Земля является домом для разнообразия растений с весьма многочисленными формами и функциями. Это необычайное морфологическое, физиологическое и биохимическое разнообразие определяет, как растения адаптируются и реагируют на текущие глобальные изменения, что имеет значительные последствия для функционирования экосистем. Однако 90% современных знаний о функциональном разнообразии растений касаются только сельскохозяйственных экосистем и умеренных зон. 

Напротив, засушливые земли, составляющие 45% площади суши Земли, остаются недостаточно представленными в данных. Эти важные зоны в настоящее время напрямую находятся под угрозой из-за увеличения засушливости и опустынивания. Засушливые земли определяются как тропические и умеренные зоны с показателем засушливости ниже 0,65. Они являются домом для трети мирового населения и включают субгумидные, полузасушливые, засушливые и гиперзасушливые экосистемы, такие как средиземноморский ландшафт, степи, саванны и пустыни.

Необходимо понять, как растения реагируют на такое давление, прежде чем мы сможем установить возможную будущую эволюцию этих хрупких экосистем с точки зрения их биоразнообразия и функционирования. Для этого международная группа из 120 ученых из 27 стран провела первое в мире исследование функционального разнообразия растений в засушливых зонах.

Три исследователя из французского Национального научно-исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды INRAE, французского Национального центра научных исследований CNRS и Университета науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии координировали масштабное международное исследование, чтобы понять, как растения, встречающиеся в засушливых районах, адаптировались к экстремальным условиям обитания. 

В течение 8 лет команды собирали образцы с нескольких сотен выбранных участков засушливых земель на шести континентах, что позволило проанализировать более 1300 наборов наблюдений более 300 видов растений, впервые в таком масштабе. 

Результаты, опубликованные в Nature, показывают, что растения в засушливых зонах принимают множество различных стратегий адаптации и что, как ни странно, это разнообразие увеличивается с уровнем засушливости. 

Изоляция этих растений в более засушливых зонах, по-видимому, снизила конкуренцию между видами, что позволило им выражать разнообразие форм и функций, которое является глобально уникальным, демонстрируя вдвое большее разнообразие, чем в более умеренных зонах. 

Это исследование проливает новый свет на наше понимание структуры растений, адаптации растений к экстремальным условиям обитания, исторической колонизации растениями наземной среды и способности растений реагировать на текущие глобальные изменения.

Разработав стандартизированный протокол отбора проб, ученые собрали и обработали образцы 301 вида растений, обнаруженных на 326 репрезентативных участках со всех континентов (кроме Антарктиды), чтобы охарактеризовать функциональное разнообразие зон, создав в общей сложности 1347 полных наборов наблюдений признаков для анализа. 

Особое внимание было уделено характеристике элементома растений, то есть разнообразию химических элементов и микроэлементов (таких как азот, фосфор, кальций, магний и цинк), обнаруженных в растениях, поскольку эти часто неучтенные признаки оказывают сильное влияние на то, как последние функционируют. В целом, исследование включало более 130 000 измерений отдельных признаков растений.

Ключевой гипотезой в начале исследования было то, что засушливость сократит разнообразие растений посредством отбора, оставив только те виды, которые способны переносить крайний дефицит воды и тепловой стресс. 

Однако ученые обнаружили, что в самых засушливых пастбищах планеты наблюдается противоположная ситуация, где растения вместо этого демонстрируют широкий спектр индивидуальных стратегий адаптации. 

Например, некоторые растения выработали высокий уровень кальция, укрепляя клеточные стенки в качестве защиты от высыхания. Другие содержат высокие концентрации соли, что снижает транспирацию. 

Хотя в локальном масштабе наблюдается меньше видов, чем в других регионах планеты (в умеренных или тропических зонах), растения в засушливых зонах демонстрируют необычайное разнообразие форм, размеров и функционирования, вдвое большее, чем в более умеренных климатических зонах. 

Это увеличение разнообразия признаков происходит резко в точке, где объемы осадков падают ниже годового порога в 400 мм. Это также порог для выраженного снижения растительного покрова и появления больших площадей голой почвы. 

Чтобы объяснить это явление, авторы исследования предположили, что потеря растительного покрова приводит к «синдрому одиночества растений», когда повышенная изоляция и сниженная конкуренция за ресурсы приводят к высокой степени уникальности признаков и функционального разнообразия, которые являются исключительными в глобальном масштабе. Это адаптивное разнообразие может в равной степени отражать сложную эволюционную историю, восходящую к первоначальной колонизации наземных местообитаний растениями более 500 миллионов лет назад, когда эти местообитания представляли экстремальные условия для живых организмов.

Исследование раскрывает важность засушливых земель как глобального резервуара функционального разнообразия растений. Оно предоставляет свежий взгляд на архитектуру растений, адаптацию растений к экстремальным местообитаниям, историческую колонизацию растений наземных сред и способность растений реагировать на текущие глобальные изменения.

Анна МЕДВЕДЕВА, фото автора, AgroXXI.ru.

Источник  Аgroxxi.ru