Растения, получающие азот из воздуха, процветают в засушливых условиях
Исследование растений по всей территории США привело к неожиданному выводу: растения, способные фиксировать атмосферный азот, наиболее разнообразны в засушливых регионах страны. Это противоречит распространенному предположению, что азотфиксаторы должны быть наиболее разнообразны там, где азота в почве не хватает.
Результаты удивительны, поскольку у азотфиксаторов нет типичных черт растений засушливых почв, например, толстых водозапасающих стеблей кактусов. «На первый взгляд, азотфиксаторы не обязательно кажутся адаптированными для аридных экосистем», — отметил ведущий автор Джошуа Доби, докторант кафедры биологии Университета Флориды.
Как растения добывают азот
Азот входит почти во все структуры и реакции клеток растений. Без него невозможны производство белков, создание ферментов или даже фотосинтез. Азот часто является главным лимитирующим фактором роста растений.
Чтобы компенсировать нехватку, растения эволюционировали разными путями: венерина мухоловка получает азот из насекомых, копрогенные мхи растут на помете животных, а кувшиночники предоставляют убежище летучим мышам в обмен на богатый азотом помет.
Хотя азота в почве может не хватать, его почти бесконечный запас есть в атмосфере (около 78%). Однако растения не могут усваивать газообразный азот (N2). Бактерии же многократно «научились» фиксировать атмосферный азот.
Случайный симбиоз такой бактерии с растением привел к одной из крупнейших ботанических радиаций на Земле — семейству бобовых, которое сегодня насчитывает более 18 000 видов. Корни многих бобовых образуют клубеньки, в которых живут бактерии. Растения снабжают их сахарами, а взамен получают азот из отходов бактерий.
Десятилетиями ботаники предполагали, что растения с азотфиксирующими бактериями должны быть более разнообразны в экосистемах вроде саванн и лугов, где пожары и дожди вымывают питательные вещества из почвы.
Азотная фиксация подготовила растения к более холодной и сухой планете
Исследователи из Флоридского музея естественной истории, Университета штата Луизиана и Университета штата Миссисипи решили выяснить, какие факторы среды сильнее всего влияют на сообщества азотфиксирующих растений в США. Используя данные Национальной экологической обсерватории (NEON), они проанализировали записи о более чем 40 участках, включая Пуэрто-Рико.
Результаты показали, что количество видов азотфиксаторов увеличивается в бедных азотом средах и уменьшается в более сухих, как и ожидалось. В аридных условиях в целом меньше видов растений.
Неожиданность ждала, когда ученые посмотрели именно на разнообразие местных азотфиксаторов. Хотя видов было меньше, их разнообразие резко возрастало в засушливых регионах — независимо от количества азота в почве.
Разница между видовым богатством (количеством видов) и разнообразием похожа на выбор палитры: 16 оттенков синего против 8 дополнительных цветов. Вторая палитра содержит большее разнообразие цветов и охватывает более широкий спектр.
Тысячи видов цветковых растений содержат азотфиксирующие бактерии. Часто в пустынях и кустарниковых равнинах бок о бок растут лишь отдаленно родственные виды, например, мескитовые и ольховые деревья.
Доби считает, что растения с богатым запасом азота имеют врожденное преимущество в засуху: «Растения с большим количеством азота имеют более толстую кутикулу, что делает их устойчивыми к потере воды».
Большинство линий азотфиксирующих растений возникли в меловом периоде, когда температуры были выше. За последние 50 миллионов лет климат Земли стал холоднее и суше, что привело к формированию обширных лугов и пустынь. Растения, не приспособленные к новым условиям, постепенно исчезали, а многие хорошо адаптированные азотфиксаторы диверсифицировались на освободившихся территориях.
«Это исследование дает нам хорошее представление о том, почему растительные сообщества сегодня такие, какие они есть», — сказал Доби. Он добавил, что условия, поддерживающие разнообразную флору в засушливых регионах, могут вскоре исчезнуть: «Из-за изменения климата, когда становится влажнее и теплее, черты, которые сделали эти растения хорошо адаптированными и разнообразными, перестанут быть полезными. Многие уникальные растительные сообщества окажутся под угрозой в долгосрочной перспективе».
Исследование опубликовано в Global Ecology and Biogeography.