В долгосрочном эксперименте по амброзии трехраздельной исследователи отмечают изменения морфофункциональных признаков инвазивного сорного растения за десятилетие.
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей международного коллектива исследователей из Сербии, Израиля и Италии, в которой авторы предупреждают о том, что стоит готовиться к более агрессивному распространению опасного сорняка – амброзии трехраздельной.
Почему необходимы системы прогноза биологических инвазий сорных растений
Биологические инвазии, представляющие собой один из основных компонентов глобальных изменений, имеют негативные последствия для структуры, функционирования и динамики экосистем.
Успех биологических инвазий зависит от потенциала вида колонизировать новые среды обитания (например, высокая эффективность рассеивания, устойчивость семенного банка и плотность популяции) и от его конкурентоспособности по отношению к местным видам растений (например, быстрый рост растений с точки зрения более высокого производства биомассы и высокой способности к регенерации).
В целом, воздействие биологических инвазий на резидентное сообщество зависит как от биологических характеристик захватчика, так и от характеристик захваченного сообщества.
В частности, как показали генетические исследования, многие инвазивные виды демонстрируют довольно быструю адаптацию к новым условиям, происходящую менее чем за 20 поколений.
Однако разная скорость адаптивной эволюции у инвазивных видов затрудняет прогнозирование потенциального расширения ареала видов, особенно учитывая, что этот аспект до недавнего времени почти не рассматривался.
Недавние исследования пытались выяснить, как эволюционные изменения зависят от фенотипической пластичности, поскольку успех инвазивного вида часто приписывался универсальному генотипу, который производит подходящий фенотип в разных средах, что подразумевает высокий уровень фенотипической пластичности.
Сообщалось, что пластичные черты развиваются в процессе вторжения, так что вторжениям могут способствовать как пластичность, так и эволюционные изменения пластичности.
Тем не менее, только несколько исследований задокументировали расхождение черт в естественных популяциях после наблюдения градиента пластичности в тех же популяциях. В частности, гипотеза «сначала пластичность» предсказывает, что фенотипическая пластичность может способствовать адаптивным эволюционным изменениям, создавая популяции с повышенной приспособленностью в разных условиях окружающей среды в пределах ареалов распространения вида (стрессовых или новых).
Со временем экологически модулированные изменения признаков могут быть оптимизированы посредством генетического приспособления (т. е. отбора).
В этой структуре, в период изменения климата, как прогнозируется, многие инвазивные чужеродные виды будут находиться в процессе адаптации в течение короткого времени, что может привести к увеличению популяций с лучшей приспособленностью.
В свою очередь, пластичность признаков может дать инвазивным чужеродным видам конкурентное преимущество по сравнению с местными видами, увеличивая их влияние на экосистемы.
Следовательно, некоторые признаки растений могут модулироваться новыми условиями окружающей среды (для видов, колонизирующих новые территории) посредством фенотипической пластичности и могут быть ответственны за успешность вторжения чужеродных видов.
Учитывая такие важные вопросы, необходимы дополнительные исследования, предсказывающие, как инвазивные виды будут вести себя и адаптироваться к новым условиям окружающей среды. В частности, во время биологических вторжений виды обычно распространяются на больших и климатически разнообразных территориях.
Поэтому прогнозирование того, как растения будут реагировать на новые территории, необходимо понимать с точки зрения адаптации местных популяций к новым условиям. Температура, в частности, может оказывать влияние на растения напрямую, а также косвенно через факторы окружающей среды, которые изменяются вместе с температурой.
Амброзия трехраздельная стремительно адаптируется для большего производства семян
Ambrosia trifida L. является одним из самых вредных чужеродных видов растений в Европе. Она произрастает в Северной Америке, и сегодня встречается почти во всех провинциях Соединенных Штатов и Канады, с меньшим присутствием в западной части континента.
Сорняк был широко интродуцирован в Европу и отмечен во многих регионах Европы и Азии. Амброзия трехраздельная в основном находится в фазе натурализации с тенденцией к распространению на новые территории. В Центральной Европе популяции вида были зарегистрированы на обширных территориях в фазе распространения.
Известно, что вид очень изменчив морфологически и генетически и очень конкурентоспособен за ресурсы и пространство. Действительно, это один из первых видов растений, появляющихся ранней весной. К концу мая растения могут достигать высоты до 4 м, поэтому этот вид называют амброзией гигантской. Сорняк очень эффективно использует воду и питательные вещества из почвы и, таким образом, влияет на доступность природных ресурсов, необходимых для роста и развития других видов растений.
Как сельскохозяйственный сорняк, амброзия трехраздельная может привести к значительным потерям урожая некоторых культур. В некоторых исследования сообщается о потерях урожайности кукурузы и сои в размере 13% и 50% соответственно при наличии всего одного растения A. trifida на квадратный метр. Также ученые обнаружили потерю урожайности кукурузы в размере 60% при наличии 14 растений A. trifida /10 м2 .
Кроме того, в несельскохозяйственных местообитаниях амброзия трехраздельная может отрицательно влиять на биоразнообразие местной флоры и растительности, подавляя автохтонные, неместные, редкие и находящиеся под угрозой исчезновения виды. Наконец, пыльца сорняка является важным источником аэроаллергенов.
Несмотря на потенциал инвазивности, исследования адаптационного потенциала и пластичности A. trifida немногочисленны. Предыдущие исследования в основном изучали негативное влияние сорняка на сельскохозяйственное производство, устойчивость к гербицидам и его распространение в Европе.
«В данной статье, рассматривая экологические характеристики A. trifida, мы выдвинули гипотезу, что время пребывания его популяций в зоне вторжения могло способствовать адаптации вида к новой среде путем изменения морфофункциональных признаков, связанных с инвазивностью, для максимизации приспособленности растений. В частности, исходя из научных данных о высоком уровне фенотипической пластичности A. trifida, мы предположили, что первоначальная инвазивная среда вызвала фенотип, характеризующийся признаками, которые позволили виду удовлетворить свои потребности, которые со временем и при сохранении тех же условий среды стали наследуемыми», пишут авторы статьи.
Многолетний эксперимент по амброзии трехраздельной подтвердил худшие опасения
Для проверки гипотезы исследователи изучили морфофункциональные признаки растений A. trifida из 10 популяций семян, собранных в одном и том же сельскохозяйственном районе в течение 10 последовательных лет (с 2011 по 2020 г.). Изменения признаков, обнаруженные при различных температурах в контролируемых условиях и в полевых условиях, были статистически обработаны для определения влияния времени пребывания на эволюцию фенотипической пластичности A. trifida и оценки ее локального адаптивного потенциала.
Семена собирались в сельскохозяйственном районе в Центральной Бачке (провинция Воеводина), Республика Сербия каждый год с 2011 по 2020 год. Семена собирались в период созревания (осенью) не менее чем со 100 различных материнских растений (ежегодно), затем доставлялись в лабораторию и хранились при комнатной температуре (от 20 до 23 °C) до использования. Для определения изменений морфофункциональных признаков растений, выращенных из 10 семенных популяций, в 2021 году был проведен лабораторный эксперимент в Институте защиты растений и окружающей среды (Белград), а также полевой эксперимент на ферме близ Добрича, Республика Сербия.
Все 10 запасов семян A. trifida были протестированы на всхожесть и рост в контролируемых условиях. Для того чтобы вывести семена из состояния покоя, их подвергали стратификационной обработке в три этапа: низкая температура (4 °C/7 дней), высокая температура (40 °C/2 дня) и снова низкая температура с добавлением KNO3, нитрата калия, (4 °C/7 дней).
Испытания на всхожесть проводились в почвенном субстрате (10 семян/горшок) при трех различных температурах в течение 28 дней и повторялись три раза: 10 °C, 20 °C и 25 °C. Такие температуры были выбраны на основе литературы, указывающей, что прорастание A. trifida происходит в диапазоне температур 5–41 °C, с максимальной скоростью прорастания при 20 °C и оптимумом между 10 и 25 °C.
Таким образом, были выбраны три температуры, при этом температура 20 °C соответствует пику максимальной всхожести, а 10 и 25 °C — нижнему и верхнему оптимуму. Что касается 10 °C, то специально выбрали эту температуру также потому, что A. trifida, как было замечено, является одним из первых летних однолетних сорняков, которые появляются при этой температуре почвы ранней весной.
Кроме того, тестирование различных температур может подчеркнуть способность вида адаптироваться к различным климатическим условиям, как уже наблюдалось для амброзии трехраздельной.
Проросшие семена затем использовались для тестирования роста и развития растений при трех различных температурах (10 °C, 20 °C, 25 °C) в трех камерах роста с идентичными фотопериодами и интенсивностью освещения (16/8 ч свет/темнота). Использовалось 150 горшков (3 температуры × 5 повторений в год × 10 лет). Горшки были расположены в совершенно случайном порядке и еженедельно менялись местами, чтобы свести к минимуму пространственные колебания. Семена были высажены на глубину 0,5 см в каждый горшок и регулярно поливались.
После прорастания один саженец выращивался в каждом горшке в течение примерно 2 месяцев для каждой обработки. Эксперимент был начат 12 апреля, и в три последовательные даты (3 мая, 24 мая и 14 июня) регистрировались следующие характеристики растений: максимальная высота растения (см), количество листьев на растении, максимальная ширина растения (см), сырая и сухая биомасса корней (г) и общая сухая биомасса растения (г).
Полевой эксперимент проводился в период с апреля по октябрь 2021 года (Добрич, Сербия) на паровом поле, где более семи лет не засевали никакие культуры.
Эксперимент был организован по принципу полностью рандомизированного блочного дизайна с тремя повторениями с 2011 по 2020 год. Каждый год семена высеивались на трех участках размером 1 м 2 × 1 м 2 и выращивались с плотностью пять растений на квадратный метр. Заданная плотность растений поддерживалась путем прореживания спонтанной растительности, растущей на участках каждые 7–10 дней в течение сезона. В процессе роста собирались следующие данные о вегетативных и репродуктивных признаках: максимальная высота, ширина, количество листьев, общая сухая биомасса, количество соцветий, количество мужских цветков, количество семян и масса семян.
«Наши результаты показывают, что в 10-летнем эксперименте как в сельскохозяйственной зоне Сербии, в пределах своего инвазивного ареала, так и в лабораторных условиях, A. trifida изменил большинство своих вегетативных и репродуктивных признаков, со временем увеличив свою производительность. Это говорит о том, что вид адаптируется к местным условиям посредством генного и/или негенного контроля основных фенотипических признаков. В нашем эксперименте время пребывания не влияло на время прорастания, но модулировало развитие растения, создавая все более крупные особи, способные производить все больше и больше семян. Эта тенденция наблюдалась как в лабораторных (при трех разных температурах), так и в полевых экспериментах, что предполагает изменение признаков, вызванное окружающей средой, которое со временем совершенствовалось путем отбора. Действительно, при изменении для адаптации к новым условиям популяции, которые выражают различные фенотипы, как показано для A. trifida, с большей вероятностью смогут быстро адаптироваться, поскольку полезные фенотипы с большей вероятностью будут присутствовать для продолжения отбора», заключают исследователи.
Результаты, по-видимому, подтверждают гипотезу о том, что потенциал адаптации A. trifida резко усилился за десятилетие, и что в будущем мы можем ожидать растений с большей вегетативной производительностью и приспособленностью, которые могут значительно повлиять на распространение этого вида. Поэтому необходимы дальнейшие исследования генетических механизмов, участвующих в адаптации инвазивных признаков растений.
По статье группы авторов (Александра Савич, Маор Мацрафи, Саня Джурович, Родольфо Джентили, Сандра Читтерио), опубликованной в журнале Agronomy 2024 на портале www.mdpi.com.
Фото: Le.Loup.Gris. CC BY-SA 3.0.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
