Преимущества малого размера для листьев растений

Размер листьев у разных видов растений может отличаться в 1000 раз. Международная команда ученых под руководством биологов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) приблизилась к разгадке этой тайны.

Исследование, финансируемое Национальным научным фондом (NSF), показало, что меньшие по размеру листья структурно и физиологически лучше приспособлены к сухой почве благодаря особенностям своей системы жилок.

Результаты опубликованы в журнале Plant Physiology.

"В засушливых районах, например, в горах Санта-Моника, листья могут быть маленькими. Но в тропическом лесу многие листья огромны", — отмечает Лорен Сак, профессор экологии и эволюционной биологии UCLA.

Эта биогеографическая закономерность — меньшие листья в более сухих районах — хорошо известна в экологии растений, но до сих пор не имела прямого объяснения.

Роль жилкования

Исследователи обнаружили, что у мелких листьев главные жилки расположены ближе друг к другу и имеют большую относительную длину (по сравнению с размером листа), чем у крупных листьев.

Такая избыточность главных жилок защищает лист от последствий эмболии — образования пузырьков воздуха в "водопроводной системе" (ксилеме) во время засухи. Она создает альтернативные маршруты для тока воды в обход заблокированных участков.

"Даже при сильной засухе, вызывающей эмболию в жилках, мелкий лист сохраняет функциональность своей проводящей системы и может продолжать транспортировать воду", — объясняет Сак.

Механизм засухоустойчивости

Растения теряют воду через устьица в процессе транспирации. Чтобы восполнить потери, они создают натяжение (тензию) в системе ксилемы, "вытягивая" воду из почвы. В сухой почве это натяжение возрастает.

"При определенном уровне натяжения в систему затягивается пузырек воздуха, блокирующий поток воды. Один из способов пережить засуху — переносить множество таких эмболий", — говорит Кристин Скоффони, ведущий автор исследования.

Наличие большего количества тесно расположенных главных жилок, образующих резервные пути для воды, как раз и обеспечивает эту способность.

Моделирование и проверка

Совместно с профессором Эрве Кошаром из Университета Клермон-Феррана (Франция) команда создала 3D-модели систем жилкования и смоделировала влияние эмболии на транспорт воды в листьях разного размера.

Было обнаружено ключевое различие между:

• Главными жилками (разветвленный рисунок) — их блокировка сильно влияет на функцию листа, но избыточность таких жилок компенсирует ущерб.
• Вторичными жилками (сетчатый рисунок) — составляют большую часть общей длины жилок.

"Если пузырек воздуха образуется на пути воды, то чем больше альтернативных "магистралей" предлагает система жилок, тем меньше лист пострадает от этих "аварий"", — проводит аналогию Скоффони.

Биологи протестировали различные листья из влажных и сухих районов. Меньшие листья действительно имели более плотно упакованные главные жилки и были более устойчивы к эффектам эмболии в них, лучше поддерживая транспорт воды даже при экстремальном высыхании.

Значение открытия

Ранее доминирующая теория связывала малый размер листьев в засушливых районах лишь с необходимостью более эффективного охлаждения. Новое исследование предлагает прямое объяснение, основанное на архитектуре жилок и устойчивости к эмболии, которое работает даже при одинаковой температуре.

Это открытие новой роли жилкования и размера листа в засухоустойчивости может стимулировать дальнейшие исследования разнообразия растений и их адаптации к среде.