Будучи взрослыми, мы часто поглощены рутиной, которая многим так противна, но без которой никуда. Будучи взрослыми, мы многое знаем, мы многое видели, у нас взрослые заботы и взрослые проблемы. А еще у нас вечно не хватает времени. Многое становится должным, чудеса окружающего мира становятся пресными, а восторг первооткрывателя, который испытывают дети, познавая мир, становится мимолетным или вовсе исчезает. Проза будничности жизни убивает в ней поэзию. Но в мире науки все еще есть искра, разжигающая пламя познания, а точнее желания получить знания. Сегодня мы с вами ознакомимся с открытием, на которое мало кто обратил бы внимание, но от того оно не становится менее удивительным. Ученые из университета Британской Колумбии (Канада) открыли новый вид плотоядного растения, чего не было в мире ботаники уже двадцать лет. Где произрастает кровожадный цветок, каковы доказательства его плотоядности, и какой у него метод охоты? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Словосочетание «плотоядное растение» порождает в голове образ чего-то, похожего на венерину мухоловку — смертоносная ловушка, попав в которую добычу ждет медленная и неминуемая гибель. Однако подобный метод охоты не является единственным среди кровожадных растений. Механизм поимки добычи можно разделить на две категории: активные (когда имеются движущиеся органы) и пассивные (с клейкой жидкостью или с ловушкой).
Знаменитая венерина мухоловка относится к первой категории, а механизм ее ловушки (лист из двух долей) работает за счет потенциала действия, который генерируется ионами калия. Об этом уже было исследование, с которым мы подробно ознакомились, посему не будем отвлекаться.
Если спросить, зачем плотоядные растения выбрали такую диету, то ответ будет весьма прост — необходимость. Они произрастают в средах с низким содержанием питательных веществ, а потому полагаться на классический фотосинтез, грунт и воду они не могут. Углерод они получают от фотосинтеза, а вот минеральные питательные вещества (особенно N и P) из животной добычи.
На данный момент насчитывается порядка 800 видов плотоядных растений (6 отрядов, 13 семейств и 20 родов). Эти цифры не особо поражают воображение (пауков, к примеру, 114000 видов, а водорослей порядка 20000 видов), но это вполне логично, по мнению ученых. Высокие энергетические затраты на структуры и ферменты, связанные с хищничеством, вносят ряд ограничений в среду обитания плотоядных растений: солнечные, влажные и бедные на питательные вещества регионы. Посему лишь 0.2% от покрытосеменных (цветковых) относятся к плотоядным.
Учитывая вышесказанное, вполне ожидаемо, что за последние 20 лет был задокументирован лишь один новый пример, когда растения производят ферменты для переваривания добычи (Philcoxia, Plantaginaceae). Однако плотоядность у однодольных вне отряда Poales ни разу не встречалась.
Все три плотоядные линии Poales используют розетки из листьев для накопления воды, куда падет жертва. А ферментативную деградацию добычи выполняют либо микробы, либо насекомые-партнеры (симбионт), а не собственные пищеварительные ферменты растения.
Изображение №1
И тут внимание ученых привлекло Triantha occidentalis (1A и 1B) — многолетнее растение, произрастающее на западном побережье Северной Америки. Его можно увидеть в открытых бедных питательными веществами местах, особенно вдоль берегов рек и на заболоченной местности, где T. occidentalis соседствует с уже признанными хищными растениями Drosera rotundifolia и Pinguicula vulgaris.
В период летнего цветения T. occidentalis дает прямостоячие безлистные цветущие стебли до 80 см высотой. На стеблях, особенно на верхней части, имеются липкие железистые волоски, что отличает Triantha от других родов Tofieldiaceae. На волосках концентрируется блестящая красноватая жидкость (1C), как это часто бывает у росянки и других плотоядных растений, использующих липкий секрет в качестве основного оружия охоты (1D).
Однако наличие липкого секрета еще не является доказательством плотоядности растения. Чтобы это подтвердить, ученым необходимо было заглянуть глубже.
Изучение филогеномики пластид и молекулярной эволюции показало, что у Triantha отсутствуют гены, присутствующие в пластидном NDH-1 комплексе (ферредоксин-пластохинонредуктазе), который регулирует фотосинтетический поток электронов, смягчает эффекты ингибирования ФСI* и настраивает фотосинтез в условиях динамического освещения.
ФСI* (фотосистема I) — второй функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов. По факту является источником электронов, которые в последствии участвуют в процессе восстановления углерода.
Потеря гена ndh также наблюдается и у Lentibulariaceae, которые точно являются плотоядными. Но этого сходства недостаточно, чтобы приписывать плотоядность и Triantha.
Если Triantha плотоядна, то, скорее всего, только в период цветения, когда присутствуют железистые соцветия. Ловля насекомых с помощью липких стеблей соцветий встречается редко (к примеру, у Silene и Stylidium), но нет доказательств того, что эти виды связаны с хищничеством напрямую.
Дабы понять, питается ли Triantha насекомыми по собственному желанию, ученые провели полевые испытания, в ходе которых «скармливали» растению насекомых, помеченных 15N, чтобы проследить поглощение питательных веществ. Также были проведены тест на фосфатазу чтобы выяснить, продуцирует ли T. occidentalis этот пищеварительный фермент, указывающий на плотоядность.
Результаты исследования
Полевые испытания проводили в ареале произрастания T. occidentalis. В этом регионе естественная концентрация азота в листьях составляла 1.20 ± 0.14%, что сравнимо с концентрацией у хищных D. rotundifolia и ниже, чем у нехищных Erigeron peregrinus и Nephrophyllidium crista-galli, произрастающих по соседству.
Это первый вероятный признак, который отличает плотоядных от неплотоядных растений. Так плотоядная филкоксия имеет более высокие концентрации азота в листьях, чем неплотоядные растения в тропической среде обитания с белым песком. Но вот сравнение нескольких плотоядных (Drosera, Sarracenia и Utricularia) и неплотоядных в бедном питательными веществами болоте не выявило значительных различий в концентрации азота в листьях. Посему азот не может дать четного ответа о плотоядности растения, хоть и является первым звоночком.
В листьях Drosera и Triantha также наблюдаются более высокие значения δ15N, чем в листьях нехищных растений. Это согласуется со снижением 15N при перемещении вверх по трофической лестнице (пищевой цепи), что является признаком поглощения азота из добычи у других плотоядных растений.
В ходе опытов роль добычи исполнила Drosophila (фруктовая мошка), помеченная 15N. Ее прикрепляли к листьям Drosera и верхним стеблям Erigeron и Triantha. Это не привело к значительным изменениям содержания азота в стебле и δ15N у нехищной Erigeron (график ниже).
Изображение №2
У Drosera содержание азота в листья также не сильно изменилось, но вот значения δ15N выросли до 550 ‰. Анализ эксперимента показал, что примерно 7.4% азота в листьях на момент завершения опыта происходил именно от фруктовой мошки.
Измерения концентрации азота в листьях указывают на небольшое снижение содержания азота в листьях после 2 недель искусственного кормления. Это позволяет предположить, что некоторое количество азота в листьях после кормления было перенесено в другие места.
У Triantha кормление не привело к значительному увеличению концентрации азота в листьях, но к значительному увеличению δ15N (до 7.5 ‰). Следовательно, 0.1% азота в листьях была получена от фруктовой мошки.
При этом кормление привело к значительному увеличению содержания азота в плодах с 1.5 до 2.6%, хотя спустя 2 недели существенной разницы уже не наблюдалось. δ15N в плодах также значительно возрос с -1.66 до 26.38 ‰.
Наиболее резкие изменения содержания N и δ15N произошли в цветущих стеблях. Содержание N в стебле почти удвоилось через 1 неделю после кормления, но через 2 недели упало до уровня, что был перед опытами.
Тем не менее содержание δ15N в стебле увеличилось с -4.8 ‰ перед кормлением до 535 ‰ через 2 недели после кормления, т.е. 7.2% азота в стебле было получено от мошки.
Из всего вышесказанного становится вполне очевидно, что Triantha получает азот из добычи. Однако очевидный перенос азота из репродуктивной ткани предполагает, что любое потенциальное преимущество хищничества будет включать либо созревание большего количества плодов при заданном содержании азота, либо (что более вероятно) ретранслокацию азота в корневище в текущем вегетационном сезоне, а перенесенный азот остается на следующий год.
Использование стандартной модели смешивания (которая применялась для предыдущих расчетов) позволило увидеть, что в Triantha из почвы поступает столько же δ15N, сколько и у нехищных растений. Следовательно, 64% N в листьях Triantha происходят от добычи за предыдущий год. У Drosera этот показатель вообще доходит до 76%.
Таким образом можно сделать вывод, что Triantha получает столько же азота из добычи, сколько и известное плотоядное растение D. rotundifolia.
Кроме того, азот, полученный от добычи, первоначально накапливается в репродуктивных тканях, влияя на содержание N и δ15N в них. Затем N, по-видимому, переносится в корневище, оставляя при этом повышенное значение δ15N в стебле и плодах. Это, скорее всего, связано с метаболическим смешиванием недавно полученного азота животных с азотом, полученным из почвы. При этом перенос азота из корневища на следующий год должен увеличивать значения δ15N в листьях, как это наблюдается у плотоядных растений.
Помимо поглощения питательных веществ из добычи, плотоядные растения также демонстрируют высокую активность фосфатазы за счет пищеварительных ферментов, секретируемых железистыми волосками. Это еще один признак, который может дополнительно укрепить теорию о том, что Triantha относится к плотоядным растениям.
Для проверки этого был проведен тест железистых волосков на выявление фермента фосфатазы, который мобилизует фосфор из добычи. Тест заключался в погружении стебля Triantha в раствор, содержащий субстрат фосфатазы ELF 97.
Изображение №3
На волосках Triantha и Drosera была замечена зеленоватая флуоресценция, в отличие от контрольного растения (неплотоядная Erigeron). Это свидетельствует о наличии фосфатазы, т.е. подтверждает плотоядность Triantha.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые получили существенные и неопровержимые доказательства того, что растение Triantha является полноценным членом немногочисленной, но очень интересной группы хищных растений. Когда насекомое садится на ее стебель, то прилипает за счет липкого секрета. Эти выделения содержат фосфатазу, которая начинает процесс переваривания добычи. Ключевым элементом, которое растение получает за счет этого, является азот. В болотистом ареале произрастания Triantha азота действительно мало, а посему такая тактика его получения вполне логична. Затем определенная часть полученного азота отправляется в корни — единственное место, где его можно сохранить до следующего сезона и потом распределить по другим тканям.
Triantha это уникальное растение даже среди плотоядных. Дело в том, что липкий секрет для ловли добычи расположен очень близко к соцветию. У других плотоядных растений они далеки друг от друга, дабы минимизировать конфликт между опылением и захватом добычи. Те же, у кого наблюдается столь близкое расположение ловушки и цветков, как правило, оснащены очень мелкими и не сильно липкими волосками. Следовательно, они ловят мелких насекомых, которые не являются для них опылителями. Почему же тогда Triantha не боится риска непреднамеренно поймать всех опылителей, оставшись без опыления? Либо их липкий секрет не страшен опыляющим насекомым, либо пользы от добычи они получают больше, чем от опыления. В любом случае этот вопрос требует дальнейшего изучения.
Также в планы ученых входит секвенирование генома и транскриптомы T. occidentalis и его родственников, что поможет в поисках доказательств существования новых или конвергентных изменений на уровне генов или генома, лежащих в основе хищничества растений.
Это открытие показывает, что мир вокруг нас наполнен тайнами, которые далеко не все спрятаны на дне океана или глубоко под землей. Многое лежит (в данном случае растет) на поверхности, нужно лишь обратить на него внимание. Ибо желание понять, как что работает, остается движущей силой любого исследования, от квантовых компьютеров до гастрономических предпочтений растений.
Утонуть в нектаре для насекомого хоть и поэтичная, но все же смерть. Дэвид Аттенборо рассказывает о растении из рода непентес (Nepēnthes).
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Автор:
Dmytro_Kikot
