Climate is changing and it is certain that this change is due to human activities. Atmospheric greenhouse gases have been rising in an unprecedented way during the last two centuries, although the land biosphere has dampened their increase by absorbing CO2 emitted by anthropogenic activities. However, it is unclear if this will continue in the future. This uncertainty makes it difficult to predict future climate changes and to determine how much greenhouse gas emissions must be reduced to protect climate. To understand the future role of plants in limiting the atmospheric CO2 level, the effect of increasing CO2 on plant photosynthesis and productivity has been studied. However, studies on trees showed contradictory results, which depended on the duration of the experiment. This revealed that an initial strong CO2 fertilization may be a transient response that disappears after a few years. Because climate changes over centuries, we must explore the response of vegetation to increasing CO2 on this time scale. Studying tree rings is a good alternative to impractical decade-long experiments, because trees have experienced the CO2 increase during the last 200 years and may already have responded to it. This thesis shows that the intramolecular distribution of the stable hydrogen isotope deuterium (deuterium isotopomer distribution, DID) of tree rings is a reliable tool to study long-term plant-climate adaptations. The premise for this is that the deuterium abundance in tree rings depends on environmental as well as physiological factors. Using newly developed methodology for DID measurements, the influences of both factors can be separated. Applied to tree rings, separating both factors opens a strategy for simultaneous reconstruction of climate and of physiological responses. The results presented show that DIDs are influenced by kinetic isotope effects of enzymes, allowing studies of metabolic regulation. We show that the abundances of specific D isotopomers in tree-ring cellulose indeed allow identifying environmental and physiological factors. For example, the D2 isotopomer is mostly influenced by environment, its abundance should allow better reconstruction of past temperature. On the other hand, the abundance ratio of two isotopomers (D6R and D6S) depends on atmospheric CO2, and might serve as a measure of the efficiency of photosynthesis (ratio of photorespiration to assimilation). The presence of this dependence in all species tested and in tree-ring cellulose allows studying adaptations of plants to increasing CO2 on long time scales, using tree-ring series or other remnant plant material. / Klimatet förändras och det är numera allmänt vedertaget att detta beror på människans aktiviteter. Halten av växthusgaser har stigit onormalt mycket under de senaste två århundradena och detta beror i största del på människans användning av fossila bränslen. Landbiosfären har hittills haft en buffrande effekt på klimatförändringen eftersom den tar upp och lagrar mycket av växthusgasen CO2. Det är dock osäkert om, och i så fall hur länge, denna effekt kvarstår. Detta gör det mycket svårt att förutsäga framtida klimatförändringar, och därmed hur mycket utsläppen av växthusgaser måste reduceras för att skydda klimatet. För att förstå växternas framtida förmåga att begränsa halten atmosfäriskt CO2 har man studerat effekten av förhöjda halter av CO2 på växters fotosyntes och produktivitet. Resultaten av dessa försök varierar i stor omfattning. Studier på träd odlade under höga halter CO2 indikerar att den initiala ökningen av en trädets produktivitet kan vara en temporär effekt som försvinner redan efter några år. Eftersom klimatförändringen sker under århundraden, måste även växternas anpassningar på förhöjd CO2 halt utforskas på denna tidsskala, men experiment som skulle ta tiotals år är opraktiska att utföra. Trädringar är ett bra sätt att studera sådana anpassningar, eftersom träd redan har upplevt de senaste två hundra årens ökning av koldioxid och dess trädringar därför kan innehålla information om en respons som redan skett. Denna avhandling visar att den intramolekylära fördelningen av den stabila väteisotopen deuterium i trädringar är en tillförlitlig metod för att studera växters anpassningsförmåga till långsiktiga klimatförändringar. Antagandet bakom denna strategi är att isotopfördelningen i trädringar beror på faktorer både från miljön och växtens fysiologi. Om båda faktorerna skulle kunna utvinnas från trädringar, skulle detta öppna en helt ny väg för parallell rekonstruktion av klimatet och växters anpassning till det. Avhandlingen presenterar den första tekniken för att mäta isotopfördelningen av deuterium i växtglukos. Resultaten visar att deuteriumfördelningen hos växtglukos påverkas av enzymers isotopeffekter, vilket möjliggör att regleringen av växternas metabolism kan kartläggas. I avhandlingen bevisas att halten deuterium i skilda intramolekylära positioner (isotopomerer) av glukos från trädringcellulosa bestäms av miljöfaktorer respektive trädets fysiologi. T.ex. påverkas deuteriumhalten i position 2 (D2 isotopomer) av glukosmolekylen huvudsakligen av miljön, vilket kan användas för att förbättra temperaturrekonstruktioner från trädringar. Å andra sidan är kvoten deuterium mellan två andra positioner (D6R och D6S) relaterat till halten atmosfäriskt koldioxid, och kvoten skulle kunna användas som mått för fotosyntesens effektivitet, dvs. förhållandet mellan fotorespiration och fotosyntes. Närvaron av denna relation i trädringar och annat växtmaterial i alla de växter vi hittills studerat, öppnar en helt ny möjlighet att studera växters anpassning till den ökande mängden CO2 i atmosfären under århundraden.

In recent decades, there has been increased global concern about observed climate change; however for future climatic impacts and anthropogenic forcings of climate change to be realistically predicted, natural climate variability in the past needs to be better understood. The aim of this research is to develop quantifiable proxy records of past climate change through the calibration of isotope values in modern surface waters and tree ring cellulose with meteorological and atmospheric records. Terrestrial proxy records that utilize oxygen and hydrogen isotope values to reconstruct paleoclimatic and paleohydrologic conditions are limited by a paucity of data on the modification of surface water isotope values prior to sequestration into proxy material. To address this gap in our knowledge and determine the most appropriate study sites, this research focuses on isotopic records preserved in surface water reservoirs, precipitation, and tree-ring cellulose. In the first study, δD, δ18O, and deuterium-excess values were determined for lakes and rivers from Tasmania, southeastern Australia. <p> The second focus of this research was to calibrate the δ18O, δD, and δ13C values of tree-ring cellulose from North America with instrumental records. A new high-resolution sampling procedure that uses a robotic micromilling device to very precisely map and sample along growth rings in trees is discussed. Additionally, a seasonally resolved (early/late wood) 110-year record of δ18O values from tree-ring α-cellulose from spruce species (<i>Picea mariana</i> and <i>P. glauca</i>) from east-central Saskatchewan, Canada is compared to growing season precipitation δ18O values, temperature, and relative humidity. The δ18O time series from α-cellulose display a high correlation with growing season precipitation isotope values (r = 0.86). δ18O α-cellulose time series from a white spruce (<i>Picea glauca</i>) also records seasonal changes in atmospheric circulation associated with the position of the circumpolar vortex and dominate modes of atmospheric variability such as the North Atlantic Oscillation and Pacific Decadal Oscillation.

In recent decades, there has been increased global concern about observed climate change; however for future climatic impacts and anthropogenic forcings of climate change to be realistically predicted, natural climate variability in the past needs to be better understood. The aim of this research is to develop quantifiable proxy records of past climate change through the calibration of isotope values in modern surface waters and tree ring cellulose with meteorological and atmospheric records. Terrestrial proxy records that utilize oxygen and hydrogen isotope values to reconstruct paleoclimatic and paleohydrologic conditions are limited by a paucity of data on the modification of surface water isotope values prior to sequestration into proxy material. To address this gap in our knowledge and determine the most appropriate study sites, this research focuses on isotopic records preserved in surface water reservoirs, precipitation, and tree-ring cellulose. In the first study, δD, δ18O, and deuterium-excess values were determined for lakes and rivers from Tasmania, southeastern Australia. <p> The second focus of this research was to calibrate the δ18O, δD, and δ13C values of tree-ring cellulose from North America with instrumental records. A new high-resolution sampling procedure that uses a robotic micromilling device to very precisely map and sample along growth rings in trees is discussed. Additionally, a seasonally resolved (early/late wood) 110-year record of δ18O values from tree-ring α-cellulose from spruce species (<i>Picea mariana</i> and <i>P. glauca</i>) from east-central Saskatchewan, Canada is compared to growing season precipitation δ18O values, temperature, and relative humidity. The δ18O time series from α-cellulose display a high correlation with growing season precipitation isotope values (r = 0.86). δ18O α-cellulose time series from a white spruce (<i>Picea glauca</i>) also records seasonal changes in atmospheric circulation associated with the position of the circumpolar vortex and dominate modes of atmospheric variability such as the North Atlantic Oscillation and Pacific Decadal Oscillation.