Устойчивые к гербицидам «суперсорняки» со временем меняют свои стратегии спаривания, эволюционный сдвиг, который помогает им удерживать ценные гены и превосходить другие растения, согласно новому исследованию ученых из Мичиганского университета.
В исследовании изучалась взаимосвязь между системами спаривания растений и устойчивостью к гербицидам у распространенных сельскохозяйственных сорняков ипомеи. Исследователи обнаружили, что популяции ипомеи, выработавшие устойчивость к гербициду Roundup, полагаются на самоопыление больше, чем восприимчивые популяции.
Исследователи пришли к выводу, что повышенная зависимость от самоопыления может помочь увековечить устойчивость к Раундапу, блокируя поток генов восприимчивости к гербицидам от других растений.
Результаты подчеркивают потенциальные непредвиденные последствия деятельности человека - в данном случае широкое использование готовых к раундапу культур, которые генетически модифицированы для устойчивости к гербициду - на дикорастущих растениях, таких как сорняки.
"Нам необходимо полностью понять, как мы изменяем виды растений с помощью сельскохозяйственных химикатов. Какую эволюцию мы вызываем из-за воздействий, которые мы не совсем предвидели?" - сказала эколог-генетик растений UM Регина Бауком, старший автор статьи, опубликованной в Интернете 30 ноября в журнале Ecology Letters.
«Это еще одно свидетельство того, что деятельность человека может оказывать непреднамеренное воздействие на популяции растений, в этом случае изменения в признаках, которые мы не обязательно ожидали, могут развиться», - сказал Бауком, доцент кафедры экологии и Эволюционная биология.
Команда Baucom, в которую входит Шу-Мей Чанг из Университета Джорджии, отобрала образцы 32 популяций ипомеи, произрастающих на кукурузных и соевых полях и вокруг них на Среднем Западе и Юго-Востоке США. Исследователи использовали комбинацию лабораторных и тепличных исследований.
Ипомея на сельскохозяйственных полях постоянно подвергалась воздействию глифосата, активного ингредиента гербицида Раундап, с тех пор, как в конце 1990-х годов в Соединенных Штатах были широко распространены культуры, готовые к Раундапу. Команда Baucom ранее показала, что этот красочный цветущий сорняк развил различные уровни устойчивости к глифосату в пределах своего североамериканского ареала..
Ипомея - это вид со смешанным спариванием, что означает, что отдельные цветы могут размножаться либо путем самоопыления, известного как самоопыление, либо с использованием пыльцы другого человека, процесс, называемый ауткроссингом.
Ипомеи гермафродиты: у каждого цветка есть как мужские, так и женские репродуктивные органы. При самоопылении пыльцевые зерна, образующиеся в мужской части, пыльнике, разделяются с стигмой, женской структурой внутри цветка, который получает пыльцу.
В статье Ecology Letters Бауком и ее коллеги показывают, что устойчивые к гербицидам популяции ипомеи самоопыляют больше, чем популяции, чувствительные к гербицидам.
Исследователи также показывают, что в наиболее устойчивых популяциях ипомеи расстояние между пыльником и рыльцем является наименьшим, черта, ранее показанная Чангом, увеличивает самооплодотворение у этого вида.
Увеличение зависимости от самоопыления и сокращение расстояния между пыльником и рыльцем имеют эффект сохранения генов устойчивости, блокируя приток генов восприимчивости к гербицидам от других растений.
«Мы первыми показали, что система спаривания сельскохозяйственных сорняков коррелирует с уровнем устойчивости к гербицидам - более устойчивые популяции также более самоопыляются», - сказал Бауком. «Кроме того, мы считаем, что определили физический механизм, который может позволить растениям удерживать гены устойчивости посредством более высокого уровня самоопыления."
Классическая работа биолога Яниса Антоновича в конце 1960-х и начале 1970-х годов показала, что травянистые растения, устойчивые к загрязненным тяжелыми металлами почвам, демонстрируют более высокие показатели самоопыления, чем неадаптированные травянистые растения. Теоретическая работа Антоновича и его коллег предполагала, что более высокая скорость самоопыления в популяциях растений, устойчивых к металлам, должна эволюционировать, чтобы уменьшить приток неадаптированных генов, и эту идею они назвали гипотезой предотвращения потока генов.
Выводы, сделанные Бауком и ее коллегами, подтверждают эту гипотезу и, как продолжение более ранней работы, могут предоставить механизм, лежащий в основе повышенного уровня самоопыления: уменьшение расстояния между пыльником и стигмой.
В Соединенных Штатах 40 процентов пестицидов, применяемых на 400 миллионах акров пахотных земель, являются гербицидами. Во всем мире устойчивость к гербицидам развилась у более чем 200 видов растений.