Функциональные различия внутри вида обеспечивают его выживание и повышают продуктивность всей экосистемы

Современное, ориентированное на технику сельское хозяйство доминируют монокультуры. Один сорт — один генотип вида сельскохозяйственной культуры — возделывается на больших площадях. Предпочтительные сорта оптимизированы для высоких урожаев и часто содержат мало естественных защитных соединений растений. К сожалению, эти обширные монокультуры идентичных растений могут превратиться в экологическую пустыню и нанести постоянный ущерб экосистеме, особенно в сочетании с сплошным внесением удобрений и пестицидов. Ученые из Института химической экологии Макса Планка в Йене, Германия, показали в полевых экспериментах с растениями Nicotiana attenuata, что достаточно изменить экспрессию определенных защитных генов у отдельных растений, чтобы защитить всю популяцию и изменить разнообразие экосистемы в целом. (eLife, апрель 2015)

Термин «биоразнообразие» часто используется как синоним видового разнообразия. Однако это не совсем верно, поскольку помимо разнообразия различных видов растений и животных этот термин также включает вариации внутри одного вида. То, насколько хорошо развивается растение, как оно адаптируется к окружающей среде или справляется с климатическими условиями и естественными врагами, зависит от его генов. Что делает конкретный ген в растении, в свою очередь, зависит от того, где и как живет растение: изолированно, в плотных популяциях, в центре или на окраине популяции, в какой среде. Если учесть, что растения могут иметь около 30 000 генов, которые могут экспрессироваться по-разному в зависимости от времени, места или других меняющихся условий, становится ясно, что только в результате вариабельной экспрессии генов возможны бесчисленные комбинации, даже в пределах одного вида.

Исследовательская группа «Экологические функции вторичных метаболитов растений» под руководством Мередит Шуман, связанная с Немецким центром интегративных исследований биоразнообразия (iDiv) Галле-Йена-Лейпциг, изучает разнообразие этих комбинаций у функционально различных, но генетически почти идентичных растений. Исследователи используют табачное растение Nicotiana attenuata. Этот вид дикого табака, также называемый койот-табаком, использует удивительно разнообразные и сложные защитные механизмы для отпугивания травоядных. Большая часть его генома уже секвенирована.

Для своих экспериментов Мередит Шуман и ее коллеги использовали табачные растения, у которых была изменена экспрессия определенных защитных генов, а именно LOX2, LOX3 и TPS10. Эти три гена опосредуют важные прямые (LOX3) и косвенные защиты (LOX2, LOX3 и TPS10). Подавляя или сверхэкспрессируя эти гены в различных комбинациях, ученые получили растения, которые были генетически идентичны, за исключением манипуляций с этими конкретными генами, и значительно различались по важной экологической функции: способности защищаться.

Косвенные защиты табачных растений включают летучие вещества, которые функционируют как сигнальные молекулы, информируя хищников о присутствии травоядных. Хищники могут тогда легче найти свою добычу, а растения — избавиться от врагов. Эти молекулы запаха могут преодолевать большие расстояния, поэтому вся окрестность может получить выгоду от привлеченных хищников, даже если только одно растение производит летучие вещества. «Вариации в отдельных генах растений могут иметь большие последствия для целых популяций растений, когда эти гены сами по себе имеют важные экологические функции», — объясняет Мередит Шуман.

Вместе с растениями дикого типа табачные растения с измененной экспрессией трех защитных генов были высажены небольшими популяциями в их естественной среде обитания в пустыне Большого Бассейна в Юте, США, где за ними наблюдали в течение определенного периода. Исследователи обнаружили, что популяции травоядных и их естественных врагов менялись в окрестностях и на растениях в зависимости от комбинации функционально разнообразных растений. Однако изменения часто наблюдались во всей популяции, а не на отдельных растениях.

Одно из наблюдений ученых стало настоящим сюрпризом: вблизи растений, экспрессирующих TPS10, которые производят летучее вещество транс-α-бергамотен (TAB), привлекающее хищников, зараженность растений долгоносиком Trichobaris mucorea (чьи личинки живут скрыто от хищников внутри стеблей) более чем удвоилась. «Этот результат показывает, как эти информационные молекулы могут быть обоюдоострым мечом», — говорит Ян Болдуин, директор департамента молекулярной экологии и пионер экологической генетики. «Они приносят пользу растениям, когда привлекают хищников, но они также являются недостатком, когда запах привлекает травоядных, таких как долгоносик. Вот почему растение выделяет химический крик о помощи только тогда, когда на него нападает травоядное, которое оно хочет уничтожить».

По мнению ученых, функциональное разнообразие, основанное на вариациях в экспрессии генов, можно сравнить с видовым разнообразием в определенных местообитаниях, когда речь идет об экосистемных услугах. «Функциональное разнообразие означает не что иное, как способность различных особей одного вида выполнять разные экологические задачи. Когда все делают одно и то же, это редко лучший способ для вида максимизировать свою способность производить успешных внуков, или, другими словами, свою дарвиновскую приспособленность», — объясняет Ян Болдуин.

Исследователи идут еще дальше, указывая, что их выводы могут быть использованы в современном сельском хозяйстве. «Изменение экспрессии всего нескольких генов у нескольких особей может иметь большой защитный эффект для всего поля», — говорит Мередит Шуман. «Таким образом, мы предлагаем экономически оправданный способ вернуть часть утраченных преимуществ биоразнообразия для обширных территорий, которые уже были преобразованы из естественных, биоразнообразных местообитаний в сельскохозяйственные монокультуры».

По оценкам ООН, нынешнее население мира, превышающее 7,2 миллиарда человек, к концу века достигнет 10 миллиардов, и всех этих людей нужно кормить. Спрос на продовольствие будет постоянно расти вместе с растущим населением. Фундаментальные знания, полученные в результате исследований в области молекулярной экологии растений, могут способствовать более устойчивому использованию сельскохозяйственных земель и лучшей адаптации сельскохозяйственных культур к данным природным условиям.