Планета сорняков, которую мы вырастили

Ученые из Университета Британской Колумбии, Канада, Дэвид Р. Клементс и Ванесса Л. Джонс опубликовали совместную статью несколько апокалиптического настроения, но от этого не менее интересную.

«Люди и сорняки имеют долгую историю совместной эволюции. Самые ранние аграрные сорняки появились, когда в истории человечества зародилось само сельское хозяйство, и многие из этих видов следовали за нами везде, где мы селились и выращивали культуры.

Сейчас, когда основные культуры стали глобальными, эти же сорняки преследуют зерновые культуры по всему миру. Однако, хотя это могут быть те же самые сорняки, что и таксономически идентифицируемые виды (по большей части), сорняки сильно варьируются в пределах их ареала.

Сорняки приспосабливаются к любой ситуации, и эта адаптация во всем мире сейчас стимулируется еще одним фактором, порожденным человечеством, - изменением климата.

В 20 веке борьба с сорняками достигла огромных успехов, во многом благодаря изобретению синтетических гербицидов. Но даже эти мощные инструменты притупляются адаптацией сорных растений, чему во многих случаях способствует изменение климата. Даже помимо изменения климата, эволюция устойчивости к гербицидам часто приводила к уничтожению наших систем борьбы с сорняками и нашей чрезмерной зависимости от агрохимии.

Что же такого особенного в сорняках, что дает им преимущества?

Сорняки, как правило, являются первопроходцами, распространяясь повсюду с помощью множества механизмов. Таким образом, они редко попадают в категорию вымирающих по Дарвину, хотя есть некоторые виды, неспособные адаптироваться к недавним изменениям в сельском хозяйстве, особенно в Европе.

У сорняков есть генетический состав, унаследованный от видов естественной среды, в которой они обитают или от давних ассоциаций с агроэкосистемами и другими антропогенно измененными средами. Действительно, по мере того, как мы продвигаемся дальше в антропоцен, немногие среды остаются без обширного антропогенного влияния, и это само по себе подталкивает нас к «планете сорняков».

Многие виды сорных растений пользуются путями интродукции, чтобы свободно перемещаться по большей части земного шара. Некоторые виды сорняков, такие как амброзия обыкновенная (Ambrosia artemisiifolia L.), рейнутрия (Reynoutria spp.) или марь белая (Chenopodium spp.) имеют настолько широкие климатические ниши, что проходят через всю полосу умеренных поясов.

Точно так же существуют тропические сорняки, например, лантана (Lantana camara L.), которые постепенно окружают земной шар в тропических регионах. Этой консолидации мировой сорной флоры способствует эффект изменения климата.

На сегодня существуют ключевые пробелы в знаниях, критически важных для понимания взаимосвязи изменения климата и биологии сорняков. А именно, как изменение климата повлияет на устойчивость к гербицидам, естественных врагов сорняков, распространение сорняков и другие аспекты фенотипической пластичности. По мере того как специалисты по сорнякам и экологи пытаются понять, провести эксперименты и смоделировать эти аспекты, важно сформулировать обсуждение с точки зрения некоторых ключевых элементов, которые необходимо рассматривать как штормовой фронт приближающегося изменения климата.

В любом случае сорняки имеют преимущество перед видами сельскохозяйственных культур с точки зрения реакции на изменяющиеся условия из-за их более высокого фенотипического и / или генетического разнообразия.

Основополагающим объяснением этой чрезвычайной пластичности многих видов сорняков является их природа как видов-первопроходцев, адаптированных к высоким уровням нарушений за счет наличия множества фенотипов, которые могут проявляться в данной среде.

Преимущество приспособленности, полученное за счет пластичности, позволяет инвазивным видам лучше использовать ресурсы, поскольку они, как правило, способны лучше реагировать на увеличение доступности ресурсов. Специфические реакции наблюдались в различных параметрах роста растений, таких как биомасса побегов или корней, фотосинтез или поглощение питательных веществ.

Факторы, связанные с изменением климата, такие как повышение температуры, увеличение выбросов CO 2 в атмосфере или изменение режима влажности вызовет аналогичные высокопластичные реакции у инвазивных сорняков. Напротив, неинвазивные растения, адаптированные к более стабильным условиям окружающей среды, не смогут так быстро адаптироваться к резким изменениям в условиях выращивания.

Alternanthera philoxeroides (Mart.) Griseb. – Альтернантера филоксероидная (или сорняк-аллигатор) способен расти как в наземной, так и в водной среде, где он имеет очень разную морфологию. При тестировании различных популяций A. philoxeroides, произрастающих в Китае, ученые обнаружили, что даже очень разные морфологии наземных и водных форм были обусловлены фенотипической пластичностью, а не генетическими различиями. Lythrum salicaria L. (вербейник пурпурный) - еще одно инвазивное растение, которое должно изменять свою морфологию, чтобы адаптироваться к различным местообитаниям водно-болотных угодий, в значительной степени за счет фенотипической пластичности.

Аммания (Ammannia spp.) - сорняк рисовых полей также проявляет пластическую реакцию в водной среде, при этом признаки роста фенотипически реагируют на конкуренцию с рисом. При увеличении частоты наводнений, прогнозируемых при изменении климата, пластическая реакция инвазивных растений, таких как A. philoxeroides, L. salicaria и Ammannia spp. может создать серьезные проблемы для культур.

Агроэкосистемы создают идеальную среду для роста сорняков с пластичными фенотипами из-за относительно высокого уровня нарушений, создаваемых агрономической практикой.

Даже меры борьбы с сорняками, применяемые в таких системах, представляют собой нарушения, которыми могут воспользоваться определенные сорняки, особенно если они не являются конкретной целью.

Кроме того, известно растущее сопротивление к гербицидам, когда устойчивые генотипы могут образовывать большие участки на полях, отчасти благодаря отсутствию конкуренции со стороны других чувствительных видов или генотипов сорняков.

Культурные же растения часто имеют более жесткую генетическую структуру, и культуры, как правило, разводятся для получения однородности, чтобы обеспечить стабильную урожайность.

Поэтому селекционерам необходимо производить сорта сельскохозяйственных культур, адаптированные к условиям окружающей среды, но совершенно очевидно, что пластичные сорняки лучше приспособятся к экстремальным климатическим условиям. Таким образом, в годы засухи или других экстремальных явлений, таких как наводнения или засуха, проблемы с сорняками будут усугубляться.

Кратко, вот 10 способов, которыми происходит адаптация сорняков:

1. Универсальный генотип.

Из 38 исследований реакции сорных растений на изменение климата 26 зафиксировали наличие как пластических, так и эволюционных изменений. Таким образом, эти две категории не исключают друг друга.

2. Стратегии жизненного цикла.

Сорняки демонстрируют широкий спектр стратегий жизненного цикла, поэтому по мере изменения систем управления, сорняки, ранее не представлявшие серьезную проблему в данной системе земледелия, показывают себя с неожиданной стороны. Например, сокращенные системы обработки почвы способствуют развитию сорняков (особенно, многолетников) с разными стратегиями жизненного цикла, чем при традиционной обработке почвы. Точно так же изменение климата должно вызвать появление новых ниш для видов или генотипов сорняков, чья история жизни лучше приспособлена к меняющимся условиям. Кроме того, как ответ на увеличение CO 2 сорняки станут выше и крупнее, а значит, смогут производить больше семян и распространять их дальше от более высоких растений из-за аэродинамических факторов.

3. Быстрая эволюция (всхожесть, рост, конкурентоспособность, селекционная система, производство семян и особенности распространения).

Повышенная способность к рассеянию семян и сопутствующее рассредоточение при изменении климата грозит стать одним из самых ужасных последствий из-за крупномасштабных изменений климата. Например, исследование прогнозируемого увеличения численности Ambrosia artemisiifolia L. (амброзия обыкновенная) в Европе, говорит, что по оценкам, к 2050 году уровни пыльцы амброзии будут в 4 раза выше, чем в 2015 году, в дополнение к агрономическому ущербу, вызванному значительно расширенным распространением A. Artemissifolia.

4. Эпигенетика.

Помимо быстрой эволюции, многие инвазивные растения обладают способностью быстро реагировать на абиотические факторы окружающей среды, изменяя экспрессию своих генов. В постоянно меняющейся среде растениям необходимо быть гибкими, чтобы выдерживать такие стрессы, как колебания света, температуры, воды и уровня соли. Чтобы быть гибкими, растения способны самостоятельно подвергаться эпигенетической модификации, что представляет собой изменение хроматина без изменения последовательности ДНК.

5. Гибридизация.

Гибридные виды сорняков часто проявляют гибридную силу, также известную как гетерозис, когда потомство демонстрирует улучшенную биологическую функцию по сравнению с обоими родительскими видами. Как правило, гибрид будет демонстрировать более агрессивный рост с улучшенной способностью распространяться на новые территории и конкурировать в пределах вторгшихся территорий, а также иметь большую биомассу и более высокую фертильность.

6. Устойчивость к гербицидам.

Отмечен резкий рост случаев устойчивости к гербицидам за последние несколько десятилетий, причем устойчивость наблюдалась у 23 из 26 способов действия гербицидов, наблюдаемых у широкого спектра сорняков в 71 стране.

7. Толерантность к гербицидам.

Поскольку многие факторы окружающей среды, такие как температура, углекислый газ и уровень влажности, влияют на эффективность гербицидов, совершенно очевидно, что изменение климата в настоящее время оказывает и будет иметь дальнейшее влияние на эффекты гербицидов, в целом снижая их эффективность. Повышение температуры может снизить эффективность гербицида из-за более быстрого метаболизма растений при более высоких температурах и / или повышенного испарения из почвы, хотя эти эффекты различаются в зависимости от участка и для конкретных видов сорняков.

8. Уязвимость сельскохозяйственных систем.

Есть опасения, что развитие разнообразия агросистем не успеет за быстрыми изменениями климата, и отчасти проблема заключается в увеличивающейся непредсказуемости борьбы с вредителями в существующих системах земледелия в условиях изменения климата.

В регионах с умеренным климатом прогнозируется расширение распространения сорняков к полюсу, поскольку климат в этих регионах становится теплее, и это уже происходит, с многочисленными примерами распространения сорняков на север в Северной Америке.

9. Совместная эволюция сорняков с контролем человека

Мир находится в разгаре великого эксперимента, эксперимента, невольно разработанного для исследования влияния нашей борьбы с сорняками на их эволюцию.

Джон Харпер, так называемый «отец современной экологии сорняков», сказал в 1956 году: «Пахотные сорняки составляют экологическую группу… которая была отобрана с помощью тех методов, которые изначально были разработаны для их подавления. Мы также экспериментируем с климатическими эффектами, своими действиями вызывая изменение климата, тем самым повышая температуру в великом эксперименте. Фактически, мы помещаем агрономические поля, уже затронутые конкуренцией сорняков, в теплицы посредством «парникового эффекта». В обычной агропрактике, как было доказано, теплицы часто создавали разреженную атмосферу для насекомых-вредителей и болезнетворных микроорганизмов, чтобы процветать больше, чем на открытом воздухе». Но теперь мы, создав огромную мировую теплицу, дали сорнякам отличный шанс».

10. Способность сорняков пользоваться климатическим штормом, созданном людьми

Изменение климата часто сравнивают со штормом, перемещающийся по земному шару и влияющий на всю флору и фауну на своем пути. Но и в действительности погодные катаклизмы становятся чаще – и играют в пользу сорняков. Ведь сорные растения и другие инвазивные виды с высокой устойчивость с большей вероятностью переживут природные катастрофы. Только один пример. После тропической бури Ирен в 2011 году сорняк Reynoutria japonica (рейнутрия японская) увеличила свое распространение в Вермонте за счет фрагментов, разнесенных силой бури. Таким образом, Земля, сильно пострадавшая от изменения климата, вполне может стать «планетой сорняков».

(Источник: www.mdpi.com).