Ключи к пониманию распространения цветковых растений
Ученые давно ломают голову над ослепительным разнообразием цветковых растений на Земле. В то время как хвойным потребовалось 300 миллионов лет, чтобы дать сотни видов, цветковые растения диверсифицировались менее чем за половину этого времени в 250 000 видов, включая всё — от массивных деревьев до самых нежных полевых цветов, от выносливых низкорослых альпийских растений до насекомоядных хищников.
Ученые выделили несколько вероятных факторов, которые могли вызвать эту бурю диверсификации, включая конкуренцию между мужскими особями за оплодотворение яйцеклетки, скрытой в основании каждого цветка.
Эта мужская конкуренция хорошо знакома тем, кто видел, как бараны бодаются или олени сцепляются рогами. У растений это гораздо более тихий процесс, хотя ставки столь же высоки. Соревнование происходит между пыльцевыми зернами, отложенными на цветке.
Каждое пыльцевое зерно содержит три клетки: две — спермии растения, а третья — клетка, растущая в трубку, которая быстро создает путь к яйцеклетке, по которому спермии могут путешествовать. Ученые полагают, что конкуренция за рост самой быстрой пыльцевой трубки — это растительный эквивалент мужского соперничества в царстве животных, показатель приспособленности растения-отца, который является одним из нескольких факторов, движущих эволюцию цветковых растений.
Теперь исследователи из Арнольдского дендрария Гарварда и Департамента организмной и эволюционной биологии показали, что женские особи в древней линии древесных лиан также борются за репродуктивные права, используя практику, которая может дать исследователям взгляд в прошлое на стратегию, способствовавшую формированию сегодняшнего разнообразия.
В то время как большинство цветковых растений развивают одну яйцеклетку в каждом семени и пассивно ждут, пока выигравшая пыльцевая трубка достигнет её, некоторые виды развивают не одну, а множество яйцеклеток, расположенных достаточно далеко от места оплодотворения, чтобы им также приходилось отращивать трубки, сплетаясь с соперницами в борьбе за право произвести следующее поколение.
Исследование, опубликованное в понедельник (20 июня) в Proceedings of the National Academy of Sciences, провели директор Арнольдского дендрария Уильям Фридман, профессор организмной и эволюционной биологии имени Арнольда, и постдокторант Жюльен Башелье.
Башелье и Фридман изучали Trimenia moorei, древесную лиану родом из Австралии, которая является частью древней группы цветковых растений — австробэйлиецветных (Austrobaileyales). Исследование, занявшее полтора года и начатое, когда они работали в Университете Колорадо, включало микроскопический анализ тысяч цветков Trimenia и кропотливое отслеживание хрупких путей пыльцевых трубок и трубок от яйцеклеток Trimenia.
Башелье, выполнивший большую часть микроскопического анализа, заявил, что конкуренция — это способ природы обеспечить передачу наиболее приспособленных генов следующему поколению. С точки зрения приспособленности, чем больше конкуренции, тем лучше.
Как только Башелье рассмотрел образцы под микроскопом, он увидел много цветков, на которых было всего несколько пыльцевых зерен или даже одно.
«Было исследовано много цветков; в них было очень мало пыльцевых зерен», — сказал Башелье. «Наличие женской конкуренции может быть способом компенсировать низкий уровень мужской конкуренции у Trimenia и других представителей древних линий цветковых растений».
Цветки Trimenia маленькие и не очень эффектные, и стратегия женской конкуренции может служить способом повысить приспособленность следующего поколения.
«У этих ранних линий растений были маленькие, простые цветки», — сказал Фридман. «У них, так сказать, были тренировочные колеса».
За миллионы лет эволюции цветковых растений многие виды развили крупные, эффектные цветки и вступили в партнерство с эффективными насекомыми и птицами-опылителями, значительно увеличив количество пыльцевых зерен, оседающих на одном цветке, и, следовательно, уровень конкуренции, ведущей к следующему поколению. Этот процесс, возможно, позволил видам отказаться от конкуренции между яйцеклетками.
Фридман отметил, что эта работа выросла из более масштабных усилий по пониманию стратегий растений по питанию своего потомства за счет накопления углеводов в семенах. Хотя ученые в прошлом признавали, что у некоторых растений есть множественные яйцеклетки, производящие трубки, подобные пыльцевым, они обычно лишь описывали это явление и двигались дальше. Фридман отметил заслугу Башелье в том, что тот понял: наблюдаемое может иметь более глубокие последствия для понимания ранней эволюции цветковых растений.
«Это одна из замечательных сторон биологии», — сказал Фридман. «Как только начинаешь смотреть, происходят удивительные и неожиданные вещи».