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, сегодня остается 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 изучили причины повреждения молодых хвойных растений в условиях нехватки воды, чтобы повысить их устойчивость к засухе.
Существует две гипотезы, объясняющие гибель древесных растений в засушливые периоды. Некоторые ученые считают, что растения просто не могут поддерживать минимально необходимое для жизни 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, постепенно его запасы заканчиваются и дерево погибает.
Фото: сеянцы сосны в лаборатории. Источник: Юрий Иванов
Ученые хотели изучить повреждения, которые появляются у молодых растений 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 нужно изучать в первую очередь.
«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 один из авторов статьи, сотрудник Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН Юрий Иванов.
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.
Фото: сеянцы ели в лаборатории. Источник: Юрий Иванов
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.
«Полученные результаты необходимы для построения моделей, с помощью которых мы изучим то, как изменения климата влияют на стабильность и продуктивность хвойных экосистем умеренных широт. Мы планируем продолжить исследования молекулярных механизмов, которые регулируют метаболизм углеводов в условиях засухи. Кроме того, мы хотим изучить природные популяции на растениях различных возрастных групп», — заключил Иванов.
