Защита растений: тайна становится глубже

Новое исследование приблизило нас к пониманию сложных причин, по которым одни виды растений побеждают других в конкурентной борьбе.

Эксперимент показал, что взаимодействие между количеством кремния в почве и наличием травоядных животных может сильно влиять на исход этой борьбы. Однако выяснилось, что эта взаимосвязь гораздо сложнее, чем считалось ранее.

Кремний важен для некоторых растений: они поглощают его из почвы и откладывают в листьях, делая их жёстче и менее привлекательными для травоядных. Исследователи обнаружили, что при росте в почве, бедной кремнием, вид травы, который обычно становится жёстким и трудноперевариваемым благодаря кремнию, страдает от травоядных больше, чем его более мягкий конкурент. Однако получив доступ к кремнию, он возвращает себе доминирующее положение.

Это само по себе не было сенсацией. Но учёные с удивлением обнаружили, что при наличии кремния в почве, более мягкая трава накапливает его в листьях даже больше, чем её жёсткий родственник, — но это, похоже, не даёт ей существенной защиты от поедания.

«Наши результаты оказались немного неожиданными... Оказалось, что их реакция на разные условия очень сложна», — говорит профессор Сью Хартли, соавтор статьи в Annals of Botany. — «Но в целом мы определённо видим, что присутствие травоядных и доступность почвенного кремния влияют на конкурентный успех этих растений».

Многие травы используют кремний для защиты. Поглотив его, они превращают элемент в микроскопические гранулы — фитолиты, которые хранятся в листьях. Фитолиты делают листья жёстче, труднее перевариваются и стачивают зубы животных, заставляя травоядных (от саранчи и полёвок до овец) искать другую пищу.

Однако эта защита имеет свою цену. Поглощение кремния и создание фитолитов требует энергии, которую растение могло бы направить на рост и размножение. Теория гласит, что если травоядные рядом, такие инвестиции оправданы, но если их нет — сильно защищённые растения окажутся в невыгодном положении. Экспериментально это до сих пор почти не подтверждалось.

Учёные исследовали экологические затраты и выгоды кремниевой защиты. Они выращивали два вида трав в разных условиях: по отдельности и вместе, с добавлением кремния в почву и без, а также в присутствии травоядных (пустынной саранчи) и без них. Через шесть месяцев измеряли биомассу растений.

• Poa annua — недолговечная, относительно мягкая трава, растущая на нарушенных почвах. Считается, что она пассивно накапливает мало кремния, и её механизмы не реагируют на изменения среды.
• Lolium perenne — более жёсткий многолетний конкурент в устоявшихся травяных сообществах. Обычно активно поглощает много кремния для защиты, особенно после атаки травоядных, используя специальные транспортные системы в корнях — энергозатратный процесс.

На первый взгляд, результаты были ожидаемыми:

• При наличии травоядных добавка кремния делала Lolium ещё более конкурентоспособным, так как саранча переключалась с него на Poa.
• В отсутствие травоядных добавка кремния шла на пользу Poa, а доминирование Lolium снижалось.

Это соответствует идее, что активное поглощение кремния имеет свою цену для Lolium и становится ненужной тратой, если травоядных нет.

Однако команда обнаружила неожиданный поворот: добавка кремния увеличила его концентрацию в листьях обоих видов более чем на 400%, причём у Poa она оказалась даже немного выше, чем у Lolium. Ранее не считалось, что Poa способна так dramatically увеличивать поглощение кремния. И если Lolium после этого почти не страдал от травоядных, то Poa не получила существенной защиты и продолжала терять больше биомассы от саранчи.

Но если Poa накапливает даже больше кремния, почему это не отпугивает саранчу? «Возможно, два вида создают разные типы фитолитов, — предполагает Хартли. — Мы не знаем точно, что эти растения делают с поглощённым кремнием. Вполне может быть, что Lolium создаёт гораздо более грубые и острые фитолиты, чем Poa, которые сильнее истирают и лучше отпугивают травоядных».

Её группа сейчас изучает разные формы фитолитов у разных растений. «Некоторые виды трав оказываются гораздо жёстче и абразивнее, чем можно предположить, глядя только на концентрацию кремния в их листьях», — объясняет она. — «Защита Poa от травоядных явно не так эффективна, как у Lolium, когда кремния в почве много. Однако когда кремний заканчивается, вкусовые качества видов и конкурентный баланс между ними могут измениться. Так что растения ведут сложную и постоянно меняющуюся битву со своими соседями!»