Исследование, опубликованное в воскресенье (22 декабря) в журнале Nature в соавторстве с учеными из Университета Флориды, показывает, что многие покрытосеменные или цветущие растения выработали механизмы, позволяющие справляться с отрицательными температурами, поскольку в доисторические времена они излучались практически в любой климат. Исследователи обнаружили, что растения, вероятно, приобрели многие из этих адаптивных свойств до того, как переместились в более холодные регионы. Исследование также предполагает, что некоторые современные покрытосеменные растения, в том числе большинство цветковых растений, деревьев и сельскохозяйственных культур, могут не обладать чертами, необходимыми для быстрого реагирования на изменение климата, вызванное деятельностью человека, сказала соавтор исследования Пэм Солтис, выдающийся профессор и куратор молекулярной систематики. и эволюционная генетика в Музее Флориды в кампусе UF.«Только некоторые растения смогли приспособиться к условиям, чтобы выжить в холодном климате», — сказал Солтис, который также является членом Института генетики UF.
Фактически, у некоторых были черты, использованные для других целей, которые они использовали для устойчивости к холоду. Результаты имеют значение для реакции растений на изменение климата — некоторые линии растений, в том числе многие сельскохозяйственные культуры, не будут иметь основных генетических атрибутов, которые позволят для быстрого реагирования на изменение климата ».Считается, что рано цветущие растения были древесными — это означает, что они сохраняют выступающий стебель над землей в течение многих лет и при изменении погодных условий, таких как клен, — и ограничиваются теплой, влажной, тропической средой.
Но с тех пор они пустили корни в более холодном климате, доминируя на больших участках земного шара, где происходит замерзание. То, как им удалось это расширение, долгое время беспокоило исследователей, ищущих растения, эквивалентные зимней парке.
«До сих пор у нас не было убедительного рассказа о том, как листья и стебли эволюционировали, чтобы выдерживать низкие температуры», — сказала ведущий автор Эми Занн, доцент биологии Колумбийского колледжа искусств и наук Университета Джорджа Вашингтона, получившая докторскую степень. при ст. «Наше исследование дает нам такую возможность, показывая нам,« когда »,« как »и« почему », лежащие в основе эволюции черт видов растений и их перемещений по земному шару».Занне продолжил: «Замораживание — это проблема для растений. Их живые ткани могут быть повреждены. Это как растение, эквивалентное обморожению.
Их водопроводящие трубы также могут быть заблокированы пузырьками воздуха, поскольку вода замерзает и оттаивает. Так что со временем, если растения переехав в более холодный климат, им пришлось придумать, как обойти эти проблемы ».Выявление эволюционных приспособлений к этим проблемам и вероятных путей к ним потребовало от команды создания двух наборов данных. Исследователи сначала создали базу данных, содержащую 49 064 вида, в которой фиксируется, сохраняет ли каждый стебель над землей с течением времени, теряет или сохраняет свои листья, подвергался ли он замораживанию, а также ширину путей, по которым проходит вода.
Исследователи объединили информацию с датированным эволюционным деревом из 32 223 видов растений и смоделировали эволюцию характеристик видов и климата во времени, что позволило определить порядок эволюционных событий.«Мы можем определить относительный порядок событий без датированного дерева, но датированное дерево позволяет нам точно сказать, когда что-то произошло, чтобы мы могли соотнести события с геологическими событиями, такими как большие изменения температуры Земли», — сказал Солтис.
Используя это «дерево времени», исследователи определили три повторяющихся эволюционных сдвига, которые, по их мнению, совершили цветущие растения, чтобы бороться с холодами. Растения либо сезонно сбрасывают листья, перекрывая пути, по которым вода обычно проходит между корнями и листьями; разработаны более тонкие водопроводящие пути, позволяющие им сохранять листья, снижая при этом риск образования пузырьков воздуха во время замораживания и оттаивания; или вообще избегали холодных сезонов как травы, теряя надземные стебли и листья и отступая как семена, или сохраняя органы под землей, такие как тюльпаны или картофель.«Покрытосеменные не добились успеха, пока не получили адаптацию к опаданию листьев», — сказал соавтор исследования Дуг Солтис, выдающийся профессор Музея Флориды, работавший в отделе биологии UF и Институте генетики UF. «Иногда признак развивается для какой-то другой цели, и тогда организм может адаптироваться и использовать его для чего-то нового».
Исследователи обнаружили, что древесные растения чаще всего становятся травами или развивают более тонкие тропинки, прежде чем перейти в морозный климат, в то время как растения, у которых сбрасываются листья, обычно делают это после перехода в морозный климат. Но изменения не произошли быстро, сказала Пэм Солтис.«Некоторые из этих изменений, вероятно, были не такими простыми, как мы когда-то думали», — сказала она. «Растениям, вероятно, нелегко приспособиться к большим изменениям окружающей среды».
Исследователи планируют использовать полученные данные для изучения других аспектов эволюционной истории растений, включая изучение того, как они реагируют на изменения окружающей среды, помимо отрицательных температур.«Наступление отрицательных температур не повлияло на весь мир, но только в некоторых местах обитания стало холоднее», — сказала Пэм Солтис. "Некоторые линии не могли переместиться в холодную среду, но смогли выжить, не подвергаясь воздействию холода в более теплых районах. Из-за изменения климата, вызванного деятельностью человека, все среды обитания будут затронуты в течение короткого периода времени, а растения и другие организмы будут затронуты. должны быстро адаптироваться, чтобы выжить ».