Золотарники чаще развивают защитные механизмы в богатой питательными веществами почве

Исследование Мичиганского университета показывает, что растения, растущие в богатой питательными веществами почве, с большей вероятностью защищаются от насекомых.

Исследование под руководством учёного Мичиганского университета Мии Ховард, опубликованное в журнале Oikos, показало, что золотарник, выросший на полях, ежегодно удобряемых азотом в сельскохозяйственных дозах, чаще «кивает» в качестве защитного механизма против насекомых, откладывающих яйца в верхушку его стебля.

«Одно из самых захватывающих открытий здесь — это то, что существует так много гипотез и теорий, предсказывающих, что ресурсы влияют на эволюцию защитных механизмов растений, и вот у нас есть первое экспериментальное доказательство, что это действительно так», — сказала Ховард, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии.

Растения имеют множество стратегий защиты от травоядных. Одна из типичных тактик — химическая защита. Многие растения производят горькие соединения, чтобы их листья были неприятны для поедания, или иным образом отпугивают — или даже являются токсичными — для травоядных. Эти защиты сложно и дорого оценивать, и их уровни часто зависят от текущего питательного статуса растения, что затрудняет определение, является ли более высокий уровень защиты результатом эволюции (генетики) или уровня питательных веществ, к которым растение имеет доступ в данный момент.

Золотарник, местное североамериканское растение, широко распространённое по всему миру, уязвим для насекомых, откладывающих яйца в верхушку его стебля. Насекомые вводят яйцо в стебель, что запускает формирование галла — защитного первого дома для развивающейся личинки после вылупления яйца, часто в виде розетки из скрученных листьев или круглого шара, сформированного в стебле.

Чтобы предотвратить откладку яиц этими насекомыми в верхушки растений, некоторые золотарники «кивают» стеблями в период активности этих мух, изгибая стебли, чтобы скрыть свои верхушки.

Для изучения «кивающих» золотарников Ховард наблюдала за участками растений, растущими на биологической станции W.K. Kellogg в Университете штата Мичиган. Там исследователи в течение трёх десятилетий обрабатывали опытные участки азотными удобрениями в сельскохозяйственных дозах.

Ховард обследовала шесть повторяющихся полей, которые были естественно заселены золотарником. Она сравнила растения на удобренных участках каждого поля с растениями, растущими на соседних, неудобренных участках с естественным уровнем доступных питательных веществ. Она обнаружила, что в богатых питательными веществами участках была большая концентрация «кивающих» золотарников.

«Кивающий» золотарник — полезный объект для исследования, говорит Ховард. Кивание — это генетическая характеристика: золотарник без генетической способности не кивает, а золотарник, который кивает, делает это независимо от количества азота в почве, что исследователи подтвердили в своём исследовании. В отличие от химических признаков, кивание — сильно генетический признак, и «кивающие» золотарники можно идентифицировать, просто взглянув на них.

«Если растение "кивает", оно будет кивать. Это также действительно легко фенотипировать, потому что можно просто посмотреть на него», — сказала Ховард. «Это очень низкотехнологично. Можно быстро сделать это в поле».

Однако, поскольку золотарники выпрямляются обратно после изгиба в форме леденца, команде Ховард пришлось совершать несколько поездок на поля для обследования популяций золотарника. Исследователи полагают, что кивание золотарника синхронизировано с периодом, когда травоядные, создающие галлы на верхушках, летают вокруг в поисках золотарника для откладки яиц. Как только этот период проходит, «кивающие» золотарники выпрямляются.

«Это необычный защитный признак, но мы обнаружили, что эти "кивающие" типы золотарников были гораздо более распространены на удобренных участках, что позволяет предположить, что высокая доступность азота отбирает усиленные защитные механизмы кивания», — сказала Ховард. «Я думаю, это действительно захватывающе — изучать эволюцию растений в реальном времени».

Ховард отмечает, что исследование также указывает на важность долгосрочных научных проектов.

«Нам очень повезло, что биологическая станция Келлог начала этот эксперимент и продолжала поддерживать его в течение трёх десятилетий. Наличие таких долгосрочных экспериментов действительно ценно», — сказала Ховард. «В первые годы вы можете не видеть много различий в популяциях растений, но я думаю, они становятся действительно хорошим ресурсом для изучения эволюции».