Как некоторые листья стали толстыми: дело в жилках

Обычный лист — это широкая плоская структура, но если сад находится в засушливом месте, в нём наверняка есть суккуленты с мясистыми листьями, полными драгоценной воды. Толстые листья появились в мире растений нелегко. Новое исследование Университета Брауна, опубликованное в Current Biology, показывает, что для поддержания эффективного фотосинтеза им потребовалась фундаментальная перестройка структуры жилок: добавление третьего измерения.

Ведь листья — это фабрики по производству пищи с собственной «водопроводной системой» для транспортировки воды и сахаров. Чем дальше эти жилки находятся от клеток, осуществляющих фотосинтез, тем менее эффективным будет процесс. Исследователи Эрика Эдвардс, профессор Брауновского университета, и её бывший аспирант Мэтт Огберн задались вопросом, как растениям удалось эволюционировать до толстых листьев, учитывая гидравлические проблемы, связанные с увеличением объёма.

Эдвардс предположила, что, возможно, суккуленты среди всех растений могут поддерживать фотосинтез в толстых листьях с редким жилкованием, потому что хранят много воды прямо там, где это нужно. Но она и Огберн обнаружили, что даже суккуленты были ограничены двумерными жилками.

«Должен быть какой-то компромисс в толстом листе, который действительно отличается от большинства плоских листьев, — сказал ведущий автор Огберн, ныне постдок в Йеле. — Есть польза от хранения воды в листе, но за это придётся заплатить с точки зрения других функций листа».

Для своего исследования Огберн и Эдвардс глубоко изучили две группы растений засушливого климата: Portulacineae и Molluginaceae. Они восстановили их эволюционную историю, измерили запасы воды у 83 видов и структуру жилок у 42.

До определённого уровня толщины листья сохраняли плоскую (планарную) структуру жилок, характерную для обычных листьев. Как следствие, их жилкование было более редким, а пути транспорта длиннее — но только до определённого предела. Исследователи обнаружили, что после определённого порога толщины структура жилок эволюционировала, став трёхмерной, отказавшись от однослойного расположения в пользу овальной или круговой ориентации в поперечном сечении.

Тот факт, что 3D-структуры жилок независимо эволюционировали более 10 раз и двумя разными способами всего в двух изученных линиях, указывает, что это не случайность. Похоже, это явно функциональный признак, возникший, чтобы позволить листьям становиться толще.

«Если бы у вас была просто куча видов с 2D-жилками и куча с 3D-жилками, и вы не знали, как они связаны между собой, вы могли бы сказать, что, возможно, 3D-жилкование возникло очень давно и вообще не связано с суккулентностью, — говорит Эдвардс. — Но когда вы можете расположить их на филогенетическом дереве и реконструировать, сколько раз происходил этот переход, — чем чаще вы видите повторяющуюся корреляцию между этими двумя признаками, тем больше у вас оснований утверждать, что это действительно адаптация».

Исследователи заключили, что 2D-расположение жилок, создавая низкую плотность жилок в толстых листьях, вероятно, накладывало жёсткое ограничение на толщину листа. Эволюция 3D-жилок позволила прорваться сквозь эти ограничения.

«Увеличение толщины листа [при планарных жилках] сводит на нет гидравлические преимущества плотного жилкования, — пишут Эдвардс и Огберн в Current Biology. — Это также предсказывает верхний предел толщины листа, который будет определяться минимальной функциональной плотностью жилок… Однако повторяющаяся эволюция 3D-жилкования позволила добиться дальнейшего увеличения суккулентности при сохранении умеренной длины гидравлических путей».

Другими словами, листья стали свободными в своём стремлении быть толстыми — в прямом и переносном смысле, через эволюцию жилок.