Long-term effects of nitrogen enrichment on pollen chemistry of a plant species from Brazilian savannas, Pavonia rosa-campestris

by Luísa Gigante Carvalheiro, Maryse Vanderplanck and Mercedes M. C. Bustamante

Brazilian savannas (Cerrado), a hotspot of biodiversity
© Luísa G. Carvalheiro

Human activities, such as farming and fossil fuel burning, are rapidly increasing environmental nutrient availability. While the impacts on plants, such as community composition and nutritional content changes, are better known, the study on how such effects propagate to higher trophic levels is still mainly focused on foliar herbivory. Yet, pollinators feed on floral resources (pollen and/or nectar) and can also be affected by such changes in plant quality.  This study reduced the knowledge gap on how nutrient input affects floral resources, initiating evidence-building for tropical regions.       

We conducted this study in an experimental area of the Brazilian savannas (Cerrado). In this region, soils are mostly naturally dystrophic, and natural areas are highly exposed to fertilizer leaching and nitrogen deposition due to the importance of this region for global food production. We focused on pollen, the main source of larval diet for bees, an important group of pollinators. Several amino acids found in pollen affect the development, health, and behavior of bees. Therefore, a better understanding of the consequences of nutrient input on pollen amino acid content can help explain and predict future impacts of global, ongoing changes on bee populations and diversity.

Pollen of Pavonia rosa-campestris (Malvaceae), a species known to be important for the diet of several native bee species, was collected from individual plants growing in parcels that are part of a long-term controlled fertilization experiment that started in 1998, involving manipulation of nitrogen (N) and phosphorous (P) levels. We found that ten years after the last fertilization addition, effects were still detectable on the leaf and pollen chemical content of P. rosa-campestris. Overall, amino acid (AA) content was higher in plants growing on parcels subjected to increased N input. Yet, this increase was not similar across the different AA, and the pollen AA profile was substantially affected. More specifically, the proportion of isoleucine, leucine, serine, and threonine increased, while the proportion of cysteine decreased. As these amino acids can affect larval development and flower visitor behavior, impacts on floral visitor assembly are expected. Further studies evaluating the effects on a diverse set of plant species and the consequent impacts on flower visitation and bee fitness are essential to understand better the full consequences of increased nitrogen availability in nutrient-limited ecosystems.

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Portuguese version:

 Efeitos a longo prazo de aumento da disponibilidade de azoto (nitrogênio) na química do pólen de uma espécie do Cerrado, Pavonia rosa-campestris

As atividades humanas, como a agricultura e a queima de combustíveis fósseis, estão causando um rápido aumento da disponibilidade de nutrientes no meio ambiente. Enquanto os impactos sobre as plantas são bem conhecidos, como os efeitos sobre a composição da comunidade e no conteúdo nutricional das plantas, o estudo de como tais mudanças se propagam para outros níveis tróficos focam principalmente em herbívoros foliares. No entanto, os polinizadores alimentam-se de recursos florais (pólen e/ou néctar) e, portanto, também podem ser afetados por tais alterações na qualidade nutricional das plantas.  Este estudo reduz a existente lacuna de conhecimento sobre como o aporte de nutrientes afeta a qualidade dos recursos florais, iniciando o processo de acúmulo de evidências sobre este tópico para regiões tropicais. 

O estudo foi realizado em uma área experimental do Cerrado. Neste bioma os solos são naturalmente distróficos e, devido à importância dessa região para a produção global de alimentos, as áreas naturais estão altamente expostas à lixiviação de fertilizantes e deposição de nitrogênio. O estudo foca no pólen, a principal fonte de dieta larval para as abelhas, um importante grupo de polinizadores. Vários aminoácidos encontrados no pólen afetam o desenvolvimento, a saúde e o comportamento das abelhas e, portanto, uma melhor compreensão das consequências da entrada de nutrientes sobre o conteúdo polínicos de aminoácidos pode ajudar a explicar e prever os impactos futuros das mudanças globais em curso sobre as populações e a diversidade de abelhas. 

O pólen de Pavonia rosa-campestris (Malvaceae), espécie conhecida por ser importante para a dieta de várias espécies de abelhas nativas, foi coletado de plantas individuais que cresceram em parcelas que fazem parte de um experimento de adubação controlada de longo prazo iniciado em 1998. Esse experimento envolveu a manipulação de doses de nitrogênio (N) e fósforo (P). Verificou-se que 10 anos após a última adição de adubação, os efeitos sobre a química foliar e polínica de P. rosa-campestris ainda eram detetáveis. O teor total de aminoácidos foi maior em pólen de plantas estabelecidas em parcelas que foram submetidas ao incremento de N. No entanto, esse aumento não foi semelhante entre os diferentes AA, e o perfil de AA polínico foi substancialmente afetado. Mais especificamente, a proporção de isoleucina, leucina, serina e treonina aumentou, enquanto a proporção de cisteína diminuiu. Como esses aminoácidos podem ter efeitos importantes no desenvolvimento larval e no comportamento do visitante floral, impactos na composição das comunidades de visitantes florais são esperados. Novos estudos avaliando os efeitos em um conjunto diversificado de espécies de plantas e os consequentes impactos na visitação floral e saúde das abelhas são essenciais para melhor compreender as consequências do aumento da disponibilidade de nitrogênio em ecossistemas naturalmente distróficos.