США — в новом исследовании с применением крупнейшего датируемого филогенетического дерева цветковых растений рассматривается процесс формирования у растений адаптивных признаков в условиях низких температур. При этом предполагается, что антропогенные изменения климата могут представлять более серьезную опасность для растений и мирового сельского хозяйства, чем считалось ранее.
Исследование ученых Флоридского университета, опубликованное в британском журнале “Нейчер” (Nature), показывает, что в доисторическую эпоху у ряда покрытосемянных (цветковых) растений в процессе их перемещения в районы с различными климатическими условиями возникли механизмы приспособления к отрицательным температурам.
Исследователи обнаружили, признаки приспособления у растений скорее всего сформировались еще до того, как они переместились на территории с более холодным климатом.
Также исследование предполагает, что ряд современных покрытосемянных растений, к которым относится большая часть цветковых растений, деревьев и сельскохозяйственных культур, не обладает признаками, необходимыми для быстрой адаптации к антропогенным изменениям климата. Об этом сообщила соавтор работы Пэм Солтис, заслуженный профессор и хранитель коллекции молекулярной таксономии и эволюционной генетики в Музее Флориды на территории Флоридского университета.
“Не все растения смогли приспособиться к выживанию в холодном климате,- говорит д-р Солтис, являющаяся также сотрудником Института генетики Флоридского университета.- Известно, что некоторые признаки, сформировавшиеся в процессе приспособления к холодному климату, используются для других целей. Это может отразиться на ответной реакции растения на климатические изменения. У некоторые генетические линии растений, в том числе у многих сельскохозяйственных культур, отсутствуют основные генетические признаки, позволяющих быстро приспособиться к изменениям климата”.
Предположительно, доисторические виды покрытосеменных растений были древесным, что свидетельствует о наличии у них длинного надземного ствола (как у клена, например), подверженного влиянию разнообразных погодных условий, и произрастали в теплых влажных тропических условиях. Но затем они переместились в районы более холодного климата, распространившись на обширных территориях с отрицательными температурами. Вопрос о том, как произошло подобное распространение, давно занимает ученых, пытающихся обнаружить “зимнюю куртку” у растений.
“До сегодняшнего дня у нас нет убедительного объяснения, каким образом признаки листьев и стеблей изменились для приспособления к низким температурам”, — пояснила биолог Эйми Занн, доцент Колумийского колледжа наук и искусство Университета Джорджа Вашингтона, получившая ученую степень во Флоридском университете.
“Наше исследование способствует пониманию сути проблемы, показывает нам все “когда”, “как” и “почему” в эволюции признаков различных видов растений и процессе их распространения на земном шаре”.
“Холод — это большая проблема для растений, — продолжает д-р Занн. — Он может повредить их живые ткани. Для растений это — как обморожение. Также, в процессе замерзания и оттаивания воды в капиллярах растений, их могут закупоривать попавшие туда пузырьки воздуха. Поэтому, если с течением времени растения переместились в регионы с более холодным климатом, им пришлось приспособиться к подобным проблемам”.
Чтобы выявить способы адаптации к этим проблемам в процессе эволюции, а также возможные пути их адаптации, группе ученых было необходимо составить две базы данных. Первоначально они создали базу данных, состоящую из 49,064 тыс. видов растений, где была собрана информация по наличию надземного стебеля у растения, сбросу листвы, подверженности воздействию отрицательных температур, а также ширине капилляров растения.
Исследователи добавили эту информацию к данным датируемого филогенетического древа по 32,223 тыс. видов растений и воспроизвели эволюционные признаки видов и изменения климата в течение длительного времени, что позволило определить последовательность эволюционных изменений.
“Мы можем определить относительный порядок событий без филогенетического дерева, но датированное дерево позволяет нам точно указать время того или иного события, и мы можем коррелировать эти события с геологическими изменениями, например, со значительными изменениями температуры на Земле”, — поясняет д-р Солтис.
Используя филогенетическое дерево, исследователи выявили три последовательных случая эволюционных изменений, которые предположительно произошли у цветковых растений в процессе их приспособления к холодным условиям.
Растения стали сбрасывать листву в определенный сезон, что закрывает капилляры и позволяет остановить движение воды от корней к листьям; сформировали более тонкие капилляры для перемещения воды, что позволило им не сбрасывать листья и при этом уменьшить опасность образования пузырьков воздуха при замерзании и оттаивании; также растения стали избегать холодный сезон: травы теряют надземные стебли и листья и сохраняются под землей в виде семян или запасающих органов, как, например, тюльпаны и картофель.
“Покрытосемянные растения не могли успешно приспособиться до тех пор, пока не стали сбрасывать листья”, — пояснил соавтор исследования, сотрудник Музея Флориды, заслуженный профессор Даг Солтис, который также работает на биологическом факультете Флоридского университета и в Генетическом институте того же университета.
“Иногда признаки формируются для одной цели, а затем организм может адаптироваться и использовать их для другой цели ”.
Ученые обнаружили, что до перемещения на территории с отрицательными температурами, древесные растения в большинстве стали травянистыми либо у них сузились капилляры. Растения, которые сбрасывают листья, как правило, приобрели этот признак уже после перемещения в районы холодного климата. Но подобные изменения происходили постепенно, — отметила Пэм Солтис.
“Некоторые процессы изменений происходили гораздо сложнее, чем мы считали раньше, — сказала профессор. — Приспособление к резким изменениям окружающей среды, по всей видимости, достаточно сложная задача для растений”.
Ученые планируют использовать полученные результаты для изучения других аспектов эволюции растений, включая исследования реакции растений на прочие изменения окружающей среды, помимо отрицательных температур. “Отрицательные температуры не повлияли на всю планету в целом, похолодало только в определенных местах обитания”, — сказала Пэм Солтис.
“Определенные виды не смогли переместиться в холодные регионы, они не подвергались воздействию низких температур и сохранились в более теплых регионах. Антропогенные изменения климата окажут воздействие на все ареалы распространения в короткий промежуток времени, поэтому, растениям и другим организмам придется быстро адаптироваться, чтобы выжить”.
Январь 2014 г.
