Семена не по сезону: Новая модель объясняет взаимодействие стадий жизненного цикла растения

Исследователи создали модель, учитывающую взаимодействие разных стадий жизненного цикла растения. В отличие от предыдущих работ, изучавших семенную, вегетативную и репродуктивную фазы по отдельности, учёные из рабочей группы Национального центра синтеза эволюции (NESCent) попытались понять взаимосвязь между стадиями в ответ на факторы среды и генетику.

«Большинство исследований сосредоточено на понимании каждого из этих процессов независимо», — говорит ведущий автор, аспирант Университета Дьюка Лиана Бургхардт. «Мы создаём основу для понимания того, как они связаны друг с другом».

Результаты показывают, что когда факторы окружающей среды изменяют время наступления одной стадии жизненного цикла, продолжительность последующих стадий также корректируется. Изменение климата повлияло на продолжительность вегетационных периодов по всему миру, и лучшее понимание факторов, влияющих на жизненные стадии в целом, может оказаться особенно ценным. Статья появится в февральском номере The American Naturalist и уже доступна онлайн.

«Многие организмы очень гибко реагируют на окружающую среду», — говорит Бургхардт. «То, как эти признаки связаны друг с другом в сезонных условиях, может быть очень общим, но точные детали будут зависеть от систем регуляции времени, которые развились у каждого организма».

Чтобы учесть и факторы среды, и генетические факторы в комплексе, Бургхардт и её соавторы смоделировали жизненные циклы в четырёх различных локациях в пределах ареала сорного растения Arabidopsis thaliana. A. thaliana часто следует классическому зимне-однолетнему циклу, когда семена прорастают осенью, а цветение происходит весной, но она также может прорастать и цвести в другие сезоны, продлевая различные жизненные стадии. Эта способность делает её идеальным видом для изучения взаимодействия стадий жизненного цикла.

Исследователи также манипулировали генетическими факторами, а именно покоя семян и репрессией цветения, и обнаружили, что более высокий уровень этих признаков задерживает прорастание и цветение соответственно.

«Признаки прорастания действительно оказывали большее влияние, чем признаки цветения, на наблюдаемый жизненный цикл и на то, увидите ли вы несколько поколений в году», — говорит Бургхардт. «Несколько поколений могут быть очень выгодны в некоторых средах, потому что можно получить больше репродуктивных фаз».

Хотя репрессия цветения меньше влияла на количество завершённых поколений, этот признак мог нацеливать цветение на определённое время в течение вегетационного сезона. Предыдущие исследования показали, что прорастание варьирует в пределах ареала A. thaliana: более замедленное на юге и быстрое на севере. Исследователи обнаружили, что эти генетические паттерны приводят к последовательному годовому жизненному циклу по всему географическому ареалу A. thaliana.

Бургхардт сравнивает то, как растение регулирует свой жизненный цикл, с тем, как сотрудник управляет своим временем в течение рабочего дня: одна задача должна быть завершена до начала другой, и время, затраченное на один пункт, повлияет на все последующие задачи. Подобно тому, как сотрудник стремится выполнить свои обязанности в течение восьмичасового рабочего дня amid shifting priorities and unexpected challenges, A. thaliana эволюционировала, чтобы поддерживать годовой жизненный цикл, несмотря на изменения в окружающей среде.

«Следующий большой шаг — включить в модель выживаемость и производство потомства», — говорит Бургхардт. «Сейчас мы просто моделируем, когда растения будут что-то делать, но главный вопрос — как эти предсказанные жизненные циклы соотносятся с приспособленностью. Если семя прорастёт не в то время года, и среда станет очень сухой, оно может погибнуть, не оставив потомства».

С дополнительной информацией эта модель может иметь значение не только для этого вида. Более глубокое понимание жизненных циклов растений может потенциально улучшить урожайность сельскохозяйственных культур и усилия по сохранению биоразнообразия в условиях меняющегося климата.