Столетняя ботаническая загадка раскрывает ключевую адаптацию растений к суше

Новое исследование Мартина Буды из Института ботаники Чешской академии наук и его коллег, опубликованное в журнале Science, показывает, как решение столетнего спора в ботанике раскрывает ключевую адаптацию, позволившую растениям колонизировать сушу.

Уязвимость водопроводящих тканей

Все, кроме самых крошечных растений, нуждаются в сосудистых тканях (ксилеме) для подачи воды. При засухе цепь молекул воды в стебле может разорваться, образуя эмболию — газовый пузырь, блокирующий транспорт воды в целом сосудистом канале. Если эмболия распространится по ткани, водоснабжение блокируется, и растение погибает.

Форма ткани как защита

Исследование показывает, что исходное расположение сосудистой ткани в виде цилиндра в центре стебля становится более уязвимым к распространению эмболии с увеличением размера растения.

"Если все проводящие каналы собраны вместе, растение может столкнуться с экспоненциальным распространением эмболии по сети. Если же они вытянуты в длинную узкую форму, эмболии необходимо преодолеть множество последовательных клеточных стенок, чтобы продвинуться далеко, что может спасти жизнь растению во время засухи", — говорит ведущий автор Мартин Буда.

Эволюционный путь

Первые сосудистые растения были высотой в сантиметры и ограничены влажными местообитаниями. Чтобы стать выше, им пришлось изменить исходное расположение сосудов. Палеонтологическая летопись показывает увеличение разнообразия форм сосудистой ткани (эллипсы, ремни, звезды, кольца) по мере расселения растений от источников воды. Успешные на суше линии растений независимо находили свои решения проблемы эмболии.

Решение столетней загадки

Наблюдение, что сосудистые ткани принимают всё более сложные формы у более крупных растений, впервые сделали Ф. О. Бауэр и его ученик К. У. Уордлоу в 1920 году, но объяснить его не смогли. Новое исследование показывает, что для поддержания засухоустойчивости растения ограничивают ширину сосудистой ткани. С увеличением размера ткань должна принимать удлинённые, узкие и сложные формы, что и даёт ответ на загадку Бауэра и Уордлоу.

Методология и значение

Учёные проанализировали ксилему ныне живущих и вымерших бессемянных сосудистых растений за 400 млн лет эволюции. Численное моделирование подтвердило, что гидравлический сбой (эмболия) должен отбирать узкие, сложные формы ткани.

"Разработав новые методы оценки влияния топологии сети проводящих каналов на распространение эмболии и применив их к ранней летописи окаменелостей и живым растениям, мы наконец смогли правильно задать вопрос", — отмечает Буда.

Это фундаментальное открытие может быть использовано в селекционных программах для повышения засухоустойчивости сельскохозяйственных культур в условиях меняющегося климата. Дальнейшие исследования будут изучать, как растения преодолели эти ограничения, чтобы достичь древесных форм роста.