Растение из Долины Смерти научилось охлаждать собственные листья и выживать при температуре до 60 градусов

Долина Смерти в Калифорнии считается одним из самых суровых мест на Земле. Это самая низкая, самая засушливая и самая жаркая территория Северной Америки. Летом температура воздуха здесь регулярно достигает 49 °C, а абсолютный рекорд составляет 56,7 °C. На многих участках парка растения вообще не способны существовать, однако один местный вид сумел приспособиться к экстремальным условиям необычным способом.

Новое исследование показало, что кустарниковое цветковое растение Tidestromia oblongifolia, известное также как аризонская жимолость (Arizona honeysweet), способно активно охлаждать собственные листья, поддерживая их температуру значительно ниже температуры окружающего воздуха. Именно эта особенность позволяет ему переносить жару, близкую к предельной для сложных многоклеточных организмов.

Чтобы выяснить, как растение справляется с экстремальной жарой, исследователи собрали семена 223 дикорастущих экземпляров из разных частей ареала, включая Долину Смерти. Затем они вырастили более 1200 молодых растений и подвергли их необычно жёсткому испытанию. После постепенной адаптации сеянцы ежедневно находились при температуре 60 °C по 6–8 часов на протяжении более недели.

Испытание выдержали далеко не все растения. В зависимости от генетической линии выживало менее 2% или более 34% сеянцев, что свидетельствует о существовании наследственных различий в устойчивости к экстремальной жаре.

Используя инфракрасные камеры, исследователи обнаружили, что в самые жаркие дни листья некоторых растений оставались более чем на 10 °C холоднее окружающего воздуха. В отдельных случаях разница достигала впечатляющих 13 °C.

Даже после восьми дней непрерывного воздействия температуры 60 °C выжившие растения удерживали температуру листьев в пределах примерно 54–59 °C. Хотя такие значения остаются чрезвычайно высокими, они всё же находятся ниже предполагаемого верхнего температурного предела, который способны переносить сложные эукариотические организмы. Именно способность эффективно охлаждать листья определяла, выживало растение или погибало.

Авторы подчёркивают, что ключевым открытием стало не просто обнаружение высокой жароустойчивости. Выяснилось, что растение не столько переносит экстремальную температуру, сколько активно избегает её воздействия благодаря собственной системе охлаждения.

Предыдущие исследования указывали, что важную роль в этом процессе могут играть взаимодействия между митохондриями и хлоропластами, вызывающие изменение формы последних. В новой работе учёные сосредоточились на поиске генетических механизмов, лежащих в основе столь эффективного охлаждения.

Полногеномный анализ позволил обнаружить три участка ДНК, связанные со способностью переживать экстремальную жару, что говорит о наследственной природе этой особенности. Дополнительные исследования показали заметные различия между растениями с более холодными и более горячими листьями.

Оказалось, что растения с наиболее эффективным охлаждением активнее поддерживают открытое состояние устьиц — микроскопических пор на поверхности листьев. Через них испаряется вода, создавая охлаждающий эффект, аналогичный испарению пота с поверхности человеческой кожи.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи искусственно заставили устьица закрыться. По словам первого автора исследования Джоанны Фихан из Института устойчивости растений Мичиганского университета, после этого охлаждение заметно ухудшалось. Это подтвердило, что испарение воды через устьица является одним из главных механизмов защиты растения от перегрева.

При этом остаётся нерешённым вопрос, откуда растение получает достаточное количество воды для столь интенсивного испарения. Большинство пустынных видов, наоборот, стараются максимально экономить влагу. Tidestromia oblongifolia не отличается высокой способностью запасать воду и, как предполагается, использует запасы грунтовых вод, скрытых под почвой Долины Смерти.

По мнению Джоанны Фихан, растение, вероятно, обладает особенно эффективной корневой системой, способной быстро поглощать воду, а также специализированной системой её транспортировки по тканям. Кроме того, определённый состав солей, сахаров и белков внутри клеток помогает сохранять их увлажнёнными даже во время интенсивного испарения.

Авторы подчёркивают, что исследование пока имеет ряд ограничений. Эксперименты проводились только на молодых растениях, выращенных в контролируемых лабораторных условиях при достаточном количестве воды, тогда как взрослые экземпляры в природе сталкиваются с гораздо более сложными условиями. Кроме того, пока удалось определить лишь три крупных участка генома, связанных с жароустойчивостью, поэтому конкретные гены ещё предстоит установить.

Несмотря на это, работа может иметь большое практическое значение. На фоне всё более частых волн экстремальной жары урожайность сельскохозяйственных культур во многих регионах мира снижается. Если учёным удастся понять механизмы, позволяющие Tidestromia oblongifolia выживать при температурах, губительных для большинства растений, животных и грибов, эти знания могут помочь создать новые сорта сельскохозяйственных культур, значительно лучше переносящих жару.