Один из ключевых признаков, характеризующих тот или иной вид цветковых растений,— число органов каждого типа в цветке. Всего таких типов четыре: чашелистики, лепестки, тычинки и плодолистики. Ученые изучают, насколько часто происходит эволюционное изменение числа органов в цветках, как это число связано с экологическими особенностями растений (например, способом опыления и распространения плодов), какие варианты характеризуют основные систематические группы цветковых растений.
Специалисты кафедры высших растений Московского государственного университета и Ботанического института РАН предприняли разностороннее изучение группы родства цветковых растений, включающей семейства зонтичные и аралиевые, чтобы на ее примере выявить корреляции числа органов в цветке с другими особенностями его строения и функционирования. Зонтичные — широко распространенное в средней полосе семейство, включающее такие растения, как морковь, петрушка, тмин. Аралиевые населяют в основном тропики и субтропики, к этим растениям относятся женьшень и элеутерококк. Для установления детальной структуры цветков, включая число органов каждого типа, их расположение друг относительно друга и наличие срастания между органами, команда искала растения с цветками различного строения. Для этого была организована серия экспедиций в несколько тропических стран.
Собранный материал изучали при помощи сканирующего электронного микроскопа, «разобрав» соцветия таким образом, чтобы рассмотреть в деталях не только сформированные цветки, но и проследить их развитие, начиная от формирования самых первых органов. Это позволило, например, выявить наличие чашелистиков у тех цветков, у которых они малы и незаметны во взрослом состоянии. Кроме того, ученые применили технологию, при которой весь цветок «раскладывается» на тонкие, 15–20 микрон толщиной, срезы, что позволяет установить его трехмерное внутреннее строение.
Схема строения цветка
Результаты исследований позволили охарактеризовать все основные варианты цветков в изученных семействах. Несмотря на близкое родство аралиевых и зонтичных, они обладают диаметрально противоположным разбросом вариантов строения цветка. Цветки зонтичных имеют по пять чашелистиков, лепестков и тычинок и два плодолистика. Цветки аралиевых значительно более разнообразны. Так, число тычинок, лепестков и плодолистиков у этих растений может быть одинаковым или резко различающимся. Тычинок и лепестков у аралиевых бывает от четырех до нескольких десятков и даже более сотни, причем в некоторых цветках тычинок гораздо больше, чем лепестков. Плодолистиков чаще всего столько же, сколько лепестков, но у некоторых видов всего один плодолистик, а у других — несколько десятков.
В чем причина такого необычного разнообразия цветков аралиевых? Было замечено, что природная вариабельность цветков аралиевых сходна с изменениями строения цветка, происходящими при искусственных мутациях определенных генов у модельных генетических объектов. Эти гены отвечают за ограничение развития стволовых клеток на верхушках побегов и соцветий. Предположительно, сходная мутация имела место на нескольких этапах эволюции семейства аралиевые.
Растение полисциас из семейства аралиевые
Исследования показали, что эволюционное увеличение числа органов (хотя бы одного типа) в цветке сопряжено с появлением других необычных черт его строения. Во-первых, появляются отклонения в симметрии цветка: форма цветка меняется с круглой на овальную за счет иного расположения органов каждого типа. Форма цветков с наибольшим числом органов еще более необычна и напоминает крылья бабочки. Во-вторых, у некоторых таких растений чашелистики преобразуются таким образом, что полностью теряют свою индивидуальность: они превращаются в единый трубчатый орган, в котором их число уже невозможно посчитать. В-третьих, венчик в отдельных случаях кардинально меняет свой облик и функцию. Лепестки объединяются в массивный колпачок, который защищает цветок на стадии бутона, после чего опадает. Цветение, таким образом, происходит в безлепестном состоянии.
Ученые оценили связь числа органов в цветке с репродуктивными показателями видов. Одним из таких показателей является соотношение числа пыльцевых зерен и семязачатков в цветке: чем меньше развивается пыльцы в расчете на один семязачаток, тем этот показатель ниже и тем больше эффективность переноса пыльцы от тычинок к рыльцам у данного вида. Оказалось, что у видов с небольшим числом органов цветка (от пяти до 12 органов каждого типа) данное соотношение гораздо ниже, чем у видов с высоким числом органов (нескольких десятков). Следовательно, транспорт пыльцы у видов с высоким числом органов цветка осуществляется другими группами насекомых по сравнению с остальными видами.
Прямые наблюдения за одним из видов с большим числом органов в цветке, произрастающим в Таиланде, подтвердили эту гипотезу. Исследователи выяснили, что этот вид опыляется днем пчелами, собирающими пыльцу, а ночью — крупными осами, поглощающими нектар. Аралиевые с небольшим числом органов в цветке, напротив, опыляются исключительно дневными насекомыми. Более того, опыление ночными осами — крайне редкое явление среди растений.
Разнообразие числа органов в цветке аралиевых, возникшее, предположительно, в результате изменений одного или нескольких генов, нашло отражение в самых разных аспектах биологии этих растений: от общего облика цветка и его формы до особенностей развития конкретных его частей и взаимодействия цветка с теми или иными насекомыми-опылителями.
