Новая теория эволюции растений предполагает, что 400-миллионное движение флоры по всему миру, возможно, было вызвано не поверхностными чертами, которые мы можем легко увидеть, а подземными адаптациями, которые позволили растениям стать более эффективный и независимый.
По мере того, как виды растений распространялись на север и юг от своего богатого питательными веществами тропического происхождения, тонкие кончики их корней становились уже и более широкими, чтобы помочь им исследовать все более бедную почву для жизненно важных питательных веществ, согласно исследованию, проведенному 21 февраля в журнал Nature под руководством исследователей из Принстонского университета и Китайской академии наук (CAS) в Пекине. Кроме того, по мере того как растения распространялись в непредсказуемых условиях, таких как засушливые пустыни, они становились менее зависимыми от симбиотических грибов - или микоризы - которые колонизируют корни и помогают растениям-хозяевам получать необходимые питательные вещества для растений - азот и фосфор..
Выводы пересматривают то, как растения адаптировались к новым условиям по мере их эволюции, сказал соответствующий автор Ларс Хедин, профессор биологии Джорджа М. Моффета, заведующий кафедрой и профессор экологии и эволюционной биологии Принстонского института окружающей среды. По его словам, в прошлом ученые концентрировались на надземных характеристиках, в первую очередь на свойствах листьев и эффективности, с которой растения поглощают солнечный свет для фотосинтеза.
Вместо этого, по словам Хедина, он и его коллеги впервые обнаружили, что диаметр корней и опора на грибы - или их отсутствие - являются чертами, которые наиболее последовательно характеризуют растительное сообщество во всех биомах, которые являются большими. отдельные сообщества животных и растений, такие как пустыня, умеренный лес или саванна.
«Это секретные стратегии, которые растения использовали с течением времени, чтобы захватить мир», - сказал Хедин. «Наша цель состояла в том, чтобы раскрыть понимание этих стратегий, и наши результаты предлагают новую глобальную теорию эволюции растений. Скрытая под землей была потрясающая игра в выживание наиболее приспособленных, и нам повезло, что у нас есть первая в мире взгляд на науку этой игры.
«Эта работа имеет большое значение для сохранения и нашего управления растительным миром», - продолжил Хедин. «В нем представлены некоторые скрытые, подземные правила, по которым растения выживают и распространяются. Это глобальный взгляд на эволюцию растений в то время, когда глобальные правила необходимы для построения моделей климата и понимания биосферы».
Минчжэнь Лу, первый автор Принстона и аспирант исследовательской группы Хедина, сказал, что если корневые признаки действительно определяют способность растения выдерживать определенную среду, эти результаты могут быть ценными для сохранения исчезающих видов или прогнозирования того, как растения могут адаптироваться к изменению климата.
«Наши результаты упрощают то, как мы можем практически охарактеризовать стратегию растений по получению питательных веществ», - сказал Лу. «Знание их основной стратегии питания поможет нам понять, как их сохранить, или узнать, в каких условиях они могут или не могут выжить».
Курт Прегитцер, профессор Томаса Ревели и декан Колледжа природных ресурсов Университета Айдахо, сказал, что эта работа может быть особенно полезной в борьбе с инвазивными видами, которые в высокомобильном мире все больше угрожают биоразнообразию. Прегитцер знаком с исследованием, но не принимал в нем участия.
«Инвазивные виды вызывают массовое вытеснение местных растений и огромные экономические последствия по всему миру», - сказал Прегитцер. «Это исследование может открыть совершенно новые направления научных исследований, которые помогут нам лучше понять, как корневая система инвазивных растений помогает этим экзотическим видам превзойти местные растения."
Статья Nature уникальна своим масштабом и тщательным применением научных методов, сказал Прегитцер. «Это исследование является первым, проведенным в широком диапазоне наземных сред, и оно демонстрирует, что у видов растений развились корневые стратегии, которые сохраняются в соответствующих семействах, родах и видах», - сказал он. «Эти корневые черты, вероятно, способствуют успеху растений в высококонкурентных природных экосистемах».
Исследователи потратили два года на изучение уникально большой базы данных корневых признаков, состоящей из 369 видов из семи биомов: пустынных, пастбищных, средиземноморских, бореальных, умеренных, субтропических и тропических.
Эти данные собирались в течение десятилетия в лаборатории покойного соавтора Дали Го, профессора Института географических наук и исследований природных ресурсов CAS. Первый автор Цзэцин Ма - научный сотрудник лаборатории Го, а соавтор Сянлян Сюй - коллега Го. Среди соавторов статьи также были эксперты по корням Ричард Барджетт, профессор экологии Манчестерского университета в Великобритании; Дэвид Эйссенштат, профессор физиологии древесных растений Пенсильванского государственного университета; и М. Люк МакКормак, научный сотрудник Университета Миннесоты.
Исследователи обнаружили, что растения в тропических и субтропических биомах демонстрируют самый большой диапазон диаметров самых тонких кончиков корней, которые питаются питательными веществами, от менее 0,25 мм до 1 мм. Эти растения с более толстыми корнями используют то, что авторы называют «консервативной» стратегией - похожей на стратегию самых ранних наземных растений - которая опирается на почвенные грибы, распространенные во влажных, теплых тропических и субтропических почвах для обеспечения питательными веществами. Исследователи называют богатую питательными веществами почву в постоянно душной местности «предсказуемой».
Между тем, диаметр мелких корней в «непредсказуемых» биомах, характеризующихся плохой почвой, холодными зимами и/или нечастыми осадками, находится в более узком диапазоне, идеальном для этой среды. Например, у изученных пустынных и пастбищных видов диаметр корней был менее 0,25 мм. Кончики корней в этих биомах стали тоньше, чтобы они могли более эффективно исследовать почву на каждую единицу углерода, расходуемую растением, и меньше зависят от симбиотических грибов.
Обширные данные, которые использовали исследователи, позволили им изучить эволюцию корней растений в таких масштабах, которые ранее были невозможны, сказал Лу. «Экология подземных растений недостаточно изучена из-за нехватки данных», - сказал он. «Из-за этого главное правило того, что происходит под землей, было очень плохо известно».
«До сих пор, - добавил Хедин, - все вполне естественно пытались понять, как устроены растения, глядя на надземные признаки. Но наши выводы не согласуются с наземными теориями - это было неожиданностью."
Исследование показывает, что эволюция корней и листьев шла разными путями, сказал Прегитцер. Экологи растений знали, что форма и функция листьев имеют важное значение для успеха видов растений, но «мы не понимали, верно ли это для огромного разнообразия корневых систем растений», - сказал он..
«Интересно, что мало что было известно о том, как корни растений эволюционировали, чтобы способствовать успеху в их естественной среде обитания», - сказал Прегитцер. «Теперь мы знаем, что листья и корни реагировали на различные эволюционные отборы, и мы можем начать лучше понимать, как форма и функция корней определяют успех растений в условиях огромного биологического разнообразия, которое мы наблюдаем на Земле».
Выводы согласуются с идеями, изученными в Принстоне, которые предполагают, что растения - вместо того, чтобы быть пассивными элементами своей среды - активно адаптировались к окружающей среде и формировали ее, сказал Хедин. Он был старшим автором статьи 2015 года в Nature Plants, в которой предполагалось, что экосистемы принимают различные формы, потому что растения ведут себя таким образом, что не только приносят пользу себе, но и определяют продуктивность и состав их среды обитания.
«На протяжении эволюции растения как будто активно изучали наилучшие стратегии для обеспечения собственного выживания», - сказал Хедин. Он и Лу внесли эту точку зрения в базу данных, составленную их коллегами из CAS.
«С точки зрения растений мы поняли, как привнести эволюционные вопросы в их уникальный глобальный набор данных», - сказал Хедин. «Это было прекрасное сотрудничество, в котором мы объединили новые идеи с годами кропотливой полевой работы, чтобы получить отличный результат. Этого не могло бы быть без обеих сторон».