Как растения адаптируются к росту жары и засухи?

Пустыни — относительно молодые биомы, которые значительно расширились за последние 30 миллионов лет. Обширные аридные регионы, подобные тем, что сегодня покрывают запад Северной Америки, начали формироваться лишь 5–7 миллионов лет назад. Понимание того, как растения, заселившие эти суровые биомы, смогли выжить, может помочь спрогнозировать будущее экосистем в более засушливых условиях.

Исследование группы растений-первопроходцев — скальных маргариток (триба Perityleae), которые миллионы лет назад заселили формирующиеся пустыни, показало, что они не были беззащитны перед жарой, палящим солнцем и нехваткой воды. Их адаптации к таким стрессам развились ещё во время жизни на сухих, открытых скальных выходах в пределах более влажных регионов и даже тропических лесов. Это облегчило им вторжение в расширяющиеся аридные зоны.

Исследование, проведённое Исааком Лихтером-Марком и Брюсом Болдуином из Калифорнийского университета в Беркли, опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Оно впервые предоставило доказательства для разрешения давних эволюционных споров: адаптировались ли типичные пустынные растения (кактусы, агавы) к засушливым условиям уже после вторжения в пустыни или же они были преадаптированы к стрессам пустынной жизни?

Этот вопрос актуален сегодня, поскольку усиление аридизации из-за изменения климата требует от растений адаптироваться гораздо быстрее, чем в прошлом. Уже около одной пятой поверхности суши Земли — это пустыни. Если адаптация к аридным условиям была возможна только для растений, уже эволюционировавших для противостояния таким стрессам, то многим современным растениям может не хватить генетического «инструментария» для выживания.

«Если думать об аридизации только как о стимуле для эволюции растений, то можно сказать, что эти растения — выжившие, они адаптируются и будут в порядке. Но история скальных маргариток говорит о том, что когда пустыни возникли, преуспели те растения, у которых уже были необходимые преадаптации. Добавление новой аридизации в систему не обязательно означает ускорение адаптивной эволюции. Источник линий, способных воспользоваться новыми уровнями засушливости, ограничен», — пояснил Исаак Лихтер-Марк.

Семь лет в пустыне

Растения на скальных выходах сталкиваются со многими теми же проблемами, что и в пустыне: воздействие УФ-излучения, ветра, иссушающих условий, жары, мороза и травоядных животных. Способы адаптации включают:

• Специализированную морфологию корней для закрепления на скалах.
• Мелкие листья или листья с плотным опушением, защищающим от засухи и солнечного света.
• Повышенную химическую защиту от травоядных.

Для своего исследования Лихтер-Марк собрал сотни образцов скальных маргариток (73 из 84 признанных видов) в пустынях Северной Америки, секвенировал их ДНК и каталогизировал жизненные истории. Сравнение с ископаемыми образцами позволило построить временную шкалу эволюции признаков и перехода линии в пустыни.

Вывод: большинство скальных маргариток, в частности род Laphamia (первый, переселившийся в пустыни), адаптировались к стрессу жары, засухи, ветра и солнца ещё благодаря жизни на скалах до вторжения в пустыни.

«Это чёткая эмпирическая демонстрация первоначальной гипотезы Аксельрода: группа пустынных растений возникла в сухих микроклиматах до широкого распространения пустынных местообитаний. Стратегии засухоустойчивости, характерные для пустынной растительности, могли эволюционировать гораздо раньше в связи с более древними и стабильными сухими микроклиматами, такими как скальные выходы в тропиках», — отметил Лихтер-Марк.

Преадаптация может быть ключом к успеху многих пустынных растений, включая кактусы. Исследование также подчёркивает важность сохранения узкоспециализированных видов, которые могут казаться незначительными.

«Специализированные организмы с узким ареалом часто считаются уязвимыми линиями. Но эта группа экологических специалистов, растущих на разбросанных скалах в тропиках, дала начало крупной радиации в пустыне. Это показывает, что специалисты могут быть важными источниками инноваций в эволюции», — заключил исследователь.