Российские ученые: во время засухи хвойные растения умирают не из-за обезвоживания
Сотрудники Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН и МГУ имени М.В. Ломоносова исследовали причины гибели молодых соснен и елей в условиях засухи, которая возникает все чаще из-за глобального потепления. Оказалось, что сосна погибает из-за дефицита углеводов, в то время как причины гибели ели пока неясны. Полученные результаты будут нужны, чтобы повысить устойчивость растений к нехватке воды. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), а ее результаты опубликованы в журнале Environmental and Experimental Botany.
Когда растения попадают в условия стресса – засухи, излишнего увлажнения, экстремальных температур, они либо выживают, вырабатывая защитные механизмы, либо сильно и быстро повреждаются и погибают. Вопрос, почему растения гибнут в условиях засухи, остается сегодня открытым. При этом глобальные изменения климата увеличивают частоту и продолжительность засушливых периодов, что негативно влияет на стабильность и восстановление хвойных насаждений. Их стабильность заключается в том, что деревья поддерживают определенную продуктивность, успешно воспроизводятся и тем самым сохраняются в разрезе поколений. Авторы статьи изучают причины повреждения молодых хвойных растений в условиях нехватки воды, чтобы повысить их устойчивость к засухе.
Существуют две гипотезы, объясняющие гибель древесных растений в засушливые периоды. Некоторые ученые считают, что растения просто не способны поддерживать минимально необходимое содержание воды, и это приводит к обезвоживанию и гибели растений. Другие говорят, что растениям не хватает питательных веществ, в первую очередь углеводов, из-за сокращения газообмена с окружающей средой. Из-за этого интенсивность фотосинтеза падает, растение переходит от синтеза органических веществ к их расходованию, исчерпывает свои запасы и погибает.
Ученые хотели изучить повреждения, которые появляются у молодых растений (сеянцев) сосны обыкновенной и ели европейской из-за засухи. Авторы отмечают, что сеянцы – это удобный объект, чтобы изучать механизмы повреждающего воздействия засухи, так как в них можно одновременно анализировать изменения в общем балансе воды и в содержании углеводов в целом растении. Это невозможно сделать для взрослых деревьев. Более того, сеянцы хвойных практически беззащитны перед засухой по сравнению со взрослыми растениями, поэтому их изучение в приоритете.
Ученые выращивали сеянцы сосны и ели в контролируемых условиях на жидкой питательной среде, а для моделирования засухи в эту среду добавляли осмотически активное соединение – полиэтиленгликоль. Осмотически активные вещества могут связывать молекулы воды, проводить их в клетки или выводить из них. Так авторы работы могли поддерживать точные значения интенсивности засухи. Растения испытывали недостаток воды в течение 40 суток – именно столько обычно длятся долгие природные засухи. В течение всего эксперимента ученые отслеживали биологические параметры сеянцев и их тканей.
«Причина гибели сеянцев сосны в условиях засухи заключается в дефиците углеводов. В них в это время много углеводов содержится в хвое, но крайне мало – в корне, при этом их транспорт из надземной части в корень нарушен, что приводит к сильному исчерпанию углеводов в корневой системе и гибели сеянцев. Интересно, что обезвоживание тканей и клеток не является причиной гибели молодых растений сосны. В отличие от сосны, смертность сеянцев ели не была связана ни с обезвоживанием, ни с исчерпанием углеводов. Механизмы повреждения и гибели ели в настоящее время выясняются», – рассказал ученый.
Такие различия между сосной и елью обусловлены разной динамикой роста этих двух видов. Ель в начальный период водного дефицита быстро снижает темпы роста, а сосна продолжает активно расти, что приводит к быстрому исчерпанию углеводов в ее корневой системе и, как следствие, к гибели растений.