Стратегии растений против жары помогут выжить в теплеющем климате
По мере того как Австралия переживает аномально жаркое лето, её флора сталкивается не только с экстремальной температурой, но и с её длительным воздействием. Это смертельное сочетание может повредить здоровье и устойчивость растений с потенциально катастрофическими последствиями.
Понимание того, как растения выдерживают тепловой стресс, — ключ к разработке стратегий выживания как для местных видов, так и для сельскохозяйственных культур в условиях потепления, что важно для стабильности экосистем и продовольственной безопасности.
Эколог растений, доцент Энди Ли из Технологического университета Сиднея (UTS), изучала в самых экстремальных условиях мира, как температура влияет на биологические процессы растений и как они выживают и адаптируются.
«Растения играют жизненно важную роль не только в обеспечении пищей и средой обитания, но и в охлаждении окружающей среды и хранении углерода из атмосферы. Даже обширные пустынные регионы Австралии покрыты растительностью, в отличие от некоторых других пустынь мира», — отметила доцент Ли.
«Многие виды растений выработали удивительные стратегии борьбы с волнами жары. Форма, размер и цвет листьев влияют на поглощение тепла. В пустыне и в Альпах листья часто имеют очень бледную восковую или волосистую поверхность, которая отражает избыточное солнечное излучение. Маленькие листья также помогают уменьшить потерю воды и, как правило, остаются более прохладными, чем крупные».
«Однако сочетание засухи и волн жары означает катастрофу. Тепловой стресс нарушает процесс фотосинтеза, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет в энергию, а также сбивает рост, цветение и производство семян», — добавила она.
Исследование под руководством аспирантки UTS Алисии Кук, курируемой доцентом Ли, поставило под сомнение традиционное понимание температурных порогов у растений. Оно показывает, что термоустойчивость растения лучше измерять по совокупному тепловому воздействию, а не по пиковым температурам.
«В пищевой промышленности эта концепция давно используется для предотвращения пищевых отравлений. Чем выше температура, тем меньше времени требуется, чтобы убить вредные бактерии. И наоборот, при более низкой температуре на это уходит больше времени», — пояснила доцент Ли.
«Мы проверили эту идею на растениях, измерив снижение эффективности фотосинтеза в листьях после воздействия высоких температур в течение разного времени».
«Как и у бактерий, и у других организмов, термоустойчивость растений следует аналогичной закономерности, что говорит о фундаментальном метаболическом сходстве всех форм жизни. Это также точнее отражает тип теплового стресса, встречающегося в природе», — сказала она.
На людей также влияет кумулятивное тепловое воздействие: во время продолжительных волн жары увеличивается количество обращений в больницы и смертей. И то, что не убивает, делает сильнее — многие растения и животные акклиматизируются и становятся более термоустойчивыми, если испытывают некоторый тепловой стресс.
Исследование «Beyond a single temperature threshold: Applying a cumulative thermal stress framework to plant heat tolerance» было опубликовано в Ecology Letters.
Доцент Ли недавно вернулась из Национального парка Косцюшко, где работает над совместным проектом при поддержке правительства Нового Южного Уэльса через Environmental Trust с Департаментом по вопросам изменения климата и энергетики NSW, Службой национальных парков и дикой природы NSW (NPWS), Австралийским национальным университетом и Королевским ботаническим садом Сиднея.
«Этот проект изучает находящиеся под угрозой экологические растительные сообщества альпийских сред и то, являются ли разные генетические линии некоторых альпийских видов более устойчивыми, чем другие. Это важно, потому что растения, которые NPWS использует для восстановления эродированных территорий, должны быть устойчивыми».
«По мере потепления холодоустойчивым видам некуда деваться. Они занимают узкую экологическую нишу, и, что интересно, по мере роста температуры это может фактически привести к большему холодовому стрессу, поскольку меньше изолирующего снежного покрова защищает растения».
«Мы используем специальное оборудование для моделирования условий волн жары, применяя его к различным ключевым альпийским видам in situ. Такой эксперимент практически никогда не проводится, поскольку создание условий волн жары для растений в удалённом альпийском регионе невероятно сложно», — отметила она.
Проектом руководит аспирант UTS Лиза Данзи, опубликовавшая исследовательскую статью на эту тему «Environmental and geographical drivers behind alpine plant thermal tolerance and genetic variation» в журнале Plants.
В то время как природная среда имеет тонко настроенные защиты от волн жары, садоводам-любителям часто трудно защитить свои растения от суровых условий. Тепловой стресс может привести к увяданию, ожогам и опадению листьев у садовых растений.
«Если вы знаете, что надвигается волна жары, лучше всего поливать растения у основания, а не по листьям, и делать это очень обильно, а не слегка. Лучшее время — раннее утро или поздний вечер, чтобы почва успела впитать влагу до повышения температуры».
«Когда становится очень жарко, люди потеют, потому что это охлаждает нас. Когда вода испаряется с нашей кожи, она уносит с собой тепло. Растения такие же, у них есть маленькие поры на листьях, называемые устьицами. Если у них достаточно воды, они откроют устьица, и вода будет испаряться».
«Мульчирование для удержания влаги в почве, размещение горшков в тени во время экстремальной жары или использование временных укрытий могут иметь огромное значение. Даже группировка растений вместе может создать микроклимат, который поможет им выжить».
Изучение того, как растения функционируют при экстремальных температурах, необходимо для охраны природы и сельского хозяйства. Понимая, какие виды наиболее уязвимы, мы можем планировать будущее, в котором растения — и люди — продолжат процветать.