Новое исследование ученых из Университета Торонто (U of T) предлагает новое понимание того, почему и как растения, опыляемые ветром, произошли от предков, опыляемых насекомыми.
Ранние семенные растения зависели от ветра в переносе пыльцы между растениями, но около 100 миллионов лет назад цветковые растения эволюционировали, чтобы привлекать насекомых, которые могли переносить пыльцу с большей точностью, чем случайные воздушные потоки. Хотя опыление насекомыми более экономично, с тех пор многочисленные линии вернулись к опылению ветром, что заставило многих биологов задаться вопросом, почему это вообще могло произойти, учитывая успех опыления насекомыми. Этот кажущийся парадокс озадачил даже Чарльза Дарвина, и до сих пор мало что известно об условиях, вызвавших этот переход.
В исследовании, опубликованном в этом месяце в журнале Proceedings of the Royal Society B, исследователи впервые описывают механизм, вызывающий эту реверсию, включающий вибрацию тычинок, несущих пыльцу органов цветов.
«Мы обнаружили, что растения, у которых тычинки сильнее вибрируют на ветру, с большей готовностью рассеивают пыльцу ветром, и что эта характеристика тычинок предпочтительнее в условиях, когда опылители редко посещают растения», - сказал ведущий автор Дэвид Тимерман., кандидат наук, работающий с биологом-эволюционистом Спенсером Барреттом на кафедре экологии и эволюционной биологии факультета искусств и наук Университета Т.
Открытие помогает объяснить происхождение опыления ветром, которое представлено примерно в 10 процентах видов цветковых растений.
«Это также может быть полезно для понимания того, как растения справятся с сокращением услуг опылителей из-за глобального коллапса популяций диких опылителей», - сказал Тимерман.
Репродуктивные структуры цветковых растений наиболее разнообразны среди всех групп живых организмов. Цветы сильно различаются по размеру, форме и структуре, и большая часть этого разнообразия связана со способами опыления. Виды, опыляемые ветром, независимо развили аналогичные наборы цветочных признаков, приспособленных для выпуска, рассеивания и захвата пыльцы в воздухе. Одна из этих особенностей включает в себя длинные гибкие тычинки, которые заметно вибрируют на ветру по сравнению с родственными видами, опыляемыми насекомыми.
Почему и как опыление ветром эволюционировало у цветковых растений от опыления животными, является давним фундаментальным вопросом в эволюционной биологии растений. В то время как опыление ветром развилось из опыления животными по крайней мере в 65 случаях у цветковых растений - деревьев, амброзии и многих злаков среди них - механизмы, участвующие в переходе, изучены недостаточно.
Ученые давно считают, что ветроопыляемые растения «аэродинамически спроектированы» для эффективного рассеивания пыльцы. Но по сравнению с видами, опыляемыми животными, в нескольких исследованиях изучалась функция цветочных признаков, связанных с опылением ветром. Более того, модификации цветков, необходимые для эволюционного перехода от опыления насекомыми к опылению ветром, не изучены, потому что до сих пор не проводились эксперименты с переходными видами, опыляемыми как ветром, так и насекомыми
"Мы применили новый подход к этой проблеме, применив биомеханику для понимания ключевых процессов, связанных с ранними стадиями этого перехода, и работа предоставила несколько новых идей", - сказал Тимерман.
Тимерман и Барретт исследовали проблему у вида под названием Thalictrum pubescens из семейства лютиковых. Растение относится к амбофильным видам, то есть опыляется как насекомыми, так и ветром. Таким образом, они предполагают, что этот вид, вероятно, представляет собой переходное состояние в эволюции опыления ветром.
Тимерман использовал электродинамический шейкер, чтобы воздействовать контролируемой вибрацией на тычинки, чтобы измерить их естественную частоту вибрации, а затем использовал специально построенную аэродинамическую трубу, чтобы исследовать, как собственная частота вибрации влияет на выделение пыльцы. Тимерман также провел манипулятивный полевой эксперимент в научном заповеднике Коффлера Университета Т., чтобы подтвердить, действует ли естественный отбор по-разному на свойства тычинок в присутствии или в отсутствие насекомых-опылителей.
Тимерман измерил колебания собственной частоты вибрации тычинок в девяти популяциях и оценил повторяемость частоты вибрации в течение последовательных вегетационных сезонов. Со всеми собранными данными исследователи проанализировали влияние этого параметра на высвобождение пыльцы в аэродинамической трубе, а также на мужскую репродуктивную способность растений в полевых условиях с опылителями и без них.
«Успешная репродукция была наибольшей для растений, у которых тычинки вибрировали с более низкой частотой в отсутствие опылителей, но это преимущество уменьшалось, когда опылители присутствовали», - сказал Тимерман.«Наш биомеханический анализ взаимодействия ветро-цветков определил эту естественную особенность как ключевую черту для понимания ранних стадий перехода от опыления насекомыми к опылению ветром».
Тимерман говорит, что когда животные-опылители не предоставляют адекватных услуг по опылению, естественный отбор должен отдавать предпочтение особям с гибкими тычинками, которые легко вибрируют, выпуская пыльцу в воздух.
«Ветер, очевидно, является более устойчивым фактором для рассеивания пыльцы, чем полагаться на насекомых, размеры популяции и поведение которых колеблются во времени и пространстве», - говорит Тимерман. «Кроме того, многие аспекты глобального изменения окружающей среды в настоящее время нарушают работу опылителей диких растений, что приводит к тому, что было названо «кризисом опыления».
"Эти ситуации потенциально могут способствовать эволюции опыления ветром через обнаруженный нами механизм."
Поддержку исследования оказал Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады.