Почему некоторые растения на чужбине растут лучше, чем на родине?

Агератина бубенчиковая (Ageratina adenophora) — кустарник из семейства сложноцветных родом из Мексики, но распространившийся очень широко по всему свету. Фото с сайта www.floracyberia.net
Агератина бубенчиковая (Ageratina adenophora) — кустарник из семейства сложноцветных родом из Мексики, но распространившийся очень широко по всему свету. Фото с сайта www.floracyberia.net

Проблема «инвазийных», то есть заносных для данной области, видов растений занимает в последнее время не только ученых-экологов, но и широкую публику. Дело в том, что, оказавшись на новой территории, инвазийные виды нередко начинают размножаться чрезвычайно интенсивно, становятся доминантными в местных сообществах, а порой даже превращаются в злостные сорняки (см.: Invasive species). Изучение подобных растений показало, что в новых местах обитания у них происходит отбор на более высокую скорость роста. А возможным это становится за счет сокращения затрат на выработку защищенности от растительноядных животных.

Вторгаясь в сложившееся растительное сообщество, инвазийный вид порой приводит к резкому возрастанию чистой первичной продукции (суммарного прироста массы растений за какое-то время; см. Primary production), хотя при дальнейшем увеличении числа видов продукция может и снижаться. В сообществах без заносных видов продукция по мере увеличения числа видов обычно возрастает асимптотически (см. рис. 1). Очевидно, что по каким-то своим биологическим характеристикам инвазийный вид отличается от окружающих его аборигенных видов. Однако причины этого явления оставались до недавнего времени непонятными. По большому счету, успех инвазийных видов даже парадоксален. Ведь традиционно считается, что организмы любого вида лучше всего приспособлены для жизни в родных местах — там, где эти виды сформировались, где происходил естественный отбор, работавший на достижение наилучшего возможного соответствия окружающим условиям. Это касается климата, почвы, растительного покрова и, конечно же, биотического окружения, включая конкурентов, хищников и паразитов, которым они способны достаточно успешно противостоять.

Необычный успех инвазийного вида может объясняться, видимо, только тем, что на новом месте помимо благоприятности всех абиотических условий ослаблен пресс негативных воздействий со стороны других организмов: конкурентов, хищников (в случае растений — растительноядных животных), паразитов и возбудителей болезней. В частности, предполагается (и тому есть экспериментальные подтверждения), что в местах коренного местообитания какого-либо вида растений в почве отбираются патогенные штаммы микробов, фактически — паразитов, тормозящих их рост. Поэтому пересаживание растений в почву, в которой ранее эти виды не произрастали, как правило, способствует более интенсивному их росту.

Другое обстоятельство, возможно определяющее успех инвазийных видов растений, это ускорение круговорота азота — элемента, которого в почве часто не хватает. Предполагается, что стебли и листья быстро растущих вселенцев характеризуются несколько меньшим содержанием целлюлозы (клеточные стенки у них более тонкие). Они более мягкие и нежные. Органическое вещество таких растений после их отмирания быстрее разлагается грибами и бактериями. Соответственно, быстрее идут процессы нитрификации — превращения аммонийного азота в нитриты и нитраты, то есть в форму, пригодную для нового потребления растениями. К примеру, завезенный в Канаду из Европы клен платановидный Acer platanoides ускоряет процессы минерализации (разложения органического вещества в почве) и нитрификации по сравнению с аборигенным видом — кленом сахарным Acer saccharum.

Клен платановидный Acer platanoides (слева) — инвазийный для Канады вид. Характеризуется более быстрым ростом, чем аборигенный сахарный клен Acer saccharum (справа). Интродукция этого вида способствует ускорению круговорота азота. Фото с сайта www.mobot.org
Клен платановидный Acer platanoides (слева) — инвазийный для Канады вид. Характеризуется более быстрым ростом, чем аборигенный сахарный клен Acer saccharum (справа). Интродукция этого вида способствует ускорению круговорота азота. Фото с сайта www.mobot.org

Если заносные виды в новом месте растут быстрее, чем на родине, остается предполагать, что в их популяциях идет отбор на усиление свойств, отвечающих за быстрый рост. Но сразу возникает вопрос: за счет каких ресурсов это возможно и почему этого не наблюдается на родине? Специальное исследование на этот счет предприняла группа специалистов из Китая, США, Мексики и Индии. Объектом их изучения было растение (полукустарник) из семейства сложноцветных — агератина бубенчиковая (Ageratina adenophora). Родом агератина из Мексики, но оттуда она широко расселилась по субтропическим районам других континентов, превратившись в типичный инвазийный вид.

Тропический ботанический сад в Китае (The Xishuangbanna Tropical Botanical Garden), где проводились исследования. Фото с сайта scenery.cultural-china.com
Тропический ботанический сад в Китае (The Xishuangbanna Tropical Botanical Garden), где проводились исследования. Фото с сайта scenery.cultural-china.com

Основанная часть работы проводилась в Тропическом ботаническом саду Китайской академии наук в местечке Сишуанбаньна (Xishuangbanna Tropical Botanical Garden) в юго-восточной части Китая (провинция Юньнань, 21°56' с.ш., 101°15' в.д.). Растения агератины, используемые в эксперименте, были получены из семян, собранных в трех районах произрастания: на родине в Мексике и в двух местностях, где растение является заносным, — в Индии и Китае. Исследователи старались создать представительные выборки из каждого места произрастания. В каждом случае семена собирали из пяти разных популяций, а в каждой популяции — от 15 растений, не растущих в непосредственной близости друг от друга. В лаборатории в Китае семена проращивали в стандартных условиях, а молодые, достигшие 10 см в высоту растения, высаживали на делянки в открытый грунт. Никаких удобрений и дополнительного полива не применяли. Периодически измеряли характеристики отдельных листьев с разных растений, а спустя 8 месяцев после прорастания в контролируемых лабораторных условиях при одной освещенности и разном содержании в воздухе СО2 оценили скорость фотосинтеза, а также соотношение азота, идущего, непосредственно на фотосинтез, и откладываемого в клеточных стенках.

Рис. 1. Суммарная чистая продукция растительности, как правило, растет асимптотически при увеличении числа видов (нижняя кривая, native species). В сообществах с инвазийными видами (верхняя кривая, invaded communities) подскок продуктивности может наблюдаться при очень низком общем видовом разнообразии — только за счет заносного вида. По оси X — число видов растений. По оси Y — первичная продукция (кг/м2/год). На врезке справа показан инвазийный вид — агератина бубенчиковая Ageratina adenophora. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Рис. 1. Суммарная чистая продукция растительности, как правило, растет асимптотически при увеличении числа видов (нижняя кривая, native species). В сообществах с инвазийными видами (верхняя кривая, invaded communities) подскок продуктивности может наблюдаться при очень низком общем видовом разнообразии — только за счет заносного вида. По оси X — число видов растений. По оси Y — первичная продукция (кг/м2/год). На врезке справа показан инвазийный вид — агератина бубенчиковая Ageratina adenophora. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Результаты эксперименты подтвердили ожидания авторов. Доля азота, идущего на фотосинтез (то есть непосредственно на прирост массы растения), в растениях из районов инвазии (из Индии и Китая), была разной, но в обоих случаях значимо выше, чем у растений из мест исконного произрастания (из Мексики). Скорость фотосинтеза агератины из Китая и Индии была выше, чем у агератины из Мексики. Неудивительно, что растения из тех районов, где они являются инвазийными, получились более высокими и с более крупными листьями, хотя плотность тканей их листьев была значимо ниже. Подобный результат означает, что растения агератины в новых местах обитания вкладывают больше ресурсов непосредственно в рост, но происходит это за счет сокращения трат на формирование защитных структур.

Таким образом, мы наблюдаем классический пример «трейд-офа» (trade-off) — отрицательной корреляции между развитием разных признаков, происходящим за счет перераспределения ресурсов организма на разные нужды (см. также: Plant defense against herbivory).

Источники:
1) Marnie E. Rout, Ragan M. Callaway. An invasive plant paradox // Science. 2009. V. 324. P. 734–735.
2) Yu-Long Fenga, Yan-Bao Leia, Rui-Fang Wanga et al. Evolutionary tradeoffs for nitrogen allocation to photosynthesis versus cell walls in an invasive plant // PNAS. 2009. V. 106. P. 1853–1856 (вся статья в открытом доступе).

См. также:
1) А. М. Гиляров. Почему процветают виды-вселенцы? // Природа. 2002. № 10.
2) John N. Klironomos. Feedback with soil biota contributes to plant rarity and invasiveness in communities // Nature. 2002. V. 417. P. 67–70.
3) Европейский сорняк губит американские леса, «Элементы», 27.04.2006.

Алексей Гиляров


0
Написать комментарий


    Другие новости


    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»