Какие растения переживут глобальное потепление?
Проблема засухи проявляется по всему миру, что отражается на всех экосистемах, говорит Лорен Сак, преподаватель экологии и эволюционной биологии из Калифорнийского университета и старший автор исследования. Ученые больше столетия спорили о том, как предсказать, какие виды растений являются самыми уязвимыми для глобальных изменений климата.
Сак и два ученых из его лаборатории сделали фундаментальное открытие, которое решает эти споры и позволяет определить то, как разнообразные виды растений по всему миру будут реагировать на засуху, которая является наиболее вероятным проявлением изменения климата.
Почему, когда высыхает почва, подсолнух быстро вянет и засыхает, в то время как чапараль способен пережить длительный сезон засухи, не теряя ни одного из своих вечнозеленых листьев? Существует множество механизмов, которые определяют терпимость растения к засухе, и биологи долгое время не могли понять, какая черта является самой важной. Команда из Калифорнийского университета сосредоточилась на том, что назвали «точкой потери тургора»; тургор ранее не считался явлением, способным предсказать терпимость к засухе различных видов растений в разных экосистемах.
Увядшее дерево в гавайском лесу во время засухи 2010-11 годов, сильнейшей за 11 лет. Дерево - alahee (Psydrax odorata) (фото sciencedaily.com)
Тургор – это напряженность оболочек клеток растений (у животных тургор клеток невысок). Нормальное функционирование клеток растений зависит от тургорного давления – это внутреннее давление, которое появляется в клетке, когда в результате осмоса в нее входит соленая вода и цитоплазма прижимается к стенке клетки. Когда листья открывают свои поры или устьица, чтобы получить углекислый газ, в процессе фотосинтеза они теряют значительное количество этой воды через испарение. Это обезвоживает клетки и вызывает потерю давления.
Во время засухи воду в клетке трудно восполнить. Точка потери тургора достигается тогда, когда стенки клеток растения становятся слабыми и тонкими, тогда лист растения начинает увядать, растение не способно расти. В точке потери тургора растение или закрывает устьица и начинает «голодать», или продолжает фотосинтез, рискуя получить необратимое повреждение клеточных стенок и метаболических белков. Для адаптации к засухе растение должно подстроить точку потери тургора так, чтобы клетки могли поддерживать напряженное состояние оболочек даже при засушливости почвы.
Известно, что есть два аспекта, которые влияют на точку потери тургора: жесткость клеточных стенок растения и соленость клеток. Многие ученые склонялись к объяснению терпимости растений к засухе жесткой клеточной стенкой, так как в засушливых районах во всем мире растения имеют мелкие, плотные листья. Жесткие клеточные стенки способны удерживать влагу дольше и сопротивляться увяданию. А о солености клеток растений было известно мало.
Команда Калифорнийского университета доказала, что соленость сока клетки в большей степени объясняет терпимость растения к засухе. Первое подтверждение было достигнуто математическим расчетом, который указал на важность более соленого сока клетки. Соленый сок каждой растительной клетки позволяет растению поддерживать тургорное давление во время засухи и продолжать фотосинтез и рост. Результаты расчета показали, что толстые клеточные стенки не способствуют непосредственно предотвращению увядания, хотя они предоставляют косвенные преимущества - защита от чрезмерного сокращения клетки и от повреждения из-за внешнего воздействия.
Команда впервые собрала данные о терпимости засухи для разновидностей растений по всему миру, которые подтвердили результат их вычислений. В разных географических областях по всему миру терпимость растений к засухе коррелировала с соленостью сока клеток, а не с жесткостью клеточных стенок. Фактически виды растений с жесткими клеточными стенками были найдены не только в засушливых зонах, но также и во влажных климатических системах, например в тропических лесах.
Точное определение солености клетки как главного аспекта терпимости растения к засухе открывает путь к исследованию методов, которые помогут избежать исчезновения видов в процессе изменения климата, сказал Сак.
Новое исследование показало, что соленость клеток в листьях растения может объяснить, какие виды растений доминируют в каждой экосистеме. Команда работает с учеными в тропических ботанических садах в Юньнани (Китай), чтобы разработать новый метод измерения точки потери тургора в большом количестве разновидностей растений.
«Мы взволнованы, что обнаружили такой мощный индикатор засухи, который мы можем легко измерить, - сказала Меган Бартлетт, специалист в области эволюционной биологии и экологии из Калифорнийского университета. - Мы можем создавать алгоритмы защиты целых экосистем или семейств растений и разрабатывать лучшие стратегии для их сохранения в случае изменения климата».
