Растения могут эволюционировать не в том направлении из-за изменения климата

Снижение скорости адаптации ипомеи на 96% указывает на то, что борьба за привлечение исчезающих опылителей может мешать растениям эволюционировать в условиях меняющегося климата. Фото: Shutterstock

Растения, сталкивающиеся одновременно с потеплением климата и резким сокращением популяций опылителей, могут испытывать конкурирующие эволюционные давления. Исследование Мичиганского университета предполагает, что некоторые растения вместо адаптации преимущественно к климатическим нагрузкам могут развивать признаки, помогающие привлекать опылителей.

У ипомеи исследователи обнаружили, что скорость адаптации популяции упала на 96% за девять лет. Это резкое замедление может иметь последствия и для сельского хозяйства, поскольку ипомея часто считается проблемным сорняком для фермеров.

«Поскольку давление со стороны опылителей сильно благоприятствует более крупным цветкам, эта связь может ограничивать эффективность реакции популяции на другие селективные давления. Предсказать, станет ли этот сорняк большей или меньшей проблемой для фермеров, сложно — и сама эта непредсказуемость является частью истории», — заявила Регина Боком, профессор кафедры экологии и эволюционной биологии Мичиганского университета.

Крупные цветы могут иметь эволюционную цену

Боком отмечает, что замедление, по-видимому, вызвано конфликтом между двумя потенциально полезными признаками. Более крупные цветы могут повышать шансы растения на привлечение опылителей, в то время как более раннее цветение помогает растениям реагировать на меняющиеся условия окружающей среды.

В популяциях ипомеи эти признаки становились всё более связанными. Эта связь, по-видимому, ограничивает свободу адаптации растений, при этом отбор в пользу более крупных цветков преобладает над потенциальной выгодой более раннего цветения.

Важно отметить, что более новые популяции растений по-прежнему содержали значительную генетическую изменчивость. Теоретически это разнообразие должно обеспечивать достаточный материал для продолжения адаптации.

«Растение не испытывает нехватки эволюционного топлива — оно всё больше оказывается на пути, благоприятствующем привлечению опылителей, потенциально в ущерб климатической адаптации», — сказала Боком.

Антропогенные изменения окружающей среды

Исследование возглавила недавняя выпускница докторантуры Саша Бишоп в сотрудничестве с исследователем из Университета Торонто Джоном Стинчкомбом. Команда изучала ипомею в рамках более широких усилий по пониманию того, как антропогенные глобальные изменения формируют эволюцию.

Потепление климата — лишь одно из давлений, с которыми сейчас сталкиваются растения и животные. Хозяйственная деятельность человека заменила ранее нетронутые места обитания, а широкое применение пестицидов и гербицидов в сельском хозяйстве способствовало значительному сокращению популяций опылителей.

Бишоп говорит, что исследование, опубликованное в журнале Evolution Letters, изучает растущее несоответствие между эволюционной теорией и тем, что исследователи наблюдают в природе. Теория предполагает, что организмы иногда могут быстро адаптироваться при быстрых изменениях окружающей среды, но многие дикие популяции растений, по-видимому, не успевают.

«Вместо эволюции мы видим, что все эти дикие популяции вымирают, сокращаются или проходят через генетические бутылочные горлышки», — сказала Бишоп. «Таким образом, мы наблюдаем ситуацию, в которой существует отставание в скорости адаптации диких популяций по сравнению с тем, что, как мы думаем, теоретически возможно в плане быстрой эволюции».

Проверка компромисса адаптации

Чтобы изучить проблему, исследователи выращивали ипомею из семян, собранных из диких популяций в два разных момента времени, с интервалом в девять лет.

Они измерили несколько признаков, на которые могут влиять климатические условия или активность опылителей. К ним относились дата первого цветка, размер цветка, содержание сахара в нектаре, время цветения, а также расстояние между пыльниками цветка (частью, производящей пыльцу) и рыльцем (структурой, принимающей пыльцу).

Затем команда рассчитала скорость адаптации растений, используя статистический показатель, известный как R. Этот подход оценивает, как популяция может адаптироваться, учитывая взаимосвязи между множеством признаков, а не рассматривая каждый признак независимо.

Это позволило исследователям определить, может ли один признак «ограничивать» другой. Другими словами, изменения одной характеристики могут ограничивать степень изменения другой.

Когда два признака связаны таким образом, они считаются «ковариантами». Бишоп и Боком обнаружили, что размер цветка и время цветения стали связанными в популяциях ипомеи в течение относительно короткого девятилетнего периода исследования.

Адаптация растений резко падает

В исходных популяциях ипомеи исследователи оценили, что адаптация происходила примерно на 76% от ожидаемой скорости, если бы ковариация между признаками не учитывалась.

Девять лет спустя этот показатель упал примерно до 9% от ожидаемой скорости без учета ковариации. Результат указывает на значительное увеличение эволюционных ограничений за относительно короткий период.

Время цветения особенно важно, поскольку растения могут менять сроки цветения в ответ на изменения окружающей среды.

«Существуют буквально тысячи исследований, показывающих, что фенология цветения является очень важным адаптивным путем, когда речь идет об изменении климата, особенно об изменениях температуры и осадков, оба из которых произошли в этих диких популяциях в местах их сбора», — сказала Бишоп. «По моему мнению, сокращение опылителей или отсутствие опыления и селективный стимул привлекать опылителей делают эти растения потенциально менее способными адаптироваться к климатическим сдвигам».

Источники:

Материалы предоставлены Мичиганским университетом.

Sasha G D Bishop, John R Stinchcombe, Regina S Baucom. A resurrection experiment reveals reduced adaptive potential in a common agricultural weed. Evolution Letters, 2026; DOI: 10.1093/evlett/qrag026