Вредители и защита растений от них — движущая сила разнообразия тропических лесов
Учёные уже более века пытаются понять причину огромного разнообразия тропических лесов: на площади в два футбольных поля могут сосуществовать 650 видов деревьев, причём родственные виды почти никогда не растут рядом. Похоже, выгодно отличаться от соседей, но почему?
Жизнь в тропическом лесу — это постоянная борьба. Растения конкурируют за ресурсы (солнечный свет, воду, минералы) и защищаются от травоядных вредителей. Родственные деревья используют сходные способы добычи ресурсов и страдают от одних и тех же вредителей и болезней. Учёные задавались вопросом: что является главным драйвером разнообразия — конкуренция за ресурсы или вредители?
Впервые биологи из Университета Юты сравнили оба механизма в одном исследовании. Они проанализировали, как соседние деревья влияют на рост и выживание девяти сосуществующих видов деревьев рода Inga в панамском лесу. Команда изучила признаки, связанные с добычей ресурсов, защитой от травоядных, а также самих вредителей.
Результаты: Соседние деревья были практически одинаковы по признакам добычи ресурсов, но сильно различались по защитным механизмам и набору вредителей. Именно защитные признаки и общие вредители влияли на рост и выживание саженцев, в то время как признаки добычи ресурсов не оказывали никакого эффекта. Это означает, что любые факторы, влияющие на популяции вредителей (например, изменение климата или фрагментация среды), повлияют и на здоровье леса.
«Работа в этих сверхразнообразных лесах ясно показывает, насколько сложна сеть взаимодействующих видов. Ни один вид не живёт в изоляции. Все уровни пищевой цепи конкурируют за ресурсы и тратят огромное количество энергии на защиту от врагов», — говорит Дейл Форристёр, ведущий автор исследования.
Исследование опубликовано 14 марта 2019 года в журнале Science.
Методы исследования
Анализ проводился в течение пяти лет на участке леса в 50 гектаров на острове Барро-Колорадо в Панаме. Учёные измерили для каждого саженца Inga:
4 признака добычи ресурсов
5 защитных признаков против травоядных
Зафиксировали, какие именно вредители поедают какие растения
Для анализа химической защиты, самого важного оружия растений, использовалась высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC). Поскольку 96% соединений Inga были неизвестны науке, команда разработала новый подход: с помощью масс-спектрометра они определяли химическую структуру каждого соединения и установили, что соединения со сходной структурой, вероятно, одинаково воздействуют на вредителей.
«Метаболомика даёт учёным мощный инструмент для изучения химического разнообразия в природе. Химические вещества — это среда, посредством которой виды взаимодействуют», — пояснил Форристёр.
Чтобы проверить, влияют ли измеряемые признаки на вредителей, исследователи собрали гусениц, поедающих листья Inga, и провели секвенирование их ДНК для классификации. Большинство гусениц оказались новыми для науки. Учёные установили, какие виды растений имеют общие сообщества вредителей.
Выводы и значение
Исследование выявило ключевую роль травоядных вредителей в поддержании разнообразия тропических экосистем. Поскольку родственные растения имеют сходную защиту и, следовательно, общих вредителей, растение, отличающееся от соседей по защитным признакам, избегает атак «чужих» вредителей.
«Люди думают о джунглях как о гигантском салатнике. Это должен быть рай для вредителей. Но половина веса молодого листа — это яд. У растений бесконечное число комбинаций защиты», — говорит Филлис Коли, соавтор исследования.
Потеря популяций вредителей из-за изменений климата (например, увеличения продолжительности сухого сезона) или разрушения среды обитания может иметь катастрофические последствия для этих важных экосистем.