Частичные микогетеротрофы: Зелёные растения, которые питаются грибами

Основной урок биологии гласит: растения — автотрофы. Они используют солнечную энергию, воду и CO₂ для создания пищи в процессе фотосинтеза, образуя основу пищевых цепей.

Однако конкуренция за ресурсы (вода, свет, питательные вещества) среди растений жестока. Будучи неподвижными, они выработали уникальные адаптации, одна из которых — микогетеротрофия, или «питание грибами».

Большинство наземных растений образуют взаимовыгодный симбиоз с микоризными грибами, обитающими на корнях. Но некоторые растения «обманывают» эту систему. Они не предоставляют грибам углеводов от фотосинтеза взамен. Вместо этого микогетеротрофные растения получают от грибов-партнёров как углеводы, так и другие питательные вещества, избегая конкуренции с соседями.

Трёхсторонняя сеть

Часто такие растения связаны с грибами, которые также сотрудничают с окружающими деревьями. Таким образом, исходным источником углерода для многих микогетеротрофов становится фотосинтез соседнего дерева. Дерево «платит» грибам часть произведённого углерода, а микогетеротроф его «ворует».

Эта трёхсторонняя сеть (автотроф → микоризный гриб → микогетеротроф) возникла в эволюции растений не менее 46 раз независимо и встречается в 7 из 10 основных линий. Например, все орхидеи (самое большое семейство растений) на ранней стадии развития проростка являются микогетеротрофами.

Орхидеи — особенно интересный пример. Все дикие орхидеи зависят от грибов на стадии проростка. Но даже повзрослев и обретя способность к фотосинтезу, не все орхидеи разрывают отношения с грибами. Они становятся частичными микогетеротрофами, получая часть углеводов от грибов, а остальное производя сами. Эта зависимость может меняться в зависимости от условий среды, например, освещённости.

Атомная подпись

Как отличить зелёную, фотосинтезирующую, но частично микогетеротрофную орхидею от чисто автотрофного растения? Ответ — в изотопах углерода.

Основная форма углерода на Земле — ¹²C (6 протонов + 6 нейтронов, 98.89%). Более тяжёлый стабильный изотоп — ¹³C (6 протонов + 7 нейтронов, ~1.1%).

Растения в процессе фотосинтеза предпочитают ¹²CO₂, но могут использовать и ¹³CO₂. При «переработке» углерода в тканях растения соотношение ¹³C/¹²C меняется — ткани обогащаются более лёгким ¹²C. Когда растение делится углеродом с микоризным грибом, гриб получает молекулы, обогащённые ¹³C относительно всего растения.

Так формируется изотопная пищевая цепь: с каждым трофическим уровнем (производитель → потребитель) организм становится всё более обогащённым тяжёлым ¹³C.

Обнаружение микогетеротрофии

Учёные с помощью масс-спектрометра стабильных изотопов измеряют соотношение ¹³C/¹²C в образце. Это соотношение показывает положение организма в пищевой цепи.

У автотрофного растения атомов ¹³C относительно мало. Но у некоторых орхидей количество ¹³C зашкаливает, а их углеродная сигнатура больше похожа на грибную, чем на растительную. Это открытие, опубликованное в 2003 году, стало первым доказательством, что эти орхидеи частично используют углерод иного происхождения, чем их соседи-автотрофы.

Неподвижность растений порождает удивительные и неожиданные партнёрства, в которых далеко не всё так, как кажется на первый взгляд.