Арктическая тундра и высокогорья имеют очень схожую растительность, которую обобщенно называют альпийскими сообществами. В них совсем нет деревьев, и большинство растений представлено травами, приспособившимися к жизни на бедных почвах и в условиях низких температур. Изменения климата представляют угрозу таким экосистемам, поскольку под их влиянием меняется состав, плотность и распределение растительности. Кроме того, активное освоение природных ресурсов человеком также может привести к потере редких видов арктических растений. Чтобы понять, как сохранить альпийские растительные сообщества и предсказать будущие возможные изменения в них, важно знать историю их формирования.
Исследователи из Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (Новосибирск) с коллегами исследовали становление этих экосистем, отследив распространение по Северному полушарию ветреницы (Anemone). Растения этого рода имеют небольшие цветки белого, желтого, красного или других оттенков и встречаются в самых разных по условиям местообитаниях — от низменных до высокогорных зон, на лугах, в лесах, в тундре. Такое широкое распространение ветреницы делает ее удобной моделью для отслеживания эволюции тех растительных сообществ, в которых она встречается.
Ветреница нежная (Anemone blanda). Источник: Андрей Эрст
Ученые секвенировали, то есть определили последовательность ядерной и хлоропластной ДНК, 200 видов ветрениц. Используя эти данные, авторы построили эволюционное древо растений рода Anemone. Оно помогло определить, когда возникли разные виды ветрениц и как они распространились по Северному полушарию.
Анализ показал, что первые представители рода Anemone возникли в неальпийских местообитаниях — на равнинах Восточной Азии — примерно 31 миллион лет назад. Около 14 миллионов лет назад ареал ветрениц расширился на альпийские зоны в связи с похолоданием климата на Земле. При этом альпийские линии ветрениц в разных регионах Северного полушария — Азии, Европе и Северной Америке — возникли почти одновременно.«В работе мы использовали как растения, собранные в природе в ходе экспедиций, так и гербарные образцы, хранящиеся в фондах Китая, Франции, Америки и России. Гербарные фонды — это богатейший источник информации, который помогает исследовать внешние особенности и распространение растения, определить его видовую принадлежность. При этом важно, что ДНК в таких фондах сохраняется довольно долгое время. Например, в более ранней работе мы расшифровали последовательность ДНК, выделенной из образцов 1940-х годов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Эрст, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Центрального сибирского ботанического сада СО РАН.
Авторы также проанализировали данные из более ранних исследований об истории появления альпийских линий у таких травянистых растений как ревень (Rheum), лапчатка (Potentilla), люпин (Lupinus), кислица (Oxalis) и других. Оказалось, что эти линии появились на разных континентах примерно в то же время, что и альпийские виды ветреницы. Это подтверждает, что альпийские растительные сообщества формировались почти синхронно 14 миллионов лет назад.
Работа в лаборатории с собранными в экспедиции материалами. Источник: Андрей Эрст
«Мы ставим перед собой задачу изучить, как развивались растительные сообщества Арктики и высокогорных альпийских зон, и определить, как на них влияют геологические и климатические изменения. Если мы будем понимать этапы развития, то получим ключ к истории и происхождению низкотемпературных флор Северного полушария», — подводит итог Андрей Эрст.
В исследовании принимали участие сотрудники Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск), Университета Сорбонны (Франция), Института ботаники Китайской академии наук (Китай) и Ботанического сада Миссури (США).