Родительский эффект среды: эволюционная демонстрация
Биологи из Тюбингенского университета экспериментально подтвердили существование родительского эффекта среды и показали, как он возникает в процессе эволюции.
Растения способны передавать потомству не только генетические вариации, но и информацию об условиях окружающей среды. Это явление, известное как родительский эффект среды, зависит от климатических условий и плотности популяции, которая влияет на степень конкуренции за ресурсы. Новое исследование экологов растений из Тюбингенского университета подтвердило, что эта способность вносит вклад в адаптацию видов к своей среде. В тепличных и полевых экспериментах учёные впервые показали, что родительский эффект среды может адаптироваться посредством естественного отбора. Исследование также показало, что способность растений готовить потомство к условиям окружающей среды может различаться даже между популяциями внутри одного вида.
Механизм и условия возникновения эффекта
Родительский эффект среды требует, чтобы растения-родители могли предсказывать условия среды для своего потомства и соответствующим образом готовить его. Это в основном выгодно в постоянно меняющихся условиях, например, в засушливых регионах с сильно изменчивым количеством осадков. Команда исследователей из Тюбингена и Хоэнхайма в рамках годичного исследования растений в аридных экосистемах попыталась выяснить, в какой степени предсказуемость будущих условий среды влияет на эволюцию родительского эффекта.
Многие виды могут выжить в таких условиях, только создавая банк семян в почве. «Некоторые семена остаются в состоянии покоя в земле, — говорит ведущий автор исследования доктор Кристиан Лампай. — Если родительское поколение может определить лучшее время для прорастания, это может минимизировать потери в неблагоприятный год».
Подтверждение теоретической модели
В предыдущем исследовании группа эколога растений Катьи Тилбёргер в Тюбингене уже обнаружила, что родительский эффект среды заставляет многие семена прорастать после засушливых лет, и лишь немногие семена остаются в банке. После дождливых лет семена прорастают меньше, и больше семян остаётся в почве. Учёные пришли к выводу, что причиной этого является ожидаемая конкуренция. После дождливого, продуктивного года следует ожидать более высокой плотности популяции, что вызывает большую конкуренцию за ресурсы. Увеличение резерва семян в банке, которые прорастут позже, помогает растениям обеспечить своему потомству благоприятные условия, избегая конкуренции.
В текущем исследовании учёные смогли продемонстрировать эту теоретическую модель родительского эффекта среды. Авторы исследовали два однолетних растения — представителя капустных (Biscutella didyma) и злак (Bromus fasciculatus) — и сравнили степень проявления родительского эффекта среды в четырёх популяциях от северного до южного Израиля, которые подвержены разным климатическим условиям.
Результаты исследования
Их результаты продемонстрировали родительский эффект среды у одного из изученных видов — Biscutella didyma (Капустные). Эффект постепенно усиливался от самой влажной к самой засушливой популяции — чем суше климат, тем больше родители готовили своё потомство к условиям среды. Одновременно усиливалась связь между количеством осадков в предыдущем году и плотностью популяции. Чем лучше можно было предсказать конкуренцию на предстоящий год, тем более выраженным был родительский эффект среды. В годы с высокой плотностью популяции растения в среднем производили меньше семян — это подтверждает предположение, что отсрочка прорастания за счёт сохранения резерва в такие годы является преимуществом.
К большому удивлению авторов, злак не показал ожидаемого родительского эффекта среды. Это вновь подтверждает вывод предыдущих исследований о том, что однолетние растения используют дополнительные стратегии для выживания в изменчивых экосистемах. «Bromus fasciculatus продемонстрировал высокую устойчивость к засушливым условиям. Это может сделать банк семян излишним», — предполагает Лампай.
В то время как предыдущие исследования показывали, что родительские эффекты среды наблюдаются у определённых видов, настоящее исследование демонстрирует, как родительский эффект среды варьирует внутри вида между популяциями — и что эти различия возникли не случайно, а, скорее всего, в результате естественного отбора.