Понимание того, как растения переносят тепловой стресс, имеет ключевое значение для разработки стратегий, которые помогут как местным растениям, так и сельскохозяйственным культурам выжить в условиях все более теплого климата, поддерживая стабильность экосистемы и продовольственную безопасность.
Доцент кафедры экологии растений Энди (Андреа) Ли из Сиднейского технологического университета (UTS) посетила некоторые из самых экстремальных мест в мире, чтобы изучить, как температура влияет на биологические процессы растений, а также как они выживают и адаптируются.
«Растения играют жизненно важную роль не только в обеспечении продовольствия и среды обитания, но и в охлаждении окружающей среды и хранении углерода из атмосферы. Даже обширные пустынные регионы Австралии покрыты растительностью, в отличие от некоторых других пустынь по всему миру, - говорит доцент Ли. - Многие виды растений выработали замечательные стратегии для борьбы с волнами тепла. Форма, размер и цвет листьев влияют на поглощение тепла. В пустыне и Альпах листья часто имеют очень бледную восковую или волосистую поверхность, которая отражает избыточное солнечное излучение. Маленькие листья также помогают сократить потерю воды и, как правило, остаются более прохладными, чем большие. Однако, когда засуха сочетается с волнами тепла, это грозит катастрофой. Тепловой стресс ухудшает фотосинтез, то есть процесс, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет в энергию, и это нарушает рост, цветение и производство семян».
Исследование, проведенное кандидатом на получение степени доктора наук UTS Алисией Кук под руководством доцента Ли, поставило под сомнение традиционное понимание порогов теплового воздействия у растений. Оно показывает, что переносимость тепла растениями лучше измеряется кумулятивным воздействием тепла, а не пиковыми температурами.
«В пищевой промышленности эта концепция уже давно используется для предотвращения пищевых отравлений. Чем выше температура, тем меньше времени требуется для уничтожения вредных бактерий. И наоборот, если температура ниже, то для уничтожения бактерий требуется больше времени», - поясняет доцент Ли.
«Мы проверили эту идею на растениях, измерив снижение эффективности фотосинтеза листьев после воздействия высоких температур в течение разных периодов времени. Как и у бактерий и других организмов, устойчивость растений к жаре следует схожей схеме, которая предполагает фундаментальное метаболическое сходство во всех формах жизни. Она также более точно отражает тип теплового стресса, встречающегося в природе», - сказала она.
Люди также страдают от кумулятивного воздействия тепла, что приводит к большему количеству визитов в больницу и смертей во время продолжительных волн тепла. А то, что не убивает, делает нас сильнее - многие растения и животные акклиматизируются и станут более устойчивыми к жаре, если испытают тепловой стресс.
Исследование «За пределами единого температурного порога: применение модели кумулятивного теплового стресса к устойчивости растений к жаре» было опубликовано в журнале Ecology Letters.
Доцент Ли недавно вернулась из Национального парка Косцюшко, где она работает над совместным проектом при поддержке правительства Нового Южного Уэльса через его Экологический фонд, Департамента по изменению климата и энергетике Нового Южного Уэльса, Службы национальных парков и дикой природы Нового Южного Уэльса (NPWS), Австралийского национального университета и Королевского ботанического сада Сиднея.
«В этом проекте изучаются находящиеся под угрозой исчезновения экологические растительные сообщества, встречающиеся в альпийских условиях, а также то, являются ли различные генетические штаммы некоторых альпийских видов более устойчивыми, чем другие. Это важно, поскольку растения, используемые NPWS для восстановления эродированных территорий, должны быть устойчивыми.
«По мере повышения температуры холодоустойчивым видам растений невозможно взять и далеко уйти. Они занимают узкую экологическую нишу, и, что интересно, по мере повышения температуры это может фактически привести к большему холодовому стрессу, поскольку становится меньше изолирующего снежного покрова, защищающего растения. Мы используем специальное оборудование для моделирования условий аномальной жары, применяя его к различным основным альпийским видам in situ. Подобные эксперименты практически никогда не проводятся, поскольку применение условий аномальной жары к растениям в отдаленном альпийском регионе невероятно сложно», - сказала она.
Руководителем проекта является кандидат наук из Техасского университета Лиза Дэнзи, которая опубликовала в журнале Plants научную статью на тему «Экологические и географические факторы, определяющие термоустойчивость и генетическую изменчивость альпийских растений».
В то время как природная среда имеет тонко настроенную защиту от тепловой волны, домашние садоводы часто испытывают трудности с защитой своих растений от суровых условий. Тепловой стресс может привести к увяданию садовых растений, их ожогам и опадению листьев.
«Если вы знаете, что приближается волна тепла, лучшее, что можно сделать, - поливать растения под корень, а не по листьям, и поливать их очень обильно, а не просто разбрызгивать. Лучше всего поливать рано утром или поздно вечером, чтобы почва успела впитать влагу до повышения температуры. Когда становится очень жарко, люди потеют, потому что это охлаждает нас. Когда вода испаряется с нашей кожи, она забирает с собой тепло. У растений то же самое, у них на листьях есть маленькие поры, называемые устьицами. Если у них достаточно воды, они откроют устьица, и вода испарится», - советует исследователь.
Также в качестве приемов защиты важны и другие нюансы. «Мульчирование для сохранения влажности почвы, размещение горшков в тени во время экстремальной жары или использование временных укрытий могут иметь огромное значение. Даже группировка растений может создать микроклимат, который поможет им выжить», - отметила исследователь.
«Изучение того, как растения функционируют в условиях экстремальных температур, необходимо для сохранения природы и сельского хозяйства. Понимая, какие виды наиболее уязвимы, мы можем планировать будущее, в котором растения и люди продолжат процветать», - заключила она.
Источник: University of Technology, Sydney.
На фото - Eremophila sp. - пустынная фуксия. Автор: д-р Андреа Ли.
