Злаки придумали новый фотосинтез от засухи
Злаковые растения освоили новый способ фотосинтеза не ради выживания в более горячих районах. Согласно последним данным, все злаки могут выжить в жару. А уникальный способ переработки углекислого газа им пришлось изобрести для жизни в засушливых местах.
Злаки – особая группа растений. По сравнению с другими высшими споровыми растениями они появились на Земле сравнительно недавно – всего 30-40 млн лет назад. Их появление стало важным событием, существенно изменившим облик нашей планеты. Злаки быстро стали захватывать все новые и новые территории (этому, правда, благоприятствовали еще и климатические изменения) -- так появились степи. Сейчас степные биомы занимают примерно 20% всех наземных экосистем. Это один из самых успешных экозахватов в истории планеты.
Особый путь фотосинтеза
Ученые считают, что одна из причин такого успеха – особый способ фотосинтеза. Он прекрасно адаптирован к жаркому климату. Его особенность состоит в том, что обратный поток углекислого газа через устьица при фотодыхании просто отсутствует. А тот углекислый газ, который растение «выдыхает», используется как дополнительный ресурс для фотосинтеза. Это очень выгодно, поскольку за счет такого дополнительного потока углекислоты повышается синтез и накопление органического вещества в процессе фотосинтеза. Таким способом фотосинтезируют многие злаки тропического происхождения -- пшеница, кукуруза, сорго, ячмень, просо, сахарный тростник.
Почему возник новый фотосинтез
Ученые традиционно считали, что новый, второй из существующих, путь фотосинтеза появился как адаптация к более высоким температурам. Но недавно биологи из Университета Брауна (США) доктор Эрика Эдвардс ( Erica J. Edwards) и доктор Стефен Смит (Stephen A. Smith) показали в своей работе, что злаки (вообще как группа, вне зависимости от пути фотосинтеза) адаптированы к высоким температурам. А новый способ переработки углекислоты появился как адаптация к сокращению количества осадков, а вовсе не к более жаркому климату.
К этому выводу ученые пришли, проанализировав более чем 1 млн гербарных образцов злаков, относящихся к 1230 видам. Вначале доктор Эдвардс выяснила, в каких условиях росли все эти растения (ученых в основном интересовали значения ежемесячной температуры и количества осадков). Затем ученые провели анализ определенных участков ядерных и хлоропластных ДНК злаков, восстановив, соответственно, их «родословную» и выяснив последовательность их появления как видов.
Злаки покидают лес в поисках новых территорий
По словам ученых, новый путь фотосинтеза появился изначально примерно 30 млн лет назад. Причем, что любопытно, подчеркивает доктор Эдвардс, этот способ возникал неоднократно и независимо в разных регионах как минимум 50 раз. По-видимому, он действительно стал удачной эволюционной находкой. По мнению доктора Эдвардс, растения, которые при дыхании выделяли углекислый газ в атмосферу, предпочитали местообитания, где ежегодное количество осадков составляло примерно 1800 мм. А растения, которые тут же поглощали его, росли в более засушливых районах, где ежегодно выпадало не более 1200 мм осадков. Температура в этом случае не играла никакой роли.
По всей видимости, говорят авторы исследования, оба типа растений вполне себе мирно сосуществовали в тропических лесах. Затем некоторые виды постепенно стали перемещаться в зону между тропическими лесами и саваннами, где осадков было все меньше и меньше. В таком промежуточном положении и возник новый путь фотосинтеза. А потом уже усовершенствованные злаки двинулись прямо в более засушливые места – в саванны, быстро заняв там господствующее положение.
Более подробно о том, как эволюционировал фотосинтез у злаков, можно прочитать в статье доктора Эдвардс, опубликованной в последнем номере журнала PNAS.