Через тернии к листьям

Колючки нужны растению, чтобы его никто не ел. Под «никем» мы обычно подразумеваем млекопитающих, но, оказывается, колючки могут помешать и травоядным насекомым. В пасть гусенице они, разумеется, не впиваются, однако ощутимо затрудняют процесс питания.

Впрочем, исследователи до недавнего времени не обращали особого внимания на колючки, их больше интересовали другие средства защиты: выделяемые растениями токсичные вещества, а также железистые и нежелезистые волоски. Несколько лет назад специалисты Пенсильванского университета под руководством профессора Эндрю Стефенсона (Andrew G. Stephenson) изучали механизмы устойчивости растений к травоядным насекомым. Они работали с гусеницами табачного бражника Manduca sexta и каролинским пасленом Solanum carolinense: обычными растениями и инбредными, полученными через 10–15 поколений самоопыления.

Близкородственное скрещивание влияет на многие признаки; у инбредных растений оно, в том числе, сократило количество колючек. И оказалось, что гусеницы бражника сильнее повреждают такие растения [1]. Более того, на отрастающих стеблях паслена, живущего под гнетом гусениц, образуется больше колючек, чем на чистых растениях, а на молодых листьях — больше волосков.

Гусеницы, которые кормятся на растении, постоянно переползают с листа на лист. Ученые предположили, что колючки физически мешают гусеницам передвигаться и таким образом защищают растение от поедания. Эту гипотезу проверили уже в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, куда перебрались два участника предыдущего исследования: Рупеш Карият (Rupesh R. Kariyat) и Марк Мечер (Mark C. Mescher) [2].

В экспериментах использовали вылупившихся в лаборатории гусениц третьего возраста одинакового размера. В каждом опыте участвовали особи из одной кладки. В качестве первого испытания гусеницам предложили скоростной забег по стеблю каролинского паслена.

Ученые подобрали 40 обычных и 26 инбредных растений одинаковой высоты и стадии развития, но с разным количеством колючек на стеблях, оборвали все листья, кроме самого верхнего, и посадили гусеницу на землю у основания стебля. Бражники устремились вверх, к источнику пищи. Как ученые и ожидали, первыми финишировали гусеницы, которые ползли по инбредным растениям с редкими колючками. Чтобы добраться до листа, им понадобилось почти вдвое меньше времени, чем бражникам, штурмовавшим обычные паслены.

Однако инбредные растения могут обладать и другими свойствами, влияющими на скорость перемещения гусениц. Чтобы исключить этот фактор, исследователи срезали часть колючек у обычных и инбредных растений. В результате они получили несколько пар пасленов со сходным количеством и расположением колючек. Инбредные паслены подвергли обрезке, для того чтобы все задействованные в эксперименте растения имели физические повреждения — при порезе могут выделяться токсичные для вредителей вещества. И оказалось, что, двигаясь по стеблям с одинаковым числом колючек, гусеницы достигали цели за сходное время. Следовательно, колючки действительно мешают вредителям ползти.

Но мешают ли они кормиться? Для ответа на этот вопрос ученые сравнили время, необходимое гусеницам для полного уничтожения листьев на трех видах паслена: S. carolinense, невероятно колючего паслена темно-бурого S. atropurpureum и практически лысого паслена эфиопского S. aethiopicum (рис. 1). Бражники с одинаковым аппетитом лопают листья всех трех видов.

Сухой вес колючек S. atropurpureum на одном растении составляет 0,144 г, на калифорнийском — 0,093 г и на эфиопском — 0,022 г. И чем растение колючей, тем дольше гусеницы его обгладывают (рис. 2). Обрезание колючек со стеблей значительно ускорило процесс поедания листьев на S. atropurpureum и S. carolinense, но не на S. aethiopicum — он и так практически гладкий.

Исследователи убедились, что колючки служат эффективным противогусеничным заграждением, и чем они гуще, тем надежнее защита (рис. 3). Темно-бурый паслен колюч настолько, что гусеницы часто с него падали, и ученым, чтобы завершить эксперимент, приходилось подсаживать их обратно. Если этого не делать, растение сохраняет листья по меньшей мере вдвое дольше.

Колючие растения не просто труднее повредить или полностью обглодать. Гусеницы, которые меньше едят, медленнее развиваются, что сказывается на их жизнеспособности. Недокормленные вредители чаще достаются хищнику. Более того, скорость роста может повлиять на процессы линьки и окукливания, а также на успех последующего спаривания. Так что колючки — приспособление недооцененное.

Наталья Резник

1. Kariyat R. R., Balogh C.M., Moraski R. P., De Moraes C. M., Mescher M.C., Stephenson A. G. Constitutive and herbivore-induced structural defenses are compromised by inbreeding in Solanum carolinense (Solanaceae) // Am. J. Bot. 2013. 100. Р. 1014–1021. DOI: 10.3732/ajb.1200612

2. Kariyat R. R., Hardison S. B., De Moraes C. M., Mescher M. C. Plant spines deter herbivory by restricting caterpillar movement // Biol. Lett. 2017. 13: 20170176. DOI: 10.1098/rsbl.2017.0176