Многолетние растения на Среднем Западе хорошо приспособлены к окружающей среде. Они сидят на корточках всю зиму в спящем состоянии, просто ожидая знака того, что можно безопасно распустить свои первые нежные листья или цветочные почки. Для многих растений сигналом является устойчивая тенденция к потеплению, но продолжительность дня также влияет на уравнение покоя.
Продолжительность дня определяется нашим кругосветным путешествием каждый год - это незыблемо - но необычные колебания температуры становятся все более распространенными по мере того, как меняется наш климат. Так что же происходит с многолетниками, когда солнце говорит им, что они должны оставаться в спячке, но прогревание почвы говорит им другую историю? Новое исследование Университета Иллинойса дает некоторые ответы.
Прутняк и вьюнок луговой, местные многолетние травы, выращиваемые для получения биомассы, выходят из состояния покоя, когда почва прогревается в течение недели или более, обычно в апреле. По мере повышения температуры запасенные углеводы в корневищах растений превращаются в подвижные формы для питания растущих тканей. Если это произойдет во время необычно ранней оттепели, новые побеги могут погибнуть, а корневища могут остаться истощенными, когда температура вернется к своему нормальному диапазону. Растению может не хватить энергии, чтобы произвести новые побеги позже весной, что повлияет на выход биомассы в агрономических условиях или на конкурентоспособность в естественных растительных сообществах.
Чтобы изучить взаимосвязь между температурой почвы, продолжительностью светового дня и периодом покоя у проса и вьюнка лугового, Д. К. Ли и его сотрудники провели исследование, чтобы обмануть растения.
"Каждый месяц с октября по март мы выкапывали растения с поля и переносили их в теплые теплицы в Иллинойсе и Южной Дакоте", - говорит Ли, агроном отдела растениеводства Университета штата Иллинойс.«Единственным освещением было солнце, поэтому растениям приходилось реагировать на окружающий фотопериод или длину дня».
Теплая температура заставила растения начать расти, но некоторые из них были сбиты с толку короткими днями после появления всходов. «Растения, собранные с октября по январь, проснулись, а потом «ух!» Дни были намного короче, чем обычно, когда они просыпаются. Особенно в октябре, ноябре и декабре продолжительность дня продолжает уменьшаться. Он слишком короткий. Растения думают, что это странно», - объясняет Ли.
На самом деле так странно, что растения снова вошли в своего рода спячку. Новые побеги проса перестали расти, но остались зелеными и живыми; исследователи назвали это стагнацией. Но новые побеги, которые произвел степной кордграсс, полностью отмерли. «Кордграсс снова заснул, - говорит Ли. «Температурный сигнал для выхода из состояния покоя был переопределен сигналом продолжительности дня».
Ли отмечает, что первоначальная цель исследования заключалась в сборе информации для целей разведения.«Часто мы пытаемся скрестить две разные популяции с разным временем цветения», - говорит он. «Мы искусственно пытаемся контролировать и синхронизировать цветение, изменяя продолжительность дня. Здесь мы не меняли продолжительность дня, но мы все же хотели посмотреть, что происходит с цветением». Растениям давали возможность продолжить свой цикл роста через цветение. По большей части цветение происходило в обычное время, поскольку цветение, как правило, зависит больше от продолжительности дня, чем от температуры.
Независимо от первоначальной цели исследования, Ли продолжает возвращаться к тому, что его результаты говорят о потенциальных последствиях изменения климата для многолетних растений. «Мы думаем об изменении климата как о медленном и устойчивом процессе; возможно, эволюция могла бы идти в ногу с такими темпами. Но мы наблюдаем экстремальные и внезапные колебания температуры. Вот что нас беспокоит», - говорит он.
Если многолетние растения выйдут из состояния покоя во время ранней оттепели, а затем пострадают от поздних заморозков, как это произошло в 2012 году в Иллинойсе, урожай этого года может быть потерян. Несмотря на то, что вьюнок прерий известен своей холодостойкостью, если короткий день заставит его вернуться в спячку после появления всходов, он все равно может давать более низкие урожаи..
Это всего лишь агрономические проблемы. Ли повторяет, что колебания температуры могут иметь серьезные последствия для многолетних растений в естественных экосистемах. «Что произойдет, если все многолетники вымрут или произведут меньше биомассы через год из-за раннего потепления? Возьмут ли верх агрессивные однолетние сорняки? Сообщество многолетних растений может испытать шок».
Неизвестно, почему Ли планирует продолжить изучение реакции многолетних растений на продолжительность дня и температуру. «Мы до сих пор не знаем, что происходит с запасами углеводов, поскольку эти растения только начинают выходить из состояния покоя. Еще до того, как мы увидим появление побегов, они метаболизируют и мобилизуют углеводы. Это большой процесс потребления энергии, и нам нужно узнайте больше, чтобы иметь возможность предсказывать, как они справятся с сигналами о температуре и продолжительности дня», - говорит Ли.
В Crop Science опубликована статья «Рост и развитие двух многолетних трав в условиях естественного освещения в период их естественного покоя». Авторами статьи являются Цзя Го и Д. К. Ли из U of I, Арвид Бо из Государственного университета Южной Дакоты и До-Сун Ким из Сеульского национального университета. Работа была поддержана USDA NIFA, Экспериментальной станцией Университета штата Южная Дакота и Корейской федерацией научно-технических обществ.