Кубанский государственный технологический университет

Обнаружено хищное растение, которое ловит почвенных нематод подземными листьями

06-03-2012
Philcoxia minensis, растения-эндемика горных субтропических саванн Бразилии." border="0"> Внешний вид Philcoxia minensis, растения-эндемика горных субтропических саванн Бразилии. Фото из обсуждаемой статьи в PNAS

Хищные растения давно удивляют нас многообразием форм и способов ловли своих жертв. Недавно описанный род растений Philcoxia из горных саванн Бразилии (Campos Rupestres) преподнес ученым очередной сюрприз. Оказалось, что это растение имеет специализированные подземные листья, выделяющие липкий секрет. К липким листьям приклеиваются нематоды, которые и служат дополнительным источником азота и фосфора для растения, произрастающего в суровых условиях бразильских саванн.

Такой способ питания ранее не был известен у хищных растений.

Считается, что хищные, или насекомоядные, растения возникали независимо в процессе эволюции по крайней мере шесть раз. Известно около 20 родов насекомоядных растений, распределенных по 10 семействам. Несмотря на многообразие их строения, почти для всех хищных растений характерно слабое развитие корневой системы. Такие элементы как азот, фосфор и калий извлекаются из переваренных жертв, которыми служат в первую очередь насекомые. Большинство насекомоядных растений имеют водные местообитания, например, заболоченные луга и болота.

Каменистые саванны Кампос рупестрес (Campos Rupestres) в Бразилии — это чрезвычайно интересный регион тропической саванны. Располагаясь на высоте от 700 до 2000 м, этот регион густо изборожден речными долинами, поэтому для большинства видов животных и растений этой местности характерно мозаичное распространение. В этом регионе описано много видов-эндемиков как среди животных, так и среди растений.

Рис. 1. Морфология Philcoxia minensis. (А) простая и слаборазвитая корневая система; (В) короткий вертикальный стебель; (С) боковой стебель/черешок; (D) листовая пластинка; справа показано, как выглядят листья, засыпанные песком (вверху) и слегка откопанные (внизу); (Е) ветка соцветия; (F) цветок; (G) плод. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS Рис. 2. Изображение верхней поверхности листа P. minensis, полученное под сканирующим электронным микроскопом. Видны многочисленные грибовидные железы, нематоды (одна из них показана стрелочкой) и прилипшая песчинка (также показанная стрелочкой). Длина масштабной линейки 100 мкм. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

В этих саваннах растения произрастают в довольно суровых условиях — на камнях, на каменистых или песчаных почвах. В таких местах можно было бы ожидать обнаружения растений-хищников, так как они часто приурочены к бедным минералами почвам. Действительно, ранее из этих мест были описаны представители рода Genlisea, использующие подземные листья в качестве ловушек для мелких организмов, в первую очередь, одноклеточных простейших. Бразильские ученые из Университета Сан-Паулу обратили внимание на другое растение, встречающееся только в саваннах Кампос рупестрес и принадлежащее к роду Philcoxia. Эти растения отличались своими необычными мелкими листьями, закопанными в песок (рис. 1). Кроме того, эти листья были покрыты характерными грибовидными железами и всегда были клейкими, в результате чего к ним прилипали песчинки. Кроме песчинок на подземных листьях встречались многочисленные нематоды (рис. 2). Все эти особенности заставили биологов предположить, что Philcoxia может быть растением-хищником.

Чтобы проверить свою гипотезу, авторы исследовали один вид, Philcoxia minensis. Нужно было доказать, что растение действительно ловит нематод и извлекает вещества из мертвых животных. Для этого авторы вначале растили бактерии Escherichia coli на cпециальной среде, обогащенной изотопом азота 15N (см. isotopes of nitrogen). Далее этими бактериями кормили нематод Caenorhabditis elegans. Накормленных нематод помещали на листья P. minensis, растущие в теплицах. Листья собирали через 24 и 48 часов, высушивали и подвергали изотопному анализу.

Изотопный азот был найден в листьях P. minensis. Через 24 часа в листьях было обнаружено 5% 15N, через 48 часов — 15% (рис. 3, А). Столь быстрое появление изотопного азота в листьях говорило о том, что нематоды действительно переваривались растениями (если бы 15N оказался в листьях из-за того, что содержащие его черви умерли, разложились в почве и всосались в растение через корневую систему, это заняло бы гораздо больше времени). Кроме того, была измерена общая концентрация азота в листьях P. minensis. Через 48 часов после помещения нематод на листья концентрация азота в них достоверно увеличилась (рис. 3, В).

P. minensis." border="0" width="600" height="748"> Рис. 3. Абсорбция азота у P. minensis. (А) Изотоп азота 15N, абсорбированный хищными листьями из организмов жертв-нематод. Через 24 часа было абсорбировано около 5% азота, а через 48 часов — уже около 15%. Показаны средние значения (n=8) и стандартные ошибки. (В) Увеличение общей абсорбции азота через 24 часа и 48 часов, показаны средние значения (n=8) и стандартные ошибки. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Для многих насекомоядных растений в секреторных волосках показана высокая активность фермента фосфатазы, который дефосфорилирует белок, в результате чего образуются фосфатные анионы. Авторы исследовали, имеется ли повышенная активность этого фермента в подземных листьях P. minensis. Поместив листья на 15 минут в специальный субстрат фосфатазы, помеченный флуоресцентной меткой (см.: Plachno et al., 2006. Fluorescence Labelling of Phosphatase Activity in Digestive Glands of Carnivorous Plants, PDF, 206 Кб), и проанализировав под флуоресцентным микроскопом, авторы показали повышенную активность этого фермента в листьях P. minensis (рис. 4).

трихомы, покрашенные специальным субстратом фосфатазы, который при разложении дает зеленое окрашивание." border="0" width="300" height="232"> Рис. 4. Железистые трихомы, покрашенные специальным субстратом фосфатазы. Зеленый цвет — индикатор активности фосфатазы в листьях P. minensis. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Авторы исследовали только один из трех видов рода Philcoxia. В то же время, они предполагают, что другие два вида, P. bahiensis и P. goasensis, также являются хищными растениями. Эти виды сходны по морфологии с P. minensis, и, кроме того, на листьях у гербарных экземпляров находили остатки нематод. Все виды Philcoxia — узкие эндемики Кампос рупестрес. Необходимо заметить, что нематоды — необычные жертвы для растений-хищников; гораздо чаще такой способ питания отмечается у грибов.

Считается, что хищничество — не очень экономичный способ питания для растений. Этим отчасти объясняют редкость такого способа получения питательных веществ у растительных организмов: всего 0,2 % видов цветковых растений являются хищниками. В то же время авторы предполагают, что этот процент явно занижен. Хищничество вполне может быть скрыто от глаз человека либо из-за микроскопического размера жертв, либо из-за малодоступности самих растений, либо из-за необычного механизма ловли жертв. Между прочим, все три причины применимы к Philcoxia, и они объясняют, почему у этого растения хищничество обнаружено только сейчас. Авторы с пафосом заключают, что «возможно, нас окружает гораздо большее число растений-убийц, чем мы предполагаем».

Источник: Caio G. Pereira, Daniela P. Almenara, Carlos E. Winter, Peter W. Fritsch, Hans Lambers, Rafael S. Oliveira. Underground leaves of Philcoxia trap and digest nematodes // PNAS. Published online before print January 9, 2012. Doi: 10.1073/pnas.1114199109.

Варвара Веденина

‹‹