Изменение климата может нарушить циклы покоя растений

Многолетние растения на Среднем Западе хорошо адаптированы к окружающей среде. Они зимуют в состоянии покоя, ожидая сигнала о безопасности для развёртывания первых нежных листьев или цветочных почек. Для многих растений таким сигналом является устойчивая тенденция к потеплению, но длина дня также является фактором в уравнении покоя.

Длина дня зависит от нашего ежегодного движения вокруг Солнца — это неизменно. Однако необычные колебания температуры становятся более частыми из-за изменения климата. Что происходит с многолетниками, когда солнце говорит им оставаться в покое, а прогревающаяся почва говорит обратное? Новое исследование Университета Иллинойса даёт ответы.

Просо прутьевидное и спартина, местные многолетние травы, выращиваемые на биомассу, выходят из состояния покоя, когда почва прогревается в течение недели или более, обычно в апреле. При повышении температуры запасённые углеводы в корневищах растений преобразуются в подвижные формы для питания растущих тканей. Если это происходит во время необычно ранней оттепели, новые побеги могут погибнуть, а корневища — истощиться, когда температуры вернутся к норме. У растения может не хватить ресурсов для образования новых побегов поздней весной, что повлияет на урожай биомассы в агрономии или конкурентоспособность в природных сообществах.

Чтобы изучить взаимодействие температуры почвы, длины дня и покоя у этих трав, Д.К. Ли и его коллеги разработали исследование, чтобы «обмануть» растения.

«Мы выкапывали растения в поле и переносили их в тёплые теплицы в Иллинойсе и Южной Дакоте каждый месяц с октября по март, — говорит Ли, агроном из Департамента растениеводства Университета Иллинойса. — Освещение было только естественным, поэтому растения должны были реагировать на окружающий фотопериод, или длину дня».

Тёплые температуры побудили растения начать рост, но некоторые из них были сбиты с толку короткими днями после появления. «Растения, собранные с октября по январь, просыпались, а затем, "стоп!" Дни были намного короче, чем обычно, когда они просыпаются. Особенно в октябре, ноябре и декабре длина дня продолжает уменьшаться. Она слишком короткая. Растения считают это странным», — объясняет Ли.

Настолько странным, что растения снова впали в своего рода покой. Новые побеги проса прутьевидного перестали расти, но оставались зелёными и живыми; исследователи назвали это стагнацией. Но новые побеги спартины полностью отмерли. «Спартина снова заснула, — говорит Ли. — Сигнал температуры для выхода из покоя был переопределён сигналом длины дня».

Ли отмечает, что первоначальной целью исследования был сбор информации для селекции. «Часто мы пытаемся скрещивать два разных популяции с разным временем цветения, — говорит он. — Мы искусственно пытаемся контролировать и синхронизировать цветение, изменяя длину дня. Здесь мы не меняли длину дня, но всё равно хотели посмотреть, что произойдёт с цветением». Растениям позволили продолжить цикл роста до цветения. В основном цветение происходило в обычное время, так как оно контролируется скорее длиной дня, чем температурой.

Независимо от первоначальной цели, Ли возвращается к тому, что его результаты говорят о потенциальных последствиях изменения климата для многолетних растений. «Мы думаем об изменении климата как о медленном и устойчивом процессе; возможно, эволюция могла бы успевать за таким темпом. Но мы наблюдаем экстремальные и внезапные колебания температуры. Вот что нас беспокоит», — говорит он.

Если многолетние растения выходят из покоя во время ранней оттепели, а затем попадают под поздние заморозки, как это произошло в Иллинойсе в 2012 году, урожай за этот год может быть потерян. Даже несмотря на известную холодостойкость спартины, если короткие дни заставляют её вернуться в состояние покоя после появления побегов, урожайность всё равно может снизиться.

Это лишь агрономические проблемы. Ли подчёркивает, что колебания температуры могут иметь серьёзные последствия для многолетних растений в естественных экосистемах. «Что произойдёт, если все многолетники погибнут или произведут меньше биомассы в один год из-за раннего тёплого периода? Захватят ли территорию агрессивные однолетние сорняки? Сообщество многолетних растений может получить удар».

Неизвестность — вот почему Ли планирует продолжать изучение реакции многолетних растений на длину дня и температуру. «Мы до сих пор не знаем, что происходит с запасами углеводов, когда эти растения только начинают выходить из покоя. Даже до того, как мы увидим побеги, они метаболизируют и мобилизуют углеводы. Это процесс с большим потреблением энергии, и нам нужно узнать больше, чтобы предсказать, как они справятся с сигналами температуры и длины дня», — говорит Ли.

Статья «Рост и развитие двух многолетних трав в условиях естественного освещения в течение их естественного периода покоя» опубликована в журнале Crop Science.