21 февраля 2022 года.
Цветы — один из самых ярких примеров разнообразия в природе, демонстрирующий мириады сочетаний цветов, узоров, форм и ароматов. Они варьируются от красочных тюльпанов и маргариток до благоухающих франжипани и гигантских трупных цветов, пахнущих гнилью. Разнообразие и многообразие поражает воображение — вспомните орхидею в форме утки.
Но как бы мы ни ценили красоту и разнообразие цветов, в буквальном смысле они не предназначены для наших глаз.
Цель цветов — привлечь опылителей, и именно на их органы чувств ориентированы цветы. Яркий пример тому — ультрафиолетовые (УФ) узоры. Многие цветы накапливают ультрафиолетовые пигменты в своих лепестках, образуя невидимые для нас, но видимые большинством опылителей узоры.
Несоответствие между тем, что видим мы, и тем, что видят опылители, особенно ярко проявляется в подсолнухах. Несмотря на их культовый статус в популярной культуре (о чем свидетельствует сомнительная честь быть одним из пяти видов цветов, для которых созданы эмодзи), они вряд ли являются лучшим примером цветочного разнообразия.
Разный свет
То, что мы обычно считаем одиночным подсолнухом, на самом деле представляет собой скопление цветков, называемое соцветием. Все дикие подсолнухи, которых в Северной Америке насчитывается около 50 видов, имеют очень похожие соцветия. На наш взгляд, их лигулы (увеличенные, сросшиеся лепестки крайнего венчика соцветий подсолнечника) имеют одинаковый, знакомый нам ярко-желтый цвет.
Однако при взгляде в ультрафиолетовом спектре (то есть за пределами видимого нашими глазами света) все оказывается совсем иначе. Подсолнухи накапливают поглощающие ультрафиолет пигменты у основания лигул. В результате на всем соцветии образуется ультрафиолетовый «бычий глаз».
В недавнем исследовании мы сравнили почти 2 000 диких подсолнухов. Мы обнаружили, что размер этих ультрафиолетовых «бычьих глаз» сильно варьирует как между видами, так и внутри них.
Вид подсолнечника, отличающийся наибольшим разнообразием размеров ультрафиолетовых буллей, — это Helianthus annuus, подсолнечник обыкновенный. H. annuus является ближайшим диким родственником культурного подсолнечника и наиболее широко распространен среди диких подсолнечников, произрастающих почти повсеместно между южной Канадой и северной Мексикой. В то время как некоторые популяции H. annuus имеют очень маленькие УФ-бульбы, в других ультрафиолетовая поглощающая область охватывает все соцветие.
Привлечение опылителей
Почему существует такая большая вариативность? Ученые давно знают о цветочных ультрафиолетовых паттернах. Некоторые из многочисленных подходов, использовавшихся для изучения роли этих узоров в привлечении опылителей, были весьма изобретательны, включая вырезание и склеивание лепестков или покрытие их солнцезащитным кремом.
Когда мы сравнивали подсолнухи с разными ультрафиолетовыми лучами, мы обнаружили, что опылители способны различать их и предпочитают растения со средними по размеру ультрафиолетовыми лучами.
Тем не менее, это не объясняет всего разнообразия УФ-шаблонов, которое мы наблюдали в разных популяциях диких подсолнухов: если промежуточные УФ-шаблоны привлекают больше опылителей (что, несомненно, является преимуществом), то почему существуют растения с маленькими или большими УФ-шаблонами?
Другие факторы
Хотя привлечение опылителей, безусловно, является основной функцией цветочных признаков, появляется все больше доказательств того, что факторы, не связанные с опылителями, такие как температура или травоядные, могут влиять на эволюцию таких характеристик, как цвет и форма цветка.
Мы нашли первый ключ к тому, что это может быть и в случае с ультрафиолетовыми узорами у подсолнечника, когда изучили, как их вариации регулируются на генетическом уровне. Один-единственный ген, HaMYB111, отвечает за большую часть разнообразия ультрафиолетовых узоров, которые мы наблюдаем у H. annuus. Этот ген контролирует производство семейства химических веществ, называемых флавоноловыми гликозидами, которые мы обнаружили в высоких концентрациях в УФ-поглощающей части лигул. Флавоноловые гликозиды являются не только УФ-поглощающими пигментами, но и играют важную роль, помогая растениям справляться с различными экологическими стрессами.
Вторая подсказка пришла из открытия, что тот же ген отвечает за УФ-пигментацию в лепестках кресс-салата, Arabidopsis thaliana. Кресс-салат — наиболее часто используемая модельная система в генетике и молекулярной биологии растений. Эти растения способны к самоопылению и поэтому обычно обходятся без опылителей.
Поскольку им не нужно привлекать опылителей, у них маленькие, непритязательные белые цветки. Однако их лепестки полны поглощающих ультрафиолет флавонолов. Это говорит о том, что для присутствия этих пигментов в цветках кресс-салата есть причины, не связанные с опылением.
Наконец, мы заметили, что популяции подсолнечника, произрастающие в более сухом климате, имеют более крупные УФ-бульбы. Одна из известных функций флавоноловых гликозидов — регулирование транспирации. Действительно, мы обнаружили, что лигулы с крупными УФ-узорами (которые содержат большое количество флавоноловых гликозидов) теряли воду гораздо медленнее, чем лигулы с мелкими УФ-узорами.
Это позволяет предположить, что, по крайней мере у подсолнечника, узоры цветочной УФ-пигментации выполняют две функции: повышают привлекательность цветков для опылителей и помогают подсолнечнику выжить в более засушливой среде, сохраняя воду.
Экономная эволюция
Чему же это нас учит? Во-первых, о том, что эволюция экономна и по возможности использует один и тот же признак для достижения более чем одной адаптивной цели. Это также предлагает потенциальный подход к улучшению культивируемого подсолнечника, одновременно повышая уровень опыления и делая растения более устойчивыми к засухе.
Наконец, наша работа и другие исследования, посвященные разнообразию растений, могут помочь в прогнозировании того, как и в какой степени растения смогут справиться с изменением климата, который уже меняет среду, к которой они приспособлены.
Автор — Марко Тодеско, научный сотрудник отдела биоразнообразия Университета Британской Колумбии.
