Сорняк с ржавыми корнями: Сорный рис неоднократно развивает «жульнические» корневые признаки
Сорный рис — это ни дикий, ни культурный рис, а рис, вышедший из-под контроля и утративший важные для человека признаки. Это невероятно агрессивный, потенциально губительный сорняк, появляющийся почти везде, где выращивают рис. Он может снизить урожайность культуры более чем на 80%, если проникнет на поле.
Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Центра растениеводства имени Дональда Данфорта использовали новую технику визуализации, чтобы раскрыть стратегию захвата, которая срабатывала у сорного риса снова и снова: корни, минимизирующие контакт под землей с другими растениями.
«Сорный рис, возможно, развил стратегию роста корней "одиночки-жулика", которая позволяет ему использовать богатую питательными веществами почвенную среду рисовых полей», — сказал Кеннет М. Олсен, профессор биологии и старший автор новой статьи в New Phytologist.
«Мы склонны думать, что конкуренция происходит над землей, потому что это та часть растения, которую мы видим. Но это только половина растения, — сказал Олсен. — "Скрытая половина", то есть корневая система, играет критическую роль в некоторых из наиболее важных аспектов роста и выживания растения, включая поглощение воды и конкуренцию за основные питательные вещества, такие как азот и фосфор».
По некоторым оценкам, рост корней на самом деле является более важным фактором конкурентного успеха, чем рост надземной части, отметил Олсен. «Это особенно верно для сельскохозяйственных сорняков, таких как сорный рис, которые конкурируют с культурными сортами на полях».
Взгляд под землю
Ученые только начинают получать первые реалистичные представления о том, как рост корней и их подземные взаимодействия влияют на способность растения конкурировать за ресурсы. Раньше они не могли как следует рассмотреть корневую систему, не выкопав ее (что неизбежно повреждает ее) или не выращивая растения в очень искусственных условиях, например, зажатыми между двумя стеклянными пластинами.
В этом исследовании ученые сравнили корни двух независимо эволюционировавших типов сорного риса, встречающихся на одних и тех же рисовых полях на юге США. Используя новые методы визуализации, включая подход полуавтоматической оптической томографии, разработанный Кристофером Топпом в Центре Данфорта, исследователи сделали более 70 фотографий корневых систем каждого из 671 растения сорного риса. Затем они смоделировали изображения в 3D, чтобы создать 360-градусные цифровые карты их корней.
Исследователи использовали различные разработанные ими алгоритмы для анализа 98 физических признаков, включая глубину корней, ширину корневой системы, определенные исследовательские признаки и углы между корнями и почвой.
Они также провели генетический анализ, чтобы проследить отдельные пути сорняков от их одомашненного прошлого до их нынешнего статуса persona non grata на рисовых полях.
«Естественный отбор говорит, что они (два типа сорного риса) должны реагировать на эту среду, развивая сходные признаки, — сказал Маршалл Дж. Веджер, аспирант лаборатории Олсена и первый автор статьи. — Они действительно развили сходные признаки в ответ на сходное давление среды, но сделали это, используя совершенно разные генетические механизмы».
Новое исследование показывает, как два независимо эволюционировавших штамма сорного риса конвергентно пришли к сходной модели роста корней, которая может играть роль в их способности вытеснять культурный рис в борьбе за почвенные питательные вещества.
«Глядя на генетическую основу эволюции сорного риса, мы можем увидеть, есть ли на генетическом уровне более одного способа стать сорняком, — сказал Олсен. — Мы обнаруживаем, как для надземных признаков, так и теперь, в этом исследовании, для подземных, что ответ — однозначное "да"».
«Другими словами, эволюционировать из одомашненной культуры в сорняк на удивление легко, — сказал Олсен. — Это может происходить многократно и независимо от разных сортов сельскохозяйственных культур».