Как растения эволюционировали, чтобы переживать холод

Исследователи построили крупнейшее датированное эволюционное древо растений, чтобы показать, в каком порядке цветковые растения развили специфические стратегии (например, сезонное сбрасывание листьев) для расселения в регионах с холодными зимами. Результаты, полученные в том числе профессором Университета Миннесоты Питером Райхом, опубликованы 22 декабря в журнале Nature.

Считается, что ранние цветковые растения были древесными (как клёны) и ограничивались тёплыми влажными тропиками. Однако они смогли закрепиться в более холодных климатах с заморозками. Как им это удалось, долгое время оставалось загадкой.

"Замерзание — это вызов для растений. Их живые ткани могут быть повреждены. Их водопроводящие пути могут блокироваться пузырьками воздуха при замерзании и оттаивании воды", — пояснила ведущий автор Эми Занн.

Команда из более чем 25 учёных выявила три повторяющихся эволюционных сдвига, которые позволили растениям бороться с холодом:

• Сезонное сбрасывание листьев — отключение путей, по которым вода движется между корнями и листьями.
• Узкие водопроводящие пути — позволяют сохранять листья (как у сосен зимой), снижая риск образования воздушных пузырьков (чем шире пути, тем выше риск).
• Избегание холодного сезона как травы — потеря надземных стеблей и листьев и отступление в виде семян или подземных запасающих органов (как у тюльпанов или томатов).

Исследователи также определили последовательность событий. Чаще всего древесные растения становились травами или развивали узкие водопроводящие пути до попадания в зоны заморозков. Напротив, сбрасывание листьев обычно начиналось после такого расселения.

Для этого анализа команда создала две масштабные базы данных:

1. Базу данных 49 064 видов с информацией о типе стебля, сбрасывании листьев, ширине водопроводящих путей и подверженности заморозкам.
2. Беспрецедентное датированное эволюционное древо с 32 223 видами растений, позволившее смоделировать эволюцию признаков и климатического окружения. Это "дерево времени" — наиболее полная картина эволюционной истории цветковых растений.

"Наше исследование даёт понимание того, когда, как и почему эволюционировали признаки видов растений и происходило их расселение по планете", — отметила Занн.

В будущем эти данные помогут строить более точные модели реакции растительности на изменение климата. В долгосрочной перспективе понимание эволюционных путей может помочь в селекции растений на холодоустойчивость.

Данные и инструменты исследования будут доступны другим учёным через Dryad. Работа поддержана Национальным центром синтеза эволюции, Национальным научным фондом (грант EF-0905606) и Исследовательским центром Genes to Geoscience Университета Маккуори (Австралия).