido deliberadamente e as tabelas de considerações adicionais (Tabela 2, Tabela 3) e o documento de regras (Arquivo Suplementar 3) forem referenciados com frequência, esse método resultará em medições objetivas e reprodutíveis da fisionomia foliar. Para usuários novos no método, sugere-se confirmar se as folhas foram preparadas corretamente com alguém com mais experiência. Cuidados especiais devem ser tomados ao medir a largura do pecíolopara reconstruções MA. Como esses valores são elevados ao quadrado, a imprecisão nas medições se tornará exagerada. A preservação e os danos incompletos podem alterar as dimensões do pecíolo e devem ser evitados com cuidado.
Existem algumas limitações para esses métodos que valem a pena observar. Mais importante ainda, as reconstruções proxy incluídas no pacote dilp R são apenas para angiospermas dicotiledôneas lenhosas e, portanto, podem excluir outros grupos de plantas que eram componentes proeminentes de comunidades antigas. No entanto, proxies adicionais baseados em pecíolos foliares para MA em nível de espécie foram publicados para gimnospermas pecioladas e de folha larga 5,8, angiospermas herbáceas8 e samambaias9, que um usuário pode incorporar separadamente, se desejar. A exclusão de grupos de plantas proeminentes em comunidades além das angiospermas dicotiledôneas lenhosas é provavelmente mais impactante para as reconstruções da média e variância de MA no nível do local, pois fornecerão uma perspectiva incompleta das estratégias econômicas em toda a comunidade. A história filogenética influencia a ocorrência de dentes foliares23, introduzindo o potencial de que a análise de comunidades fósseis com nova composição taxonômica pode conferir incerteza nas estimativas resultantes, embora a realização dessa influência potencial ainda não tenha sido testada e demonstrada.
As folhas fósseis também precisam ser adequadamente preservadas para incorporar medidas quantitativas da fisionomia foliar além do estado de margem. Para DiLP, isso é especialmente verdadeiro para folhas com margens inteiras, pois elas só podem contribuir com informações além do estado de margem se a folha inteira, ou meia folha, for preservada ou puder ser reconstruída. Da mesma forma, as folhas só podem ser incorporadas em reconstruções MA se (1) ambos os pecíolos em sua inserção na lâmina foliar forem preservados ou, em casos específicos, se a base da folha e a porção mais basal da nervura média forem preservadas (ver Nota na etapa 3.6) e (2) se o tamanho da folha puder ser estimado, seja por meio de medição de folhas inteiras ou reconstrução de meia folha. Isso significa que alguns morfotipos podem ser excluídos completamente das análises de MA no nível do local. Por fim, o tempo é uma limitação deste protocolo, pois as alternativas univariadas para reconstruções paleoclimáticas levam comparativamente menos tempo para serem produzidas.
Apesar dessas limitações, o uso dos métodos de reconstrução DiLP e MA ainda apresenta várias vantagens sobre outros métodos. As reconstruções de MA são uma das únicas maneiras de reconstruir as estratégias econômicas das folhas no registro fóssil, e o uso de medidas bidimensionais de largura do pecíolo e área foliar permite que as reconstruções sejam feitas usando fósseis de folhas comuns de impressão/compressão. Para o DiLP, a incorporação de múltiplas medições contínuas que estão funcionalmente ligadas ao clima melhora a reprodutibilidade das medições e a precisão das reconstruções climáticas resultantes 6,13. Este protocolo foi projetado para acomodar a natureza incompleta do registro fóssil, permitindo que as medições de dentibilidades foliares sejam feitas usando fragmentos de folhas. Embora as medições contínuas da área foliar forneçam mais informações sobre o tamanho da folha, as estimativas do DiLP MAP podem ser complementadas por aquelas que usam classes de tamanho de folha em um esforço para aumentar o tamanho da amostra16,53 ou através da incorporação de estimativas de raspagem de nervuras da área foliar 42,54,55. Tal como acontece com a maioria dos métodos envolvidos, a eficiência de tempo deste protocolo melhorará à medida que o usuário se tornar mais experiente e confiante, principalmente nas etapas de preparação. O fato de as medições de DiLP em nível de local terem sido feitas seguindo este protocolo para >150 modernas 6,10,56 e pelo menos 22 assembléias fósseis até o momento atestam sua viabilidade 6,38,39,40,41,42. Por fim, medições abrangentes da fisionomia foliar têm aplicações além daquelas discutidas aqui e podem ser úteis na descrição de outros aspectos da ecologia, fisiologia, evolução e desenvolvimento das plantas, com aplicação aos estudos modernos56 e paleo40.
Em resumo, a implementação dos métodos detalhados neste artigo permite ao usuário reconstruir o paleoclima e a paleoecologia usando métodos robustos e reprodutíveis. Esses métodos fornecem uma oportunidade importante para mostrar exemplos anteriores de respostas climáticas e ecossistêmicas a perturbações ambientais e fornecer mais informações sobre as complexas interações dos sistemas naturais da Terra.
Nenhum.
A AJL agradece à Equipe Leaf de graduação de 2020-2022 da Universidade de Washington pela motivação e sugestões para criar materiais de treinamento eficazes para o DiLP. AGF, AB, DJP e DLR agradecem aos muitos alunos de graduação da Wesleyan University e da Baylor University que mediram folhas modernas e fósseis e cuja contribuição foi inestimável na modificação e atualização deste protocolo. Os autores agradecem ao Grupo de Trabalho de Traços Quantitativos do PBot e à equipe do PBOT por incentivar o trabalho de formalizar este protocolo para torná-lo mais acessível a comunidades mais amplas. Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (concessão EAR-0742363 para DLR, concessão EAR-132552 para DJP) e Baylor University (Programa de Desenvolvimento de Jovens Investigadores para DJP). Agradecemos a dois revisores anônimos e ao Editor de Revisão pelo feedback que ajudou a melhorar a clareza e a abrangência deste protocolo.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Copy stand or tripod | For fossil photography | ||
Digital camera | For fossil photography, high resolution camera preferred | ||
Image editing software | For digital preperation. Examples include Adobe Photoshop and GIMP, the latter of which is free (https://www.gimp.org/) | ||
ImageJ software | IJ1.46pr | For making digital measurments, free software (https://imagej.net/ij/index.html) | |
Microsoft Excel | Microsoft | Or similar software for data entry | |
R software | The R foundation | For running provided R script (https://www.r-project.org/). R studio offers a user friendly R enviornment (https://posit.co/download/rstudio-desktop/). Both are free. | |
dilp R Package | Can be installed following instructions here: https://github.com/mjbutrim/dilp |
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