Богатство видов орхидей — заслуга трудолюбивых пчел и полезных грибов

Ученые выяснили, почему орхидеи являются одной из самых успешных групп цветковых растений. Все дело в их взаимоотношениях с опыляющими их пчелами и питающими их грибами. Исследование, опубликованное в American Naturalist, стало кульминацией десятилетнего проекта в Южной Африке с участием ученых из Имперского колледжа Лондона, Королевских ботанических садов Кью и других международных институтов.

Семейство орхидных — одно из крупнейших среди цветковых растений, насчитывающее более 22 000 видов по всему миру. Исследование показывает, что такое огромное разнообразие видов связано с высокой адаптивностью орхидей: разные виды могут взаимодействовать с пчелами и другими опылителями различными способами.

Например, когда орхидеи Pterygodium pentherianum и Pterygodium schelpei растут бок о бок, P. pentherianum помещает свою пыльцу на передние лапки пчелы, а P. schelpei — на ее брюшко. Это позволяет одной пчеле переносить пыльцу двух разных видов, не смешивая ее.

Исследование также демонстрирует, как орхидеи могут сосуществовать гармонично: разные виды вступают в партнерство с разными микроскопическими грибами в почве, что позволяет им избегать конкуренции друг с другом.

До этого исследования было известно, что орхидеи тесно взаимодействуют с пчелами (которые опыляют цветы в обмен на нектар или масла) и с грибами (которые поставляют минералы к корням в обмен на сахара). Эти отношения — одни из лучших примеров системы «взаимной выгоды» в природе, и считается, что они сыграли важную роль в эволюционном разнообразии орхидей. Однако механизмы, с помощью которых эти отношения влияют на количество видов растений и их способность сосуществовать, оставались неясными.

Профессор Тим Барраклоу из Имперского колледжа Лондона возглавил международную группу ученых, изучавшую влияние этих взаимодействий на разнообразие орхидей. «Орхидеи чрезвычайно разнообразны по всему миру, особенно в Южной Африке, где они значительно диверсифицировались. Мы хотели выяснить, как множество видов могут существовать без конкуренции», — сказал он.

Группа изучила 52 вида орхидей в небольшом регионе Южной Африки, которые выделяют масло внутри цветков. Его собирают пчелы-самки для кормления личинок. Чтобы определить, какие пчелы опыляют разные виды, ученые собрали пыльцу орхидей с пчел для анализа ДНК. Они обнаружили, что когда орхидея перемещалась в новый географический район, она адаптировалась к другому виду пчел-опылителей. При этом некоторые конкурирующие виды орхидей смогли адаптироваться, размещая пыльцу на разных частях тела одной и той же пчелы.

«Удивительно, что разнообразие у этих орхидей генерируется не только за счет переключения между разными пчелами, но и за счет переключения между разными частями тела одной пчелы. Так, два близкородственных вида орхидей могут размещать пыльцу на разных сегментах передней лапки одной пчелы», — добавил профессор Барраклоу. — «Это дало нам фундаментальное понимание того, как может возникать так много новых видов и как они могут сосуществовать, не обмениваясь генами».

Исследователи также изучили микроскопические грибы, живущие на корнях орхидей, чтобы понять, как эти отношения влияют на разнообразие растений. Большинство цветковых растений содержат в корнях микроскопические грибы, которые помогают усваивать питательные вещества из почвы. До сих пор изучать это взаимодействие было сложно, так как большинство грибов относятся к видам, которые трудно культивировать. Исследователи преодолели эту проблему, сочетая молекулярную технику «ДНК-штрихкодирования» с полевыми экспериментами. В отличие от пчел, где совместно произрастающие виды орхидей обычно делят одного опылителя, растениям для сосуществования в одном регионе необходимо было использовать разных грибковых партнеров.

«Используя разные виды грибов, разные виды растений получают доступ к разным пулам питательных веществ. Таким образом решается проблема совместного проживания без конкуренции за одни и те же ресурсы», — пояснил профессор Барраклоу. Однако одни и те же грибковые партнеры встречаются в разных географических районах, поэтому виды орхидей, возникшие в разных районах (благодаря адаптации к разным опылителям), как правило, продолжают использовать одних и тех же грибов.

Полевые работы команды показывают, что сдвиги в признаках, связанных с опылением, были важны для возникновения новых видов и обеспечения их сосуществования в разнообразной группе орхидей. В то время как смена грибкового партнера была важна для сосуществования, но не для видообразования. Многие другие группы цветковых растений вступают в аналогичные отношения с опылителями и грибами. Как происхождение, так и дальнейшее выживание этого разнообразия могут критически зависеть от понимания этих отношений.

Доктор Ричард Уотерман (ныне работающий в Университете Шеффилда), проводивший это исследование в рамках своей PhD в Имперском колледже Лондона и Королевских ботанических садах Кью, прокомментировал следующие шаги ученых: «Нам нужно лучше понять эти отношения, если мы хотим прогнозировать и противодействовать последствиям всемирного сокращения численности опылителей и ухудшения качества почвы».