Стратегия выживания голодающих елей: ключевая роль резервов
Деревья и целые леса по всему миру находятся под угрозой из-за учащающихся климатических экстремумов и последующих вспышек насекомых. Как сидячие организмы, деревья не могут избежать угрожающих условий и должны адаптировать свои метаболические процессы. Критически важным для растений является производство богатых энергией молекул сахара (углеводов) в процессе фотосинтеза. Эти соединения служат как источниками энергии, так и основными строительными блоками для всех метаболических процессов. Во время экстремальных явлений, таких как продолжительная засуха или жара, фотосинтез нарушается, и деревья производят меньше углеводов из-за снижения поглощения CO2 и нехватки воды. Спрос на богатые энергией сахара не удовлетворяется, и растения вынуждены полагаться на накопленные резервы для поддержания жизненно важных процессов. Когда резервы истощаются, растения могут погибнуть от голода или стать уязвимыми для болезней и насекомых из-за отказа системы защиты.
Несмотря на их критическую роль, до сих пор считалось, что резервы, такие как растворимые сахара, крахмал или жиры, образуются только при благоприятных условиях фотосинтеза, когда скорость их производства превышает спрос со стороны других функций, например, роста. «С эволюционной точки зрения это не имеет смысла. Деревья должны выживать десятилетиями, прежде чем смогут размножаться, и надежный источник быстро доступных резервов играет решающую роль в выживании в частые неблагоприятные периоды», — подчеркивает доктор Хенрик Хартманн, руководитель группы в Институте биогеохимии Макса Планка (BGC) в Йене.
Чтобы исследовать важность запасания для выживания деревьев, доктор Цзяньбэй Хуан, постдок в исследовательской группе и первый автор недавнего исследования, подверг молодые ели голоданию, выращивая их в течение нескольких недель при очень низкой концентрации CO2. Это позволило смоделировать снижение скорости фотосинтеза, происходящее во время климатических экстремумов. Изначально легкодоступные запасные соединения уменьшились, как и ожидалось, поскольку они использовались для метаболизма и не могли пополняться при сниженном поступлении CO2. Удивительно, но по мере прогрессирования голодания по CO2 запасные соединения стабилизировались на постоянном уровне, и деревья прекратили рост. «Когда продуктивность фотосинтеза стала слишком низкой, чтобы адекватно снабжать углеродом все функции, деревья сократили свой рост и направили доступные ресурсы в запасы», — заключает Хуан.
Через три-пять недель после начала голодания по CO2 исследователи также изучили генетическую активность клеток растений, в частности экспрессию генов, кодирующих ферменты, участвующие в метаболических процессах. «Мы впервые обнаружили, что после продолжительного голодания увеличивалась выработка ферментов, ответственных за легкодоступные запасные соединения», — говорит Хуан. В то же время экспрессия генов ферментов, участвующих в процессах роста, таких как производство целлюлозы и лигнина, была значительно снижена, что подтвердило компромисс между запасанием и ростом на молекулярном уровне.
Еще более удивительным стало усиление метаболических путей альтернативного производства энергии, о чем свидетельствовало увеличение выработки ферментов, ответственных за преобразование сложных молекул жиров в богатые энергией углеводы. «Кажется, растения предпочитают жертвовать расходными структурами и, по-видимому, даже переваривать себя, вместо того чтобы отказаться от формирования запасов», — говорит Хартманн. «Таким образом, стратегия производства и хранения энергии при отключении ненужного потребления энергии для роста последовательно реализуется во время голодания по CO2».
Новое открытие, что страдающие от нехватки углерода ели накапливают резервы, вселяет надежду, что эта адаптация позволит лесам восстанавливаться после климатического стресса.
Предыдущие исследования стратегий запасания у растений были ограничены недолговечными травянистыми видами, такими как Arabidopsis, и охватывали лишь часы или несколько дней. Однако для долгоживущих растений, которым требуются десятилетия для размножения и которые постоянно подвергаются смене сезонов и спорадическим климатическим экстремумам, результаты по Arabidopsis могут иметь мало значения. «Конечно, деревья должны следовать стратегии запасания, которая позволяет им выживать дольше, чем двулетним травам», — говорит Хуан.
«Наши совместные выводы о том, что даже при экстремальном стрессе — истощении углерода — ели все еще могут накапливать резервы, являются новыми и неожиданными, — говорит соавтор работы профессор Николь ван Дам из iDiv и FSU. — Они дают надежду, что сильно угнетенные лесные деревья могут использовать эти резервы для восстановления».
Хвойные, такие как изученные здесь ели, доминируют во многих экосистемах Северного полушария и выполняют другие очень важные экологические функции помимо поглощения и хранения парникового газа — диоксида углерода. Однако многие виды хвойных не адаптированы к более теплым и сухим условиям, вызванным изменением климата, и поэтому находятся под особой угрозой. Их выживание и развитие лесов в целом моделируются в растительных моделях. Однако эти модели основаны на устаревших представлениях о том, что продуктивность фотосинтеза напрямую определяет рост, игнорируя распределение богатых энергией сахаров в запасы и резервы. «Опираясь на наши новые результаты, такие модели теперь можно разрабатывать более реалистично, — подчеркивает Хартманн, — а более надежные результаты моделирования чрезвычайно важны для прогнозирования будущего наших лесов, особенно в условиях усиления изменения климата».