Свекла и кактусы обладают общим красным пигментом, помогающим выживать в пустыне

Фото из открытых источников

Возможно, яркие пигменты помогали родственникам кактусов переносить засуху еще до того, как сочность стала важной стратегией выживания. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале New Phytologist.

Взгляните на кактус, и адаптация к условиям пустыни покажется очевидной. Толстый и набухший от воды стебель — это то, что помогает растению пережить месяцы без дождей. Кроме того, это лишает растение углерода и части фотосинтеза.

В новой реконструкции генеалогического древа обнаружилось нечто гораздо менее заметное, появившееся раньше. Красный пигмент, окрашивающий свеклу и плоды кактусов, развился раньше, и, возможно, именно он сделал ценный стебель таким дорогим. Это ставит признак, на который все указывают, на второе место в списке.

Том Каррутерс из Мичиганском университете руководил этой. Команда не проводила никаких экспериментов. Они построили эволюционное древо более чем 4400 видов, оценили каждый из них по таким признакам, как пигментация, способность к хранению воды и засухоустойчивость, и определили порядок появления этих признаков.

Почти все цветковые растения на Земле создают свои красные и фиолетовые оттенки из одного и того же семейства соединений, но одна группа отличается. Примерно у 12 000 видов, включая свеклу, бугенвиллию, амарант и кактусы, эти соединения отсутствуют, и их заменяет другой набор красных и желтых пигментов. Ботаники называют их беталаинами.

Ничто другое в растительном царстве их не производит. Растения, находящиеся в состоянии стресса, производят их больше: соль, засуха и сильное ультрафиолетовое излучение — все это стимулирует их выработку, а лабораторные исследования показали, что этот пигмент защищает клетки от солевого стресса.

В этой же группе много специалистов по пустынным регионам, и исследователи давно заметили это совпадение. Никто не мог определить, кто появился первым.

Для определения возраста растений необходимы ископаемые остатки. Грегори Стулл из Национального музея естественной истории Смитсоновского института собрал палеонтологическую летопись для этой группы, и авторы отобрали из нее 14 видов. В число этих 14 видов входят пыльцевые зерна из меловых отложений, набор семян, три плода и одна цветочная гроздь.

Каждая окаменелость оценивалась по 50 физическим признакам наряду с ныне живущими видами в генетическом наборе данных. Это позволило им располагаться на филогенетическом дереве в качестве вершин, а не фиксированных точек калибровки. Авторы допускают большую неопределенность таким образом и утверждают, что ее демонстрация является честной версией.

Сама группа организмов относится к раннему меловому периоду, примерно от 100 до 110 миллионов лет назад.

Беталаины появлялись в генеалогическом древе четыре раза, все четыре раза в меловом периоде. Эти четыре линии не имели ничего общего, кроме происхождения данной группы.

Из 3941 вида, которые команда смогла классифицировать по климату, 1308 оказались засухоустойчивыми, что означает, что более трех четвертей собранных образцов были из засушливых районов. Среди этих засухоустойчивых видов 75% содержат беталаины, тогда как в полном наборе данных этот показатель составляет 55%. Если ограничить определение жаркими засушливыми местами, эта цифра возрастает до 85 процентов.

Наилучшие модели, предложенные авторами, показывают, что самые высокие темпы перехода к засухоустойчивости наблюдаются в тех же линиях, которые приобретали этот пигмент.

«Проведя это исследование, мы показали, что эволюция беталаинов в порядке Caryophyllales тесно связана с засухоустойчивостью, и, по-видимому, беталаиновая пигментация приобретается гораздо быстрее в линиях, которые впоследствии становятся засухоустойчивыми», — сказал Каррутерс.

Толстая, наполненная водой ткань встречается повсюду в этой группе растений, от сагуаро до каменных растений южной Африки, которые растут вровень с гравием. Она почти никогда не встречается без пигмента. Из всех видов суккулентов в наборе данных 97% содержат беталаиновые пигменты, за редкими исключениями, разбросанными по трем семействам.

Среди засухоустойчивых видов 66% запасают воду, тогда как в целом по набору данных этот показатель составляет 45%. Модели, построенные на основе этого дерева, также указывают на более низкую скорость потери сочности у засухоустойчивых линий и на более высокую скорость ее приобретения у линий, приобретающих беталаины.

Суть статьи заключается именно в таком порядке. Хранение воды обходится дорого, и растение окупает затраты только в достаточно засушливом месте, где оно в ней нуждается.

«В большинстве случаев суккулентность — это очень дорогостоящая адаптация: у вас есть очень толстые листья, которые вы наполняете водой, и с этим связано много затрат», — сказал Каррутерс. По его словам, беталаины, вероятно, позволили растениям начать жить в засушливых условиях, и суккуленты последовали их примеру.

Многие виды этой группы также имеют необычное строение сосудистых систем: сосудистые пучки проходят через середину стебля, а не образуют кольцо у его края. Ботаники называют их сердцевинными пучками, и они перемещают воду и питательные вещества гораздо интенсивнее, чем сосудистые системы большинства растений.

Они также отслеживают пигментацию: 87,5% видов с медуллярными пучками содержат беталаиновые пигменты. Они не отслеживают засуху. Около 28% засухоустойчивых видов имеют медуллярные пучки, что соответствует доле в группе в целом, и ни одна модель, связывающая эту ткань с засушливым климатом, не подтвердилась.

«Никто до конца не понимает, для чего нужна эта ткань, но можно предположить, что она связана с транспортировкой или хранением воды», — сказал Каррутерс.

Ещё более странно то, что хранение тканей и воды почти никогда не встречается у одного и того же растения. Единственное исключение — высокие колонновидные кактусы, что говорит о том, что обе адаптации обходятся достаточно дорого, чтобы исключать друг друга.

Что именно делают беталаины для растения, испытывающего жажду, до сих пор остается открытым вопросом. Каррутерс сказал, что этот пигмент может поглощать вредные побочные продукты, которые производит растение, испытывающее стресс, а отдельные лабораторные исследования показывают, что клетка, насыщенная этим пигментом, может легче впитывать воду. Команда не проверила ни одну из этих идей и опубликовала свой код и результаты на Zenodo (универсальный репозиторий с открытым доступом).

У этого открытия есть свои нюансы, касающиеся времени возникновения. Беталаины появились в меловом периоде, в то время как большинство современных пустынь мира образовались гораздо позже. Поэтому данное открытие охватывает широкую засухоустойчивость этих генетических линий и не позволяет точно определить, когда какая-либо из них проникла в конкретную пустыню.

Из трех исследованных признаков у команды было меньше всего данных по пучкам сердцевины. Далее авторы хотят проверить эту связь напрямую, на живых растениях, а не на дереве. Это покажет, оказывает ли пигмент какое-либо воздействие на растение в условиях засухи, или же он просто присутствует в организме.