ДАРЕМ, Северная Каролина - Группа ботаников распутывает подземные пути корней растений, используя анализ ДНК для идентификации образцов корней, которые пробились в пещеры. Понимание учеными этого перевернутого «подземного леса» будет способствовать не только лучшему пониманию стратегий, используемых растениями для поиска жизненно важной воды и питательных веществ, но и улучшению экосистемных моделей того, как растительность и климат могут взаимодействовать в будущее глобальных изменений.
Исследователи под руководством Роберта Джексона из Университета Дьюка и Рэндалла Линдера из Техасского университета в Остине опубликовали свои последние результаты в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 28 сентября.
При анализе ДНК корней, взятых из 21 пещеры в центральном Техасе, они сообщили о глубине укоренения шести видов деревьев живого дуба, дуба голени, ясеня можжевельника, каркаса, американского вяза и вяза кедрового. В то время как большинство видов отрастили корни примерно до 15 футов, победителем по глубине корней оказался единственный вечнозеленый живой дуб в системе, корни которого уходят в землю на глубину до 75 футов. По словам ученых, у живого дуба могут быть более глубокие корни, потому что он нуждается в более надежном водоснабжении, чтобы поддерживать свои листья круглый год.
«У растений есть подземная структура, которая так же важна для их функционирования и выживания, как и надземная структура», - сказал Джексон. «А поскольку боковой диапазон корней растения почти всегда выходит за пределы надземного полога, многие разные растения обычно конкурируют за ресурсы. Нам необходимо понять эту подземную структуру и функциональные последствия корней на разной глубине.
"До сих пор было почти невозможно понять такую структуру корней. Пещеры дают нам доступ к корням на разной глубине под землей, а анализ ДНК позволяет нам их идентифицировать, так что мы можем приступить к решению этой проблемы."
Другими соавторами статьи были Лиза Мур из Стэнфорда, Билл Хоффман из Техаса и Уилл Покман из Дьюка. Их исследования спонсируются Национальным научным фондом и Фондом Эндрю Меллона.
Хотя анализ ДНК исследователей в настоящее время идентифицирует только виды, они сейчас разрабатывают метод ДНК для «отпечатков корней» растений, связывая подземные корни с конкретным надземным растением на основе его сигнатур ДНК.
«Возможность сопоставлять корни с конкретными растениями позволит нам проводить манипулятивные эксперименты, в которых мы изменяем одни деревья, а не другие, и исследуем их влияние на функционирование всего растения», - сказал Джексон в интервью. «Это также поможет нам понять стоимость корней на разной глубине для растений. Растения могут поглощать больше воды, имея более глубокие корни, но должен быть компромисс с точки зрения строительства и обслуживания глубоких корней по сравнению с пускание поверхностных корней или листьев. Мы надеемся, что сможем понять эти компромиссы».
Он сказал, что такое понимание подземной экологии растений имеет важные последствия для фундаментальной науки, а также для практического применения. «Эти данные помогут нам понять такие вещи, как то, насколько глубоко необходимо захоронить отходы, чтобы они оказались ниже корневой зоны», - сказал он. «Кроме того, некоторые виды, такие как можжевельник, захватывают обширные территории на юго-западе США, поскольку они становятся более засушливыми, увеличивается выпас скота и подавляются пожары в растущих пригородных районах. Таким образом, регион превращается из относительно открытой саванны в можжевельник. зарослей, и нам нужно понять, как растения используют воду и как это меняет гидрологию экосистемы».
Разрабатывая такие идеи, ученые планируют использовать комбинацию инструментов, таких как датчики потока сока, в сочетании с анализом ДНК, чтобы задокументировать детали того, как такие растения вытягивают воду из земли. По словам Джексона, в целом роль глубоких корней в поддержании растений мало изучена.
В любой растительной экосистеме по всему миру 90 процентов корневой биомассы находится в нескольких верхних футах от земли, но есть еще 10 процентов, представленные более глубокими корнями. Чтобы действительно предсказать поглощение, нам нужно понять, откуда растут эти корни и каково их функциональное значение».
Недостаток знаний о таких корнях может иметь серьезные последствия для точности моделей экологии земной поверхности, которые помогают предсказать, как транспирация растений - переход воды из растений в атмосферу - повлияет на глобальный климат.
«Глубина модели, возможно, является наиболее важным аспектом создания точных моделей поверхности земли для прогнозирования интенсивности транспирации», - сказал Джексон. «Чем глубже вы делаете модель, тем больше воды остается для растений. Если глубина слишком мала, модель предсказывает засуху быстрее, чем это происходит в природе. Если вы делаете модель слишком глубоко, она никогда не предсказывает засуху. Таким образом, фиксация этой глубины биологической активности очень важна для правильного построения этих моделей».
Такие исследования корней также имеют более широкое значение для понимания способности растений накапливать углерод в своих корнях и почве, что, возможно, влияет на уровень углекислого газа в атмосфере. Постоянное увеличение уровня углекислого газа из-за сжигания ископаемого топлива вызовет значительное глобальное потепление в следующем столетии. По его словам, изменения растительности могут сильно повлиять на местный климат.
«Если мы удалим все древесные растения из системы, это уменьшит способность этой системы использовать глубоководные ресурсы», - сказал Джексон. «Например, мы провели моделирование климата, которое показывает, что удаление древесных растений из тропических саванн по всему миру, например, в Бразилии, уже, вероятно, начало их несколько иссушать, делая их более жаркими и сезонно более сухими».
Работа ученых из Техаса также имеет широкое применение, потому что около 10 процентов земной суши имеют ту же геологическую карстовую структуру - с ее неравномерными слоями известняка, подземными потоками и пещерами - что и плато Эдвард в центральном Техасе., где они учились, сказал Джексон.