Табак койот Nicotiana attuata растет на юго-западе США. В течение почти 20 лет этот вид дикого растения изучается учеными Департамента молекулярной экологии, возглавляемого Яном Болдуином, Института химической экологии Макса Планка. Многие травоядные животные интересуются нежными зелеными растениями, которые появляются после того, как растительность сгорела в результате пожара, вызванного молнией.
Однако эти растения на удивление хорошо защищены от врагов. Никотин, метаболит растений, мощный нейротоксин, разрушает аппетит у многих голодных травоядных. Чтобы узнать больше о защитных механизмах этих растений и их влиянии на взаимодействие с другими организмами в окружающей их среде, ученые проводят полевые эксперименты с генетически модифицированными растениями, в которых отключены отдельные гены, регулирующие защиту растений. Полевые испытания проводятся в одной из естественных сред обитания табака койотов, в заповеднике Lytle Ranch Preserve на юго-западе штата Юта, США.
В течение полевого сезона 2012 года исследователи заметили, что многие растения Nicotiana attuata были сильно дефолиированы мелкими млекопитающими. Эти животные, в том числе суслики и кролики, обычно очень замкнуты и редко встречаются на полевых участках.
Когда ученые проанализировали поврежденные растения, они обнаружили, что у большинства растений, подвергшихся нападению травоядных млекопитающих, была нарушена способность производить жасмонаты (алленоксидциклаза с инвертированным повторением, растения irAOC). Жасмонаты — это фитогормоны, которые, как известно, регулируют несколько физиологических процессов в растениях, включая защиту от насекомых-травоядных. Напротив, мало было известно об их роли в защите растений от позвоночных.
Поэтому ученые решили исследовать это явление более подробно.Атака млекопитающих оказывает более сильное воздействие на растения, чем нападение насекомых.
Более подробный анализ паттернов повреждений показал, что ущерб этим растениям насекомыми и млекопитающими был больше, чем ущерб растениям дикого типа. Этот результат не был удивительным, поскольку метаболический скрининг показал, что растения irAOC продуцируют значительно меньше защитных веществ, чем контрольные; это особенно верно для уровней никотина в листьях и стеблях. Однако только ущерб, нанесенный млекопитающими, отрицательно сказался на производстве цветов. В отличие от насекомых, млекопитающие предпочитают чистить стебли растений; как следствие, производство цветов и, следовательно, семенного материала нарушается.
Количество семян является мерой репродуктивной способности растения и, следовательно, его приспособленности, а без цветов эта способность теряется. Кроме того, стебель растения — важный транспортный орган для воды и питательных веществ. Поэтому никотин во внешних эпидермальных слоях стебля имеет особое значение для защиты этого жизненно важного органа от нападения травоядных.
Химический состав растений табака влияет на пищевые предпочтения мелких млекопитающихПоскольку травоядные млекопитающие, такие как кролики, предпочитали питаться растениями с дефицитом жасмоната, и эти растения производят меньше никотина, помимо многих других средств защиты, ученые хотели знать, действительно ли содержание никотина в стеблях и листьях может объяснить ущерб, причиненный млекопитающими. . Матиас Эрб, ранее возглавлявший исследовательскую группу в Институте Макса Планка в Йене, а сейчас являющийся профессором Бернского университета, и Рикардо Мачадо, получивший докторскую степень в Йене, а теперь научный постдокторант в Берне, объединились с Марком.
МакКлюр из Университета штата Вашингтон, чтобы разработать тест для кормления горных кроликов с хвостом (Sylvilagus nuttallii), вида мелких кроликов, которые естественным образом питаются растениями Nicotiana attuata. Ученые сделали пищевые гранулы как из сушеных растений табака дикого типа, так и из сушеных растений табака с дефицитом жасмоната и представили эти гранулы кроликам вместе с гранулами из люцерны, их любимого пищевого растения.
В течение 24 часов кролики быстро потребляли гранулы люцерны и дефицит жасмоната. Напротив, количество потребленных гранул дикого типа было почти нулевым. Гипотеза о том, что никотин определяет пищевые предпочтения кроликов, была подтверждена в следующем эксперименте, который показал, что кролики отказывались от гранул с дефицитом жасмоната при добавлении никотина. Ученые были удивлены тем, что кроликов интересовали табачные гранулы не меньше, чем люцерна. «Мы ожидали, что кролики сначала съедят все контрольные гранулы, но вместо этого они чередовали потребление этих гранул с теми, которые содержат растения табака с дефицитом жасмоната.
Это говорит о том, что кроликам нужно было что-то в Nicotiana attuata, но им нужно было разбавить токсины в этих растениях, чтобы получить его », — объясняет Марк МакКлюр.Возобновление интереса к роли млекопитающих в синдромах защиты растений.
Давно известно, что млекопитающие оказывают сильное влияние на выживание растений и состав сообщества. Однако большинство предыдущих исследований экологии и эволюции защитных сил растений, включая исследования роли жасмоната и никотина в Nicotiana attuata, были сосредоточены на насекомых-травоядных. Полевые эксперименты с генетически модифицированными растениями, у которых была нарушена их способность производить жасмонаты, теперь показали, что защитные механизмы растений также могли развиться в результате взаимодействия с травоядными млекопитающими. «Мы были абсолютно поражены, насколько велико негативное влияние травоядных млекопитающих на приспособленность растений, когда растения испытывают дефицит жасмоната», — говорит первый автор Рикардо Мачадо. Табак без жасмоната дает очень мало цветов, когда на них нападают млекопитающие.
«Если мы хотим понять, как развивались защитные механизмы растений и как растения выживают в природе, нам необходимо изучить влияние целых сообществ травоядных, включая насекомых и позвоночных», — резюмирует Эрб, руководитель исследования. Исследователи хотят провести больше экспериментов с использованием млекопитающих в качестве потенциальных травоядных растений табака.
В будущем проекте ученые стремятся выяснить, используют ли мелкие млекопитающие, такие как лесная крыса, никотинсодержащие листья табака в своих гнездах в качестве защиты от паразитов.
