Mitkä kasvit selviävät kuivuudesta ja ilmastonmuutoksesta?

Kuivuus pahenee kaikkialla maailmassa, mikä on suuri haaste kasveille kaikissa ekosysteemeissä, sanoi Lawren Sack, UCLA: n ekologian ja evoluutiobiologian professori ja tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. Tiedemiehet ovat keskustelleet yli vuosisadan ajan siitä, kuinka ennustaa, mitkä lajit ovat haavoittuvimpia.

Kuivuneet puunlehdet Havaijin metsässä äärimmäisen kuivuuden 2010-11 aikana, joka oli pahin ainakin 11 vuoteen ja joka oli liittovaltion luonnonkatastrofi. Puu on alahee (Psydrax odorata). Kuva Luotto: Faith Inman-Narahari

Sack ja kaksi hänen laboratorionsa jäsentä ovat tehneet perustavanlaatuisen löydön, joka ratkaisee tämän keskustelun ja mahdollistaa ennustamisen siitä, kuinka erilaiset kasvilajit ja kasvityypit kaikkialla maailmassa sietävät kuivuutta, mikä on kriittistä, kun otetaan huomioon ilmastonmuutoksen aiheuttamat uhat, hän sanoi.

Tutkimus on tällä hetkellä saatavilla arvostetun ekologialehden Ecology Letters -verkkopainoksessa, ja se julkaistaan ​​tulevana painettuna painoksena.

Miksi auringonkukka kuihtuu ja kuivuu nopeasti, kun maaperä kuivuu, kun taas Kalifornian alkuperäiset chaparral -pensaat selviävät pitkistä kuivista kausista ikivihreillä lehdillään? Koska kasvien kuivuuden sietokyvyn määrittämiseen liittyy monia mekanismeja, kasvitieteilijät ovat käyneet vilkasta keskustelua siitä, mikä ominaisuus on tärkein. Kansallisen tiedesäätiön rahoittama UCLA -tiimi keskittyi piirteeseen, jota kutsutaan ”turgorin menetyspisteeksi”, jonka ei koskaan aikaisemmin ollut osoitettu ennustavan kuivuuden sietokykyä kasvilajeille ja ekosysteemeille.

Perusero kasvien ja eläinten välillä on se, että kasvisolut ovat soluseinien ympäröimiä, kun taas eläinsolut eivät. Säilyttääkseen solunsa toiminnassa kasvit ovat riippuvaisia ​​'turgoripaineesta' - paineesta, jonka solut tuottavat sisäisestä suolaisesta vedestä, joka työntää soluseiniä ja pitää niitä yllä. Kun lehdet avaavat huokosensa tai stomatat, keräämään hiilidioksidia fotosynteesiin, ne menettävät huomattavan määrän tätä vettä haihtumiseen. Tämä kuivattaa solut aiheuttaen paineen menetyksen.

Kuivuuden aikana solun vesi on vaikeampaa korvata. Turgorin häviämispiste saavutetaan, kun lehtisolut saavuttavat pisteen, jossa niiden seinät löystyvät; tämä turgorin solutason menetys aiheuttaa lehtien löystymisen ja kuihtumisen, eikä kasvi voi kasvaa, Sack sanoi.

Kuivuneet puunlehdet Havaijin metsässä äärimmäisen kuivuuden 2010-11 aikana, joka oli pahin ainakin 11 vuoteen ja joka oli liittovaltion luonnonkatastrofi. Tämä puu on santelipuu (Santalum paniculatum). Kuva Luotto: Faith Inman-Narahari

'Maaperän kuivuminen voi saada kasvin solut saavuttamaan turgorihäviöpisteen, ja kasvi joutuu valitsemaan, sulkeako hän stomatat ja uhkaa nälkää tai fotosynteesiä kuihtuneilla lehdillä ja vahingoittaa sen soluseiniä ja aineenvaihduntaproteiineja', Sack sanoi. 'Ollakseen kuivuutta kestävämpi, laitoksen on muutettava turgorihäviöpisteään niin, että sen solut pystyvät pitämään turgorinsa myös maaperän ollessa kuiva.'

Biologit osoittivat, että ekosysteemeissä ja ympäri maailmaa kuivuutta sietävillä kasveilla oli alhaisemmat turgorihäviöt; he pystyivät säilyttämään turgorinsa kuivemmasta maaperästä huolimatta.

Tiimi ratkaisi myös muita vuosikymmeniä vanhoja kiistoja ja kumosi monien tutkijoiden pitkäaikaiset oletukset ominaisuuksista, jotka määrittävät turgorin menetyspisteen ja kuivuuden sietokyvyn. Kahden kasvisoluun liittyvän ominaisuuden on arveltu vaikuttavan kasvien turgorihäviöpisteeseen ja parantavan kuivuuden sietokykyä: Kasvit voivat tehdä soluseinistään jäykempiä tai tehdä soluistaan ​​suolaisempia lataamalla niihin liuenneita aineita. Monet merkittävät tutkijat ovat nojautuneet 'jäykän soluseinän' selitykseen, koska kuivilla alueilla ympäri maailmaa olevilla kasveilla on yleensä pieniä, kovia lehtiä. Jäykät soluseinät saattavat antaa lehden välttää kuihtumista ja pitää kiinni vedestään kuivina aikoina, tutkijat perustelivat. Solujen suolaisuudesta kasveille ympäri maailmaa oli vähän tiedetty.

UCLA -tiimi on nyt osoittanut lopullisesti, että solun mehun suolaisuus selittää kuivuuden sietokyvyn eri lajeilla. Heidän ensimmäinen lähestymistapansa oli matemaattinen; tiimi tarkasteli uudelleen yhtälöitä, jotka hallitsevat kuihtumista, ja ratkaisivat ne ensimmäistä kertaa. Heidän matemaattinen ratkaisunsa viittasi suolaisemman solun mehun tärkeyteen. Suolaisempi solumahla kussakin kasvisolussa sallii kasvin ylläpitää turgoripainetta kuivina aikoina ja jatkaa fotosynteesiä ja kasvua kuivuuden myötä. Yhtälö osoitti, että paksut soluseinät eivät suoraan estä kuivumisen estämistä, vaikka ne tarjoavat epäsuoria etuja, jotka voivat olla joissain tapauksissa tärkeitä - suojaa liialliselta solujen kutistumiselta ja elementtien tai hyönteisten ja nisäkkäiden aiheuttamilta vaurioilta.

Ryhmä keräsi myös ensimmäistä kertaa kuivuuden sietokykyä koskevia tietoja lajeista maailmanlaajuisesti, mikä vahvisti niiden tuloksen. Kaikilla lajeilla maantieteellisillä alueilla ja ympäri maailmaa kuivuuden sietokyky korreloi solun mehun suolaisuuden kanssa eikä soluseinien jäykkyyden kanssa. Itse asiassa lajeja, joilla on jäykät soluseinät, ei löydetty kuivilta alueilta vaan myös märistä järjestelmistä, kuten sademetsistä, koska myös täällä evoluutio suosii vaurioilta suojattuja pitkäikäisiä lehtiä.

Sackin mukaan solujen suolaisuuden määrittäminen kuivuuden sietokyvyn päätekijäksi poisti suuret kiistat, ja se avaa tien ennusteille siitä, mitkä lajit voivat paeta ilmastonmuutoksen aiheuttamaa sukupuuttoa.

'Soluihin keskittynyt suola pitää vettä tiukemmin ja sallii kasvien säilyttää turgorinsa kuivuuden aikana', sanoo tutkimuksen toinen kirjailija Christine Scoffoni, UCLA: n tohtoriopiskelija ekologian ja evoluutiobiologian laitoksella.

Jäykän soluseinän rooli oli vaikeampi.

'Olimme yllättyneitä huomatessamme, että jäykempi soluseinä todella vähensi hieman kuivuuden sietokykyä-toisin kuin saatiin viisautta-mutta että monilla kuivuutta sietävillä kasveilla, joissa oli paljon suolaa, oli myös jäykkiä soluseiniä', sanoi johtava kirjailija Megan Bartlett, UCLA-tutkinnon suorittanut ekologian ja evoluutiobiologian laitoksen opiskelija.

Tämä näennäinen ristiriita selittyy kuivuutta sietävien kasvien toissijaisella tarpeella suojella kuivuvia solujaan kutistumiselta, kun ne menettävät turgoripaineen, tutkijat sanoivat.

'Vaikka jäykkä seinä ei ylläpitää soluturgoria, se estää soluja kutistumasta, kun turgori pienenee ja pysyy vedessä niin, että solut ovat edelleen suuria ja hydratoituneita jopa turgorin häviämispisteessä', Bartlett selitti. 'Joten ihanteellinen yhdistelmä kasveille on korkea liuenneiden aineiden pitoisuus pitämään turgoripaine ja jäykkä soluseinä estääkseen sen menettämästä liikaa vettä ja kutistumasta lehtiveden paineen laskiessa. Mutta jopa kuivuudelle herkillä kasveilla on usein paksut soluseinät, koska kovat lehdet suojaavat myös hyvin kasvinsyöjiä ja jokapäiväistä kulumista vastaan. ”

Vaikka tiimi osoitti, että turgorin häviämispisteellä ja suolaisella solumahlalla on poikkeuksellinen voima ennustaa kasvin kuivuuden sietokykyä, jotkut tunnetuimmista ja monipuolisimmista aavikkokasveista-mukaan lukien kaktus, yuccas ja agaves-osoittavat päinvastaista muotoilua ja monia joustavia seiniä solut, jotka pitävät laimeaa mehua ja menettävät turgorinsa nopeasti, Sack sanoi.

'Nämä mehikasvit ovat todella kauheita sietämään kuivuutta, ja sen sijaan ne välttävät sitä', hän sanoi. 'Koska suuri osa niiden kudoksista on vettä varastoivia soluja, he voivat avata stomatansa minimaalisesti päivällä tai yöllä ja selviytyä varastoidun veden kanssa sateeseen asti. Joustavat soluseinät auttavat heitä vapauttamaan vettä muulle kasville. ”

Tämä uusi tutkimus osoitti, että kasvien lehtien solujen suolaisuus voi selittää missä kasvit elävät ja millaisia ​​kasveja hallitsevat ekosysteemejä ympäri maailmaa. Tiimi työskentelee yhteistyökumppaneiden kanssa Xishuangbannan trooppisessa kasvitieteellisessä puutarhassa Yunnanissa, Kiinassa, kehittääkseen uuden menetelmän nopean turgorihäviöpisteen mittaamiseksi useilta lajeilta ja mahdollistamaan tuhansien lajien kuivuuden sietokyvyn kriittisen arvioinnin ensimmäistä kertaa. aika.

'Olemme innoissamme siitä, että meillä on niin voimakas kuivuusindikaattori, jota voimme mitata helposti', Bartlett sanoi. 'Voimme soveltaa tätä koko ekosysteemiin tai kasviperheeseen nähdäksemme, miten kasvit ovat sopeutuneet ympäristöönsä ja kehittää parempia strategioita niiden säilyttämiseksi ilmastonmuutoksen edessä.'

UCLA on Kalifornian suurin yliopisto, johon on ilmoittautunut lähes 38 000 perus- ja jatko -opiskelijaa. UCLA College of Letters and Science ja yliopiston 11 ammattikoulua tarjoavat tunnettuja tiedekuntia ja tarjoavat 337 koulutusohjelmaa ja pääaineita. UCLA on kansallinen ja kansainvälinen johtaja akateemisten, tutkimus-, terveydenhuolto-, kulttuuri-, täydennyskoulutus- ja urheiluohjelmiensa laajuudessa ja laadussa. Kuusi alumnia ja viisi tiedekuntaa ovat saaneet Nobel -palkinnon.

LähettäjäStuart Wolpert