Острова в небе: насколько изолированы популяции растений на горных вершинах?
Действуют ли горные вершины как «небесные острова» для видов, обитающих на больших высотах? Изолированы ли популяции растений на этих вершинах друг от друга из-за барьерной роли долин, или опылители могут выступать в роли мостов, позволяя генам перемещаться между удалёнными популяциями?
Доктор Андреа Крамер и её коллеги из Чикагского ботанического сада и Университета Иллинойса в Чикаго исследовали этот вопрос на примере рода растений Penstemon (Подорожниковые), эндемичного для региона Большого Бассейна на западе США. Результаты опубликованы в январском номере American Journal of Botany.
Поток генетического материала между популяциями поддерживает целостность вида. У растений, если популяции разделены ландшафтным барьером, непроходимым для пыльцы или семян, они со временем начнут различаться из-за мутаций или генетического дрейфа. Однако фрагментация среды обитания и расстояние не всегда являются барьерами — это зависит от вида и способов распространения.
«Эти вопросы становятся всё более важными в таких регионах, как Большой Бассейн, в контексте изменения климата и его влияния на местные растительные сообщества и зависящую от них дикую природу, — отмечает Крамер. — Большая часть видового разнообразия региона сосредоточена на горных вершинах, и по мере того, как потепление климата вынуждает виды подниматься выше, расстояние между популяциями увеличивается, а от опылителей требуется преодолевать засушливые долины между ними».
Дизайн исследования
Учёные выбрали три вида Penstemon со сходными способами расселения: их семена распространяются под действием гравитации и вряд ли перемещаются далеко. Следовательно, любой дальний перенос генов должен осуществляться в основном за счёт перемещения пыльцы. Ключевое различие между видами — в опылителях:
- Penstemon deustus и P. pachyphyllus опыляются в основном пчёлами.
- P. rostriflorus опыляется в основном колибри.
Для каждого вида были взяты образцы из 6–8 популяций на 4–6 горных хребтах. Учёные выделили геномную ДНК из тканей листьев, использовали молекулярные аналитические инструменты для идентификации до 8 полиморфных микросателлитных локусов и на основе этих данных определили закономерности генетического разнообразия внутри популяций и между удалёнными популяциями на разных горных вершинах.
Результаты: пчёлы против колибри
Были обнаружены интересные различия между опыляемыми пчёлами и птицами видами:
- У двух видов, опыляемых пчёлами, выявлены чёткие генетические кластеры для каждого горного хребта, с незначительным или нулевым смешением между хребтами.
- У вида, опыляемого колибри, генетическая структура на всех исследованных хребтах была выражена гораздо слабее.
Таким образом, колибри оказались эффективнее в преодолении больших расстояний и опылении цветов на разных горах. Пчёлы либо не пересекают засушливые долины, либо, если пересекают, могут быть неэффективны в переносе пыльцы на такие расстояния. Дополнительный анализ показал, что колибри могут посещать популяции, удалённые на 19 км в пределах одного хребта и на более чем 100 км на разных хребтах.
Значение и применение
- Эволюционные последствия: Опыление колибри независимо возникало у Penstemon как минимум 10, а возможно, и до 20 раз, но обратный переход к опылению пчёлами никогда не фиксировался. Результаты исследования объясняют это: больший поток генов между удалёнными популяциями у птицеопыляемых растений создаёт высокую связность. Любые локальные изменения, вызванные присутствием пчёл, нивелируются потоком генов, осуществляемым птицами, что ограничивает локальные адаптации и предотвращает возврат к более ограниченному синдрому пчелоопыления.
- Восстановление экосистем: «Бюро землепользования США работает над увеличением видового разнообразия и успеха крупномасштабных восстановительных работ на общественных землях, — отмечает Крамер. — Результаты этого исследования будут использованы для разработки зон переноса семян для Penstemon и подобных видов, опыляемых животными».
Следующим шагом команды станет выяснение, соответствуют ли выявленные закономерности в нейтральном генетическом разнообразии аналогичным закономерностям в адаптивном генетическом разнообразии.