Термин биоразнообразие часто используется как синоним видового разнообразия. Однако это не совсем правильно, потому что, помимо разнообразия различных видов растений и животных, термин также включает вариации внутри одного и того же вида. Насколько хорошо растение развивается, насколько оно адаптируется к окружающей среде или справляется с климатическими условиями и естественными врагами, зависит от его генов.
С другой стороны, то, что конкретный ген делает в растении, зависит от того, где и как растение живет: изолированно, в густых популяциях, в центре или на краю популяции, в какой среде. Если учесть, что у растений может быть около 30 000 генов, которые могут выражаться совершенно по-разному в зависимости от времени и местоположения или других меняющихся условий, становится ясно, что бесчисленное количество комбинаций возможно только в результате вариабельной экспрессии генов, даже в пределах одного вида.
Проектная группа «Экологические функции вторичных метаболитов растений», возглавляемая Мередит Шуман, которая связана с Немецким центром интегративного биоразнообразия (iDiv) Галле-Йена-Лейпциг, изучает разнообразие этих комбинаций в функционально различных, но генетически близких друг к другу. идентичные растения. Исследователи используют табак Nicotiana attuata. Этот дикий вид табака, также называемый табаком койот, использует удивительно универсальные и сложные защитные механизмы, чтобы отбиваться от травоядных.
Большая часть его генома уже секвенирована.
Для своих экспериментов Мередит Шуман и ее коллеги использовали растения табака, у которых была изменена экспрессия определенных защитных генов, а именно LOX2, LOX3 и TPS10. Эти три гена обеспечивают важную прямую (LOX3) и непрямую защиту (LOX2, LOX3 и TPS10).
Путем подавления или сверхэкспрессии этих генов в различных комбинациях ученые получили растения, которые были генетически идентичными, за исключением манипуляции с этими конкретными генами, и значительно отличались в отношении важной экологической функции: способности защищаться.
Косвенная защита растений табака включает летучие вещества, которые действуют как молекулы-посредники, информируя хищников о присутствии травоядных. Тогда хищникам будет легче находить свою добычу, а растения – избавиться от врагов.
Эти молекулы запаха могут перемещаться на большие расстояния, поэтому все окрестности могут выиграть от привлеченных хищников, даже если только одно растение производит летучие вещества. «Вариации генов отдельных растений могут иметь большое влияние на целые популяции растений, если сами эти гены выполняют важные экологические функции», – объясняет Мередит Шуман.
Вместе с дикими растениями табака растения, экспрессия трех защитных генов которых была изменена, были высажены небольшими популяциями в их естественной среде обитания в пустыне Большого бассейна в штате Юта, США, где за ними наблюдали в течение определенного периода времени. Исследователи обнаружили, что популяции травоядных и их естественных врагов менялись по соседству и на растениях в зависимости от сочетания функционально разнообразных растений. Однако изменения часто наблюдались не на отдельных растениях, а во всей популяции.
Одно из наблюдений ученых стало настоящим сюрпризом: в непосредственной близости от растений, экспрессирующих TPS10, которые производят летучие транс-?-бергамотин (ТАБ), привлекающий хищников, заражение растений долгоносиком Trichobaris mucorea, личинки которого скрываются от хищников внутри стеблей, увеличилось более чем вдвое. «Этот результат показывает, как эти информационные молекулы могут быть палкой о двух концах», – говорит Ян Болдуин, директор Департамента молекулярной экологии и пионер экологической генетики. "Они приносят пользу растениям, когда привлекают хищников, но они также приносят вред, когда запах выводит на сцену травоядных, таких как долгоносик. Вот почему растение издает химический крик о помощи только тогда, когда на него нападает травоядное животное, которого оно хочет убить."
По словам ученых, функциональное разнообразие, основанное на вариациях в экспрессии генов, можно сравнить с разнообразием видов в определенных средах обитания в том, что касается экосистемных услуг. «Функциональное разнообразие означает не что иное, как способность разных особей одного вида выполнять разные экологические задачи.
Когда все делают одно и то же, редко бывает лучшим способом для вида максимизировать свою способность производить успешных внуков, или, другими словами, это дарвиновская приспособленность », – объясняет Ян Болдуин.
Исследователи даже пошли еще дальше, указав, что их выводы могут быть использованы в современном сельском хозяйстве. «Изменение экспрессии всего нескольких генов всего у нескольких человек может иметь большой защитный эффект для всей области», – говорит Мередит Шуман. "Настоящим мы предлагаем экономически обоснованный способ вернуть часть утраченных выгод биоразнообразия для огромных пространств земли, которые уже были преобразованы из естественных, биоразнообразных сред обитания в сельскохозяйственные монокультуры."
По оценкам ООН, нынешнее население мира составляет более 7 человек.2 миллиарда человек достигнут 10 миллиардов к концу века, и всех этих людей нужно кормить. Спрос на продукты питания будет постоянно расти с ростом населения.
Базовые знания, полученные в результате исследований в области молекулярной экологии растений, могут способствовать более рациональному использованию сельскохозяйственных земель и лучшей адаптации сельскохозяйственных культур к данной природной среде.