Могут ли растения приспособиться к быстро растущей жаре и засухе?

В то время, когда изменение климата делает многие районы планеты более жаркими и сухими, отрезвляет мысль о том, что пустыни — это относительно новые биомы, которые значительно выросли за последние 30 миллионов лет. Широко распространенные засушливые регионы, такие как пустыни, которые сегодня покрывают большую часть западной части Северной Америки, начали возникать только в течение последних 5–7 миллионов лет.

Понимание того, как растения, вторгшиеся в эти суровые пустынные биомы, смогли выжить, может помочь предсказать, как экосистемы будут жить в более засушливом будущем.

Интенсивное изучение группы растений, впервые заселивших формирующиеся пустыни миллионы лет назад делает вывод, что эти первопроходцы — каменные маргаритки — не были готовы справиться с жарой, палящим солнцем и нехваткой воды. У них развилась адаптация к таким стрессам, когда они жили на сухих обнаженных скальных выходах в более старых, более влажных районах и даже тропические леса, что облегчило им вторжение в расширяющиеся засушливые районы.

Исследователь Калифорнийского университета в Беркли Исаак Лихтер-Марк и Брюс Болдуин, профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли, куратор гербария Джепсона и главный редактор «Руководства по пустыне Джепсона: сосудистые растения юго-восточной Калифорнии» (2002 г.) опубликовали свое исследование о эволюция каменных маргариток в пустынях Северной Америки на этой неделе в журнале Труды Национальной академии наук.

Исследование является первым, в котором представлены доказательства, разрешающие давние эволюционные дебаты: пустынные растения, как величественные кактусы сагуаро, пылающие окотилло и агавы Сьюсса приспосабливаются к засушливые условия только после того, как они вторглись в пустыню, или же они пришли заранее адаптированными к стрессам жизни в пустыне?

По словам Лихтер-Марк, этот вопрос актуален сегодня, потому что усиление засушливости из-за изменения климата заставляет растения адаптироваться гораздо быстрее, чем в прошлом. Уже сейчас около одной пятой поверхности Земли занимает пустыня. Если адаптация к засушливым условиям была возможна только для растений, которые уже эволюционировали, чтобы справляться с такими стрессами, то сегодня многие из них могут не иметь адекватного набора генетических инструментов для выживания.

«Если вы думаете о засушливости только как о стимуле для эволюции растений, то во многих случаях люди могли бы сказать, что эти растения выживают, они адаптируются и с ними все будет в порядке. Они воспользуются преимуществами этих новых условий и будут процветать», — сказал Лихтер-Марк, который также является научным сотрудником Национального научного фонда в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.

Но история каменных маргариток предполагает, что «когда появились пустыни, те растения, у которых была необходимая предварительная адаптация, чтобы воспользоваться преимуществами новых условий, были теми, кто процветал», — сказал он. «Добавление большего количества аридизации в систему не обязательно означает более быструю адаптивную эволюцию. Существует ограниченный источник родословных, которые могут использовать преимущества новых уровней засушливости, и это важно для понимания влияния изменения климата на биоразнообразие».

Семь лет скитаюсь по пустыне

Ботаники давно поняли, что, когда растения вторгались в пустынные районы, они быстро диверсифицировались, чтобы заполнить множество ниш, созданных этим новым типом среды обитания.

«Даже совсем недавно, от 1 до 1.5 миллионов лет назад, было трудно найти широко распространенные пустынные места обитания, которые мы видим сегодня в Северной Америке, что довольно удивительно, потому что сейчас пустыни и засушливые места обитания являются наиболее распространенными биомами на Земле. — сказал Лихтер-Марк. «Но в эпоху позднего миоцена засушливые места обитания распространились, и мировые линии пустынных растений, особенно суккулентные линии, такие как кактусы, агавы и ледяные растения, а также многие другие линии, устойчивые к засухе, претерпели синхронную быструю диверсификацию. ”

Палеонтологи, однако, указали, что окаменелые растения, которые процветали за десятки миллионов лет до распространения пустынь, имели характеристики, сходные с характеристиками пустынных растений сегодня. Некоторые ученые, такие как покойный палеоэколог Дэниел Аксельрод из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Калифорнийского университета в Дэвисе, утверждали, что это означает, что растения, которые процветают сегодня в пустыне, эволюционировали раньше и были предварительно адаптированы — или экзапированы — к выживанию в условиях пустыни, произрастая на сухих микросайтах, таких как скальные обнажения, тени от дождя или горные вершины. Другие, такие как Ледьярд Стеббинс из Калифорнийского университета в Беркли, биолог-эволюционист, который помог основать Департамент генетики Калифорнийского университета в Дэвисе, утверждали, что засушливость сама по себе побуждает растения к разнообразию и развитию свойств, позволяющих противостоять засухе, жаре, интенсивному солнечному свету и сильным ветрам.

Несмотря на сходство скалистых обнажений и пустынь, было трудно доказать, что пустынные растения произошли от растений, уже приспособившихся к стрессам засушливого климата, отчасти потому, что окаменелости редко образуются в засушливых местообитаниях и не могут много рассказать нам о среде обитания этих древних растения росли.

Лихтер-Марку и Болдуину каменные маргаритки, которые относятся к трибе Perityleae семейства подсолнуховых, казались хорошей группой для изучения связи. Некоторые виды живут на сухих открытых скалах в тропических районах Мексики, которые можно было бы назвать «микропустынями», в то время как другие полностью адаптировались к пустынным районам, таким как Мохаве в Калифорнии и Большому бассейну, пустыням Чиуауа и Сонора, которые покрывают большую часть западной части Северной Америки.

«Растения, живущие на обнажениях горных пород, сталкиваются со многими из тех же проблем, что и растения, живущие в сухой пустынной среде обитания», — сказал Лихтер-Марк. «Выходы горных пород, как правило, подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения, ветра и сухих, иссушающих условий, а также тепла и мороза. Они также имеют тенденцию быть более уязвимыми для травоядных.

«Способы, которыми растения справляются с ними, разнообразны, но обычно они связаны с какой-то особой морфологией корней, которая помогает им закрепляться в обнажениях горных пород, а также справляться с повышенными засушливыми условиями. И у них, как правило, более мелкие листья или листья с густым покрытием из волосков, которые помогают защитить их от засухи и блокировать солнечный свет, включая ультрафиолетовый свет. У них также, как правило, повышенная химическая защита от травоядных, потому что требуется много энергии для регенерации после того, как их съели».

Для его доктора философии. защитив диссертацию на кафедре интегративной биологии и в гербарии Джепсона, Лихтер-Марк, уроженец Южной Калифорнии, в течение нескольких месяцев бродил по пустыням Аризоны, Калифорнии, Техаса и Мексики в пикапе в сопровождении своего синего хилера Рио. , собрать сотни экземпляров скальных возвышений. Некоторые скальные маргаритки являются одними из самых эффектных весенних цветков, покрывая пустыню яркими цветами. Однако многие из них ограничены небольшими географическими регионами, где они растут только на вертикальных скалах или горных хребтах небесных островов, что делает их опасными для сбора. Лихтер-Марк — опытный альпинист, обладающий важным набором навыков для полевые работы на пересеченной местности.

Позже он секвенировал ДНК этих образцов — 73 из 84 признанных видов маргариток — и каталогизировал их жизненные истории, например, где они росли, какой тип корневой системы у них был, были ли они однолетними или многолетними, травянистыми или травянистыми. кустарник. Затем он сравнил их с окаменелыми маргаритками, чтобы составить приблизительную хронологию эволюции этих характеристик и возможного перехода линии в пустыню.

Это позволило ему сделать вывод, что большинство каменных маргариток, в частности род Laphamia, который первым переселился в пустыни и является самым крупным родом каменных маргариток, приспособились к стрессу от жары, засушливости, ветра и солнца в силу своего произрастали на скалах перед вторжением в пустыни.

«Это четкая эмпирическая демонстрация того, что изначально было гипотезой Аксельрода — группа растений пустыни возникла в сухом микроклимате до повсеместного появления пустынных мест обитания», — сказал Лихтер-Марк. «Это означает, что стратегии засухоустойчивости, столь характерные для пустынной растительности, могут на самом деле не отражать реакции на засушливые условия пустынь. Вместо этого они могут быть чертами, которые развились раньше в связи с гораздо более старыми и более стабильными сухими микроклиматами, такими как выходы горных пород в тропических условиях».

Преадаптация может быть ключом к успеху многих пустынных растений, в том числе кактусов, которые, как известно, населяют обнажения скал или растут как эпифиты в кронах деревьев в тропических районах, хотя эти крупные линии потребуют гораздо более расширенного анализа, сказал он. .

Каменные маргаритки, многие из которых обитают в специализированных средах обитания, делающих их уязвимыми к исчезновению, подчеркивают важность сохранения, казалось бы, нишевых видов.

«Многие каменные маргаритки очень специализированы и, как правило, очень узки в своем распространении и могут рассматриваться как менее важные для выживания экосистемы в целом. В эволюционной биологии и в природоохранной биологии специализированные организмы с узким географическим ареалом часто считаются уязвимыми линиями, а иногда их даже называют эволюционными тупиками», — сказал он. «Важным следствием здесь является то, что группа специалистов-экологов, живущих на разрозненных скалах в тропической среде обитания, начала это серьезное излучение в пустыне. Таким образом, это на самом деле показывает, что специалисты — это не только эти уязвимые родословные, находящиеся на грани исчезновения. На самом деле они могут быть действительно важными источниками инноваций в эволюции».

Лихтер-Марк в настоящее время расширяет свое исследование растений которые растут на выходах скал до Гавайев, где многие редкие эндемичные виды обитают только на склонах крутых гор. Однако вместо того, чтобы карабкаться по опасным скалам в поисках редких экземпляров, он надеется использовать дронов.