Разгадка того, как растения эволюционировали, чтобы справляться с холодами

Исследователи обнаружили новые ключи к тому, как развивались растения, чтобы противостоять зимней погоде, пишет портал sciencedaily.com. Команда ученых построила эволюционное древо более, чем 32 000 видов цветковых растений – крупнейшее на сегодняшний день эволюционное древо в масштабе времени. Комбинируя это древо с данными по морозостойкости и данными по листьям и стеблям для тысяч видов, исследователи смогли восстановить, как растения развивались, чтобы справиться с холодами по мере своего распространения по всему миру. Результаты показывают, что многие растения приобрели свойства, которые помогли им процветать в холодном климате - такие, как отмирание до корней зимой - задолго до того, как впервые столкнулись с замораживанием.

Ископаемые свидетельства и реконструкции прошлых климатических условий показывают, что ранние цветущие растения жили в теплых тропических условиях. По мере того, как они распространились на более высоких широтах и высотах, растения эволюционировали таким образом, который помог им справиться с холодными условиями. Растения, которые живут в тундре, например, лапчатка арктическая и камнеломка трехзубчатая, могут выдерживать температуру зимой ниже минус 15 градусов по Цельсию.

В отличие от животных, большинство растений не может двигаться, спасаясь от холодов, или генерировать тепло, чтобы не мерзнуть. Не столько холод создает проблемы для растений, сколько лед. Например, замораживание и оттаивание вызывают появление пузырьков воздуха, формирующихся во внутренней системе водного транспорта растения.

«Подумайте о воздушных пузырьках, которые вы видите замершими в кубиках льда», говорит соавтор исследования, Эми Занн из университета Джорджа Вашингтона. «Если достаточно много таких пузырьков воздуха соберутся вместе при таянии воды, они смогут блокировать поток воды от корней к листьям и убить растение».

Исследователи определили три черты, которые помогают растениям обойти эти проблемы. Некоторые растения, такие как гикори и дубы, избегают повреждений от мороза, сбрасывая свои листья до наступления зимних холодов - эффективно отключая поток воды между корнями и листьями - и продолжают растить новые листья, когда возвращается теплая погода и восстанавливается водный транспорт клеток.

Другие растения, такие как березы и тополя, также защищают себя, имея более узкие клетки водного транспорта, что делает части растения, которые поставляют воду, менее уязвимыми к блокировке во время замораживания и оттаивания. У третьих зимой отмирают наземные части и повторно возрождаются от своих корней, или начинают расти как новые растения из семян, когда наступают хорошие условия.

Чтобы скомпилировать характерные черты растений для своего исследования, ученые провели сотни часов, разбирая и объединяя нескольких больших баз данных по растениям, содержащих десятки тысяч видов. Когда они наложили свои собранные данные по листьям и стеблям на эволюционное древо цветущих растений, то обнаружили, что многие растения были хорошо приспособлены для ледяного климата еще до наступления холодных условий.

Растения, которые отмирают над землей зимой, например, приобрели способность умирать и возвращаться, когда условия улучшатся, задолго до того, как впервые испытали замораживание. Точно так же, виды с узкими клетками водного транспорта приобрели более тонкую систему кровообращения прежде, чем столкнулись с холодным климатом.

Это говорит о том, что некоторые другие нагрузки на окружающую среду - возможно, засуха - заставили эти растения развиваться таким образом, и это отлично сработало также и для терпимости к замораживанию. Единственным исключением стали растения, которые сезонно сбрасывают и заменяют свои листья - эти группы растений не получили способности сбрасывать листья зимой, пока не встретились с замораживанием.

В качестве следующего шага ученые планируют использовать эволюционное древо, чтобы узнать, как растения развивались, чтобы противостоять другим экологическим стрессам – таким, как засухи и жара.