Исследователи обнаружили новые факты, помогающие понять, как развивались растения, чтобы противостоять зимней погоде.
В исследовании, результаты которого были опубликованы 22 декабря в журнале «Nature», команда учёных выстроила эволюционное дерево более 32 000 видов цветковых растений – крупнейшее в масштабах времени эволюционное дерево на сегодняшний день.
Комбинируя созданное ими дерево с записями изучения заморозков и данными для тысяч видов по листьям и стеблям, исследователи смогли восстановить то, как растения развивались, чтобы бороться с холодом по мере их распространения по всему миру.
Результаты показывают, что многие растения приобрели свойства, которые помогли им успешно произрастать в холодном климате – такие, как отмирание до корней зимой – задолго до того, как они впервые столкнутся с заморозками.
Ископаемые свидетельства и реконструкции климатических условий прошлого показывают, что первые цветковые растения жили в теплых тропических условиях, — объясняет соавтор исследования Джереми Бойлю из Национального Института математического и биологического синтеза (НИМБиоС) в Университете штата Теннесси.
По мере распространения растений по более разнообразным широтам и высотам, они эволюционировали в тех направлениях, которые помогли им справиться с холодными условиями.
Например, живущие в тундре виды, лапчатка выемчатая и камнеломка трёхзубчатая, могут выдерживать температуру зимой ниже минус 15 градусов по Цельсию.
В отличие от животных большинство растений не могут передвигаться, чтобы спастись от холодов или генерировать тепло, которое поможет им согреться.
Для растений основные проблемы связаны не столько с холодом, сколько с порождаемым им льдом. Например, замораживание и оттаивание вызывает образование пузырьков воздуха, которые формируются прямо во внутренней транспортной системе жидкости растения.
Вспомните воздушные пузырьки, которые можно увидеть застывшими в кубиках льда, – описывает эту ситуацию соавтор исследования Эми Зейн из университета Джорджа Вашингтона.
Если достаточно большое количество этих пузырьков воздуха соберется вместе во время таяния воды, то они могут заблокировать ток воды от корней к листьям и попросту убить растение.
Исследователи определили три черты, которые помогают растениям справиться с этими проблемами. Некоторые растения, такие как гикори и дубы, избегают вызываемых морозом повреждений, сбрасывая листья до наступления зимних холодов – что позволяет весьма эффективно перекрыть циркуляцию воды от корней к листьям – и выращивают новые листья и перемещающие воду клетки, когда наступает теплая погода.
Другие растения, такие как береза и тополь, защищают себя за счёт более узких перемещающих воду клеток, что делает те части растения, которые поставляют воду менее восприимчивыми к блокировке во время замораживания и оттаивания.
Третьи же отмирают на зиму до корней и выпускают побеги от корней, или начинают расти как новые растения из семян, как только восстанавливаются приемлемые погодные условия.
Собирая для изучения данные по признакам растений, исследователи провели сотни часов, прочёсывая и объединения несколько больших баз данных растений, содержащих десятки тысяч видов, в основном при поддержке Национального центра эволюционного синтеза в Северной Каролине и Университета Маккуори в Австралии.
После размещения собранных учёными данных по листьям и стеблям на созданном ими эволюционном дереве цветковых растений, исследователи обнаружили, что многие растения обладали хорошими стратегиями, предназначенными для холодного климата, задолго до того как столкнулись с подобными условиями.
Например, растения, отмирающие на зиму до корней, приобрели эту способность умирать и возрождаться при улучшении условий задолго до того, как впервые столкнулись с заморозками.
Точно также и виды с узкими водными транспортными клетками обладали более тонкой системой циркуляции, прежде чем они попали в холодный климат.
Всё это говорит о том, что какие-то другие стрессовые факторы окружающей среды – возможно, засуха – заставили эти растения развиваться подобным образом, и как оказалось, эти механизмы действительно неплохо подошли и для борьбы с заморозками, – признаётся Эми Зейн.
Исключением были только растения, которые сезонно сбрасывают и заменяют свои листья – эти группы растений не приобретали подобную способность к опаданию листьев на зиму до тех пор, пока они не сталкивались с замораживанием.
В качестве следующего шага, ученые планируют использовать созданное ими эволюционное древо, чтобы выяснить, каким образом растения развивались, чтобы противостоять другим экологическим стрессам, таким как засуха и жара.
