Фотосинтез. Изучение того, как растения используют солнце и воду для производства пищи, — основа школьного курса биологии и основа жизни на Земле. Однако не все из более чем 300 000 известных видов растений являются производителями пищи, которые размножаются половым путём. Вместо этого растения, такие как представители рода Баланофора (Balanophora), являются бесполыми паразитами. Эти растения, похожие на инопланетян, бросают вызов самим основам ботаники.
«Моя давняя цель — переосмыслить, что на самом деле значит быть растением, — сказал Кенджи Суэцугу, ботаник из Университета Кобе в Японии. — Многие годы меня завораживали растения, отказавшиеся от фотосинтеза, и я хочу раскрыть изменения, которые происходят в этом процессе».
Суэцугу — соавтор исследования, недавно опубликованного в журнале New Phytologist, которое погружает в мир этих бесполых паразитов. Виды Balanophora считаются крайним примером незелёных растений, которые питаются за счёт корней других растений. Они в основном живут под землёй и встречаются в тропических регионах Африки, Южной Азии и Юго-Восточной Азии. В горах Тайваня и Японии они растут у основания мшистых деревьев, часто напоминая грибы. У растений самые маленькие цветы и семена в мире, и они появляются только в период цветения с июля по октябрь.
Особенности бесполых растений
Некоторые виды Balanophora размножаются половым путём, в то время как другие — исключительно бесполым. Однако до сих пор неясно, как изменения в геномах растений влияют на их экологию и размножение.
Для этого нового исследования Суэцугу и его партнёры из Института науки и технологий Окинавы проанализировали три основных компонента эволюции Balanophora. Им нужно было понять, как растения из этой группы, чьи гены изменились для бесполого поведения, связаны друг с другом. Затем они изучили, как эти гены модифицировали часть клетки растения, которая работает как солнечная панель и поглощает солнечный свет у зелёных растений, — пластиды. Наконец, им нужно было получить более полное представление о том, как размножение вписывается в их экологию.
Согласно Суэцугу, самой большой проблемой был поиск растений. «Эти растения редки, разрознены и часто встречаются в крутых влажных лесах. Но годы опыта изучения Balanophora как в лаборатории, так и в полевых исследованиях, а также давние отношения с местными натуралистами сделали этот проект возможным», — сказал он.
Они обнаружили, что у растений Balanophora чрезвычайно ограниченный геном пластид, где зелёные растения поглощают солнечный свет. Это сокращение генетического материала, вероятно, произошло у их общего предка до того, как растения разошлись на несколько разных видов. Большинство паразитических растений склонны терять гены в своих пластидах по мере того, как они становятся более зависимыми от растений-хозяев. Однако, хотя Balanophora полностью зависят от деревьев-хозяев в плане питания, у них всё ещё есть некоторые пластиды.
«Интересно видеть, как далеко может зайти растение, сокращая свой геном пластид, который на первый взгляд выглядит так, будто пластида находится на грани исчезновения, — сказал Суэцугу. — Но, присмотревшись, мы обнаружили, что многие белки всё ещё транспортируются в пластиду, показывая, что, хотя растение отказалось от фотосинтеза, пластида всё ещё является жизненно важной частью метаболизма растения».
Бесполое размножение
Что касается бесполого размножения, то оно, вероятно, развивалось в группе многократно. Растения, возможно, приобрели дополнительную способность создавать семена без оплодотворения на раннем этапе своей эволюции, и это было преимуществом, когда они колонизировали архипелаг, простирающийся от материковой части Японии через остров Окинава дальше на юг до Тайваня.
«За последнее десятилетие я изучал опыление Balanophora и распространение семян, где верблюжьи сверчки и тараканы играют неожиданную роль, но я также заметил, что бесполое производство семян часто обеспечивало размножение, когда партнёров или опылителей не хватало», — объяснил Суэцугу.
В конце концов, бесполое размножение могло стать постоянным у некоторых видов Balanophora.
В будущей работе команда надеется связать эти результаты с дополнительными биохимическими данными, чтобы увидеть, что на самом деле производят пластиды Balanophora, которые создают пищу, и как они помогают поддерживать жизнь этих паразитических растений, когда они растут в корнях хозяина.
«Для человека, который провёл много часов, наблюдая за этими растениями в тёмных влажных лесах, видеть, как их история разворачивается на геномном уровне, — это глубокое удовлетворение», — заключил Суэцугу.