Ботаники давно восхищаются гетеротрофными растениями не только потому, что они противоречат представлению о том, что автотрофность (фотосинтез) является синонимом растений, но и потому, что такие растения обычно редки и эфемерны. Однако до сих пор ведутся споры о том, как эти растения получают питание.
Исследовательская группа, состоящая из адъюнкт-профессора Университета Кобе SUETSUGU Kenji (с кафедры биологии Высшей школы естественных наук), научного сотрудника MATSUBAYASHI Jun (Японского общества содействия развитию науки) и профессора TAYASU Ichiro (научного Институт человечества и природы) исследовал углеродный возраст (время, прошедшее с момента фиксации углерода из атмосферного CO2 путем фотосинтеза) у некоторых нефотосинтетических микогетеротрофных растений. Многие орхидеи утратили способность к фотосинтезу и развили загадочный микогетеротрофный жизненный цикл. Микогетеротрофные растения обычно получают углерод от других фотосинтезирующих растений через общую сеть микоризных грибов, в то время как считается, что некоторые микогетеротрофы получают углерод из разлагающейся подстилки или мертвой древесины, паразитируя на сапротрофных грибах. Однако традиционные подходы предоставили лишь косвенные доказательства такого транспорта питательных веществ от мертвого органического вещества к растениям.
В текущем исследовании изучалась полезность измерений радиоуглерода для определения характера использования грибов микогетеротрофами. Микогетеротрофные виды, эксплуатирующие эктомикоризные грибы, должны поглощать недавно синтезированные продукты фотосинтеза, в то время как микогетеротрофные растения, зависящие от сапротрофных грибов, должны получать углерод из более старых источников, то есть из мертвой древесины. Поэтому исследовательская группа рассчитала углеродный возраст микогетеротрофных растений, используя в качестве индикатора радиоуглерод, выделяемый в результате испытаний атомной бомбы в атмосфере, проведенных в 1950-х и 1960-х годах.
С помощью этой методологии они обнаружили, что углерод в некоторых микогетеротрофных орхидеях датируется более чем десятью годами до периода отбора проб. Это указывает на то, что эти орхидеи полагаются на обогащенный 14С углерод из мертвой древесины через сапротрофные грибы. Поэтому они пришли к выводу, что микогетеротрофные растения могут использовать как микоризные, так и сапротрофные грибы, которые являются важными компонентами наземных экосистем. Кроме того, хотя термин «микогетеротроф» заменил ранее неправильно применявшийся термин «сапрофит», некоторые микогетеротрофные растения являются косвенно сапротрофными! Открытие переворачивает традиционное представление и открывает новую перспективу для понимания того, как эти интригующие растения стали экологически и эволюционно успешными.
Результаты этого исследования будут опубликованы онлайн в New Phytologist 24 января 2020 года.
Исследования
Мутуализм, или взаимовыгодное взаимодействие между видами, является повсеместным явлением во всех экологических системах, и почти все организмы на Земле участвуют по крайней мере в одном мутуалистическом партнерстве. Большинство наземных растений, от мохообразных до покрытосеменных, образуют мутуализмы (межвидовые кооперативные взаимодействия) с грибами, в результате чего растение обеспечивает источник углерода в обмен на необходимые минеральные питательные вещества. Эти взаимовыгодные ассоциации растений и грибов называются микоризными мутуализмами.
Однако организмы, изначально участвовавшие в мутуализме, иногда могут превращаться в паразитов, получая выгоду, но не принося ничего взамен. В микоризных мутуализмах нефотосинтезирующие микоризные растения (т.е. микогетеротрофные растения) считаются такими обманщиками, поскольку они не могут обеспечивать фотосинтез своих грибных партнеров. Действительно, известно, что многие микогетеротрофные растения получают углерод от других фотосинтезирующих растений через общую сеть микоризных грибов.
Таким образом, несмотря на свою бесхлорофильную природу, микогетеротрофные растения не паразитируют непосредственно на других растениях и не получают углерода напрямую из гниющих растительных и животных веществ, как считалось раньше. Тем не менее известно, что грибы играют важную роль в наземных экосистемах, особенно в качестве сапротрофных грибов, которые разлагают валежную древесину и разлагающуюся подстилку. Существуют ли микогетеротрофные растения, зависящие от этих сапротрофных грибов? Нынешняя исследовательская группа решила осветить этот вопрос, используя радиоуглеродный анализ.
Подробности исследования
Уровни
Радиоуглерода (14C) могут быть полезны для точной оценки трофических стратегий симбионтов микогетеротрофных растений путем прямой оценки среднего возраста углерода в биомассе.. Испытания атмосферной ядерной бомбы в середине 20-го века увеличили концентрацию 14C в атмосфере во всем мире, пик которой пришелся примерно на 1963 год. Концентрация C постепенно снижалась после запрета ядерных испытаний в атмосфере в 1963 году.
Таким образом, учитывая, что содержание 14C в органическом веществе, синтезируемом первичными продуцентами, равно соответствующему содержанию 14C в атмосферный CO2, возраст углерода (время, прошедшее с момента фиксации углерода из атмосферного CO2 путем фотосинтеза) можно оценить путем измерения концентрации14C, возникшие в результате испытаний бомб в 1950-х и 1960-х годах. Как объяснялось ранее, микоризные грибы получают фотосинтезированный углерод от растений. Кроме того, микогетеротрофные растения, использующие микоризные грибы, также получают углерод от других близлежащих растений через микоризную сеть. Таким образом, исследовательская группа выдвинула гипотезу, что значения 14C микогетеротрофов, использующих микоризные грибы, будут напоминать значения 14C атмосферного CO 2 для окружающих автотрофных (фотосинтезирующих) растений, так как этот углерод должен быть очень молодым. С другой стороны, углерод микогетеротрофов, эксплуатирующих сапротрофные грибы (особенно дереворазрушающие), должен быть старше и, следовательно, содержать более высокую концентрацию 14C, которая образовалась в результате ядерных испытаний.
Для проверки этих гипотез были измерены концентрации 14C 10 видов микогетеротрофных растений, собранных на 10 участках в Японии. Из этих десяти видов шесть видов (два вида вересковых Monotropastrum humile и Pyrola subaphylla и четыре вида орхидейных Cephalanthera subaphylla, Chamaegastrodia shikokiana, Neottia nidus-avis и Lecanorchis nigricans) показали низкие концентрации 14C, которые были аналогичны результатам для автотрофных растений, подтверждая, что они используют очень свежий углерод.
С другой стороны, было обнаружено, что остальные четыре вида, которые были всеми типами орхидей (Gastrodia elata, Cyrtosia septentrionalis, Yoania japonica и Eulophia zollingeri), содержали очень высокие концентрации 14 C, датируемые более чем десятью годами до периода выборки. Эти результаты исследований показывают, что некоторые микогетеротрофы получили обогащенный 14С углерод бомбы из мертвой древесины через сапротрофные грибы. Это указывает на то, что некоторые микогетеротрофные растения не получают свой углерод, подключаясь к существующим микоризным сетям, а вовлекают сапротрофные грибы в новые микоризные симбиозы.
Вывод
Это исследование показало, что микогетеротрофные растения могут использовать как микоризные, так и сапротрофные грибы, которые являются важными компонентами наземных экосистем. Многие ботаники отвергли использование термина «сапрофит» как неправильное и назвали растения микогетеротрофными растениями, чтобы отразить их уникальную пищевую зависимость от грибкового углерода. На самом деле сапрофитов, непосредственно питающихся мертвой органикой, не существует. Однако радиоуглеродный подход дает убедительные доказательства того, что некоторые микогетеротрофные орхидеи являются косвенно сапрофитными и зависят от древесных остатков в углеродном цикле леса.