Тяжелые изотопы азота указывают на частично гетеротрофное питание альпийских горечавковых

Представители семейства Горечавковых. (Иллюстрация из Википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Горечавковые)

Целью настоящего исследования была проверка гипотезы о том, что альпийские виды из семейства Gentianaceae (Горечавковые) с зелеными листьями могут быть частично микогетеротрофны. Наличие миксотрофии у растений выявляли современными методами изотопного анализа. Результаты показали, что характерное для гетеротрофов обогащение тяжелыми изотопами наблюдается только по азоту, но не по углероду.

Не все растения одинаково добывают себе пропитание. Привычный образ фотосинтезирующего (автотрофного) зеленого растения на самом деле не так однозначен. Среди растений можно наблюдать весь спектр от полностью фотоавтотрофных до бесхлорофилльных гетеротрофов. На ум сразу приходят схватывающие насекомых плотоядные растения: росянки или замечательная Венерина мухоловка (рис. 1). Но в действительности миксотрофия – способность получать питательные вещества не только путем фотосинтеза, но и из других организмов – довольно широко распространена среди растений и не всегда так «смертельно опасна» для используемых организмов. Такую возможность, например, дает взаимодействие растения с гифами грибов - микогетеротрофия. Микогетеротрофия может возникать при разных типах микоризы и бывает частичной или полной. По мнению некоторых ученых, наличие у определенных видов растений полной микогетеротрофии указывает на распространенность среди родственных им видов частичной способности получать питательные вещества от симбиотических грибов. Целью данного исследования было выявить наличие (или отсутствие) микогетеротрофии у альпийских родственников в семействе Gentianaceae (Горечавковые) (Заглавная иллюстрация). Поскольку некоторые растения этого семейства способны к полной микогетеротрофии, то исследование может подтвердить (опровергнуть) жизнеспособность представленной гипотезы «о родственниках». К тому же интересно проверить насколько распространено миксотрофное питание среди альпийских трав, растущих в условиях короткого вегетационного периода.

Рис. 1. Плотоядная росянка со своими жертвами. (Фото с сайта klubrasteniy.ru)

Метод исследования основан на явлении накопления тяжелых изотопов углерода (¹³С) и азота (¹⁵N) в пищевых цепях: соотношение тяжелых и легких изотопов будет повышаться в ряду от автотрофов к гетеротрофам. Основная сложность в интерпретации результатов анализа концентрации изотопов в том, что эти показатели зависят не только от положения в пищевой цепи, но и от микроусловий произрастания растений. Поэтому основным методом является сравнительный анализ соотношений изотопов с таковыми эталонных растений, произрастающих в тех же условиях, т.е. по соседству. Авторы для этих целей собирали листья изучаемого растения (Gentianaceae) и ближайшего доступного растения из эталонных видов (представитель разнотравья с арбускулярной микоризой). Всего было изучено 9 видов горечавковых из двух регионов: на Северо-Западном Кавказе (Тебердинский заповедник, Карачаево-Черкесская Республика, Россия; 6 пар) и в Восточном Тибете (Долина Цзючжайгоу, провинция Сычуань, КНР; 3 пары). Для каждого вида из сем. Gentianaceae выбрали наиболее обычный растущий поблизости вид разнотравья с арбускулярной микоризой (эталон). В каждом местообитании растения каждого вида собирали в пятикратной повторности. Анализ на стабильные изотопы был проведен на изотопном масс-спектрометре Thermo Delta V Plus и элементном анализаторе Thermo Flash 1112 в Центре коллективного пользования Института экологии и эволюции А.Н. Северцова РАН, Москва.

Тяжелые изотопы углерода. Концентрации тяжелых изотопов углерода и азота различались как между видами, так и между местообитаниями, что говорит об изменчивости этих показателей. Авторы не берутся на данном материале анализировать причины обнаруженной вариабельности. Сравнительный анализ с эталонными растениями, произрастающими по соседству с изучаемыми, показал, что последние не имели тенденцию к увеличению концентрации ¹³С (рис. 2). А у некоторых горечавковых содержание тяжелого изотопа было даже ниже, чем у эталонного растения, что обычно указывает на автотрофный характер питания.

Рис. 2. Отклонение концентрации тяжелого изотопа углерода (‰) (слева) и азота (‰) (справа) для пар в листьях Gentianaceae (красные столбцы) и эталонных растений с арбускулярной микоризой (синие столбцы). Показана стандартная ошибка (n = 5). Значения p по результатам апостериорных LSD-тестов показаны под столбцами (цифры красного цвета: p < 0.05). (По ординате показатель - тысячные доли отклонения содержания изотопа от международного стандарта [(Rпроба – Rстандарт)/Rстандарт] × 1000 (‰), иллюстрация из обсуждаемого исследования)

Тяжелые изотопы азота. Значения содержания ¹⁵N у эталонных растений было сходно с таковым (известным по данным других авторов) у альпийских растений с арбускулярной микоризой, а эти значения у изученных горечавковых были значимо выше и сходны с альпийскими бобовыми и осоками, не образующими микоризу (см. рис. 2). Таким образом, источник азота у горечавковых, по-видимому, иной, чем у растений с арбускулярной микоризой, т.е. можно предположить частичную микогетеротрфию.

Обсуждение результатов. Все известные на данный момент полностью микогетеротрофные горечавковые обогащены тяжелыми изотопами как углерода, так и азота. Однако в данном исследовании накопление тяжелого изотопа углерода не было зафиксировано как однозначная тенденция (показано только для некоторых пар). В связи с этим авторы приводят примеры микогетеротрофных видов, в которых так же не наблюдается обогащение тяжелым изотопом углерода, в отличие от азота. Таковы микогетеротрофы с арбускулярной микоризой: действительно, именно гриб пользуется органическим углеродом симбионтного растения, а растение получает свой углерод обычным автотрофным способом. С другой стороны, есть примеры микогетеротрофных растений, которые в одних условиях демонстрируют повышенную концентрацию обоих тяжелых изотопов, а в других только тяжелого изотопа азота (как и в данном случае). Это, например, Moneses uniflora из семейства вересковых, которая в США обогащена обоими тяжелыми изотопами, а в Европе отличается повышенным содержанием только азота.

На основании анализа данных авторы предполагают наличие частичной микогетеротрофии у исследованных горечавковых, что может помогать видам в условиях короткого вегетационного периода. Такие данные, по мнению авторов, поддерживает гипотезу о повышении вероятности проявления частичной миксотрофии среди филогенетических родственников видов с полной микогетеротрофией, высказанной ранее другими исследователями.