В этом отделе царства растений много крупных деревьев, которые доминируют в бореальных лесах и представляются нам ценными не только с ритуальной («Ёлочка, зажгись!»), но и с эстетической и экономической точек зрения.
Именно хвойные — одни из основных, а в Северной Евразии — основные поставщики древесины в человеческую экономику. Древесина как строительный и кораблестроительный материал, как сырьё бумажной и мебельной промышленности, как поделочный материал — это, по крайней мере в России, в Северной Европе, в Канаде и США, в Китае и Японии, в первую очередь древесина лиственницы, сосны, ели, сибирского кедра, пихты и других хвойных.
Экономическое, экосистемное и рекреационное значение хвойных столь велико, что учёные изучают их не только из общего любопытства к устройству мира, не только ради построения понятной картины бытования живой материи, но и из соображений чисто практических. В частности, хвойные леса и посадки необходимо защищать от их главного врага — жуков-короедов и древоточцев, которые не только разрушают деревья, делая ходы в древесине, но и способствуют их инфицированию патогенными грибами.
У хвойных деревьев есть и собственные способы защиты: это и мощный пробковый слой коры, и разветвлённая сеть сосудов, заполненных токсичными для жуков терпеновыми смолами, и активные механизмы, такие как быстрое заполнение смолой ходов и полостей, появившихся в результате механических повреждений, или активация клеток, вырабатывающих защитные полифенолы.
В свою очередь человек может защищать хвойные растения от насекомых-вредителей, распыляя пестициды. Этот способ защиты весьма эффективен, но имеет прискорбные экологические последствия в виде разрушающего влияния на колонии медоносной пчелы и в целом на различные экосистемы. Последнее заставляет учёных искать способы помогать некоторым растениям бороться с вредителями без использования пестицидов.
Терпеноидные смолы, содержащиеся в коре и заболони хвойных, как уже говорилось, токсичны для жуков. Из наблюдений известно, что деревья, которые быстро наращивают концентрацию смолы в коре, более устойчивы к инвазиям насекомых и других паразитов. Исследования последних двадцати лет также показали, что хвойные деревья, уже испытавшие некий стресс, могут стать более устойчивыми к последующим инвазиям. Разные учёные называли это приобретённой резистентностью, индуцированной резистентностью и даже вакцинацией. Приобретённая устойчивость у деревьев впервые продемонстрирована в 1990-х годах на примере обыкновенной ели (Picea abies): прививка грибами в механическое повреждение делало деревья более устойчивыми к последующей обширной грибковой инфекции. Повышенная устойчивость деревьев после прививок грибковой инфекцией, механических повреждений или стеблевого применения фитогормона метилжасмоната описана у нескольких видов хвойных, включая сосну обыкновенную (Pinus sylvestris), сосну ладанную (Pinus taeda), сосну жёлтую (Pinus ponderosa) и сосну лучистую (Pinus radiata).
Метилжасмонат — метиловый эфир жасмоновой кислоты, он вырабатывается в клетках растений в ответ на повреждения, активирует антивирусный, фунгицидный, исектицидный и бактерицидный ответы, а ещё, будучи летучим соединением, разносится окрест и, попадая на соседние растения, играет роль сигнала о близости опасности, в результате чего в них также готовятся к активации защитные механизмы.
Сначала учёные полагали, что индуцированная резистентность растений действует по принципу «один раз включилось — и всегда работает». Но были сомнения: всё-таки активная работа защитных механизмов отнимает ресурсы у процессов роста и размножения. В итоге выяснилось, что, да, бывает и так; например, если дерево поражено грибком, в нём уже работают защитные механизмы, и оно, соответственно, может быстрее отреагировать на новый стресс; это называют продолжительно индуцированной защитой. Но часто происходит и то, что назвали праймированием, или праймингом: в подвергшемся стрессу организме растения происходят изменения в метилировании ДНК, модифицируются гистоны, происходят другие эпигенетические изменения, делающие возможным более быстрое включение защитных механизмов. А также создаются предварительные аварийные запасы каллозы в ситовидных трубках.
Ситовидные трубки (решётчатые трубки, ситовидные сосуды) — элементы в телах высших растений, проводящие сахар и пластические питательные вещества. Каждая трубка представляет собой ряд удлинённых живых клеток, имеющих на концах ситовидные пластинки, — перегородки с многочисленными отверстиями (ситечками, порами). Ткань, образованная ситовидными трубками, называется флоэма, или луб.
Каллоза — растительный полисахарид, который производится в клеточной стенке. Она выстилает цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки, и межклеточные пектиновые пластинки во время деления клеток и во время развития пыльцы. Нам она сегодня интересна тем, что, помимо прочего, производится в ответ на механические повреждения растения и на инфицирование патогенами и токсинами. В этом случае она откладывается на поверхности ситовидных пластинок ситовидных трубок, концентрируясь в области соединяющих трубки пор. Если в растении что-то повреждено, оно быстро накапливает каллозу, а вокруг повреждённого участка формирует в ситовидных трубках каллозные пробки. Эти пробки играют роль выключателей межклеточных контактов около «неисправности», что сохраняет работоспособность остальной части проводящей системы. Растения, подвергшиеся праймированию, запасают в ситовидных трубках них достаточно каллозы, чтобы в случае чего перекрыть их с максимально возможной скоростью.
Праймирование может происходить как непосредственно в результате перенесённого стресса, так и в виде реакции на прилетевшие от соседей молекулы метилжасмоната. Последнее, конечно, интереснее, так как не наносит деревьям никакого непосредственного урона, не подвергает их опасности.
Большая часть всего, что учёным известно о праймировании, о его биологических механизмах, выяснено в процессе опытов на модельных растениях, таких как резуховидка Таля. И, конечно, это необходимые фундаментальные знания, но в плане практического применения в экологии и лесном хозяйстве они, практически, бесполезны. Это как с мышами и людьми: хорошо понимать, что нечто воздействует на мышиный вирус у мышей таким-то образом, можно предполагать, что и на родственный человеческий вирус у людей оно будет воздействовать как-то похоже, но никто не выпустит лекарство, испытанное только на мышах, на рынок в качестве препарата для лечения людей. Так и тут: хорошо понимать, как работает праймирование резуховидки бактериальной инвазией против бактериальной же инвазии, но если мы хотим понимать что-то конкретно про ёлки и жуков, надо пробовать с ёлками и жуками.
Руководствуясь вышеизложенными соображениями, исследователи из Норвегии и Швеции решили проверить, можно ли защитить обыкновенную (она же норвежская) ель от короеда-типографа (Ips typographus) с помощью длительного индуцирования защитных механизмов путём инокуляции грибами и — второй вариант — с помощью праймирования метилжасмонатом как сигнальным агентом, сообщающим о возможной опасности.
Эксперимент начался в 2008 году. Учёные отобрали 60 здоровых на вид деревьев на краю сорокавосьмилетнего ельника в Швеции. 22 апреля исследователи инокулировали треть выбранных деревьев патогенными офиостомовыми грибами Endoconidiophora polonica (они же Ceratocystis polonica или Ophiostoma polonicum) — на высоте от 0,8 до 3,8 метров от земли в стволах насверлили пятимиллиметровых отверстий и вложили в них препарат выращенного на агаре мицелия. (22 апреля грибами? Гм.)
Ещё треть выбранных деревьев обработали метилжасмонатом. Препарат в жидком виде наносили на кору и держали её мокрой от него в течение пяти минут. Если препарат высыхал раньше (он, напомню, летучий), его наносили опять.
Ну и треть деревьев оставили нетронутыми — контрольная группа.
Непосредственно перед обработкой из каждого наблюдаемого дерева высверлили полым сверлом шестимиллимитровый в диаметре образец и заморозили — чтобы потом его можно было сравнить с образцами, взятыми позже, через 14 и через 35 дней. Во взятых образцах определялись, в частности, содержание терпеноидов и уровень экспрессии генов, связанным с производством терпенов и других защитных агентов.
Наконец, на 35-й день, после сбора образцов, на все исследуемые деревья повесили дозаторы-распылители, заполненные феромонами, привлекающими короедов-типографов. Чтобы проконтролировать, что дозаторы нормально работают и жуки в самом деле прилетают и садятся на деревья, на ствол каждой ели поместили липкую ловушку размером 10 на 15 сантиметров: если в ней обнаруживаются жуки нужного вида, значит, всё правильно.
Через 30 дней после вывешивания феромонных дозаторов все деревья обследовали на предмет поражения жуками. Сначала подсчитали плотность жучиной атаки на каждое дерево — путём подсчёта всех входных отверстий на поверхности коры в пределах двадцатисантиметровой опоясывающей ствол полосы на высоте от 1,7 до 1,9 м над землёй. Потом внешнюю кору тщательно удалили и посмотрели, насколько развита под ней сеть жучиных туннелей, а также описали все галереи с отложенными яйцами и потомством всех степеней развития (личинки, куколки). Следующей весной, в марте 2009 года, исследователи опять осмотрели деревья и записали, живы они или мертвы.
При анализе актуального содержания терпенов через 35 дней после обработки выяснилось, что древесина растений, получивших грибную прививку, содержит их в 27 раз больше, чем образцы, взятые из деревьев, обработанных метилжасмонатом, и в 91 раз больше, чем контрольные образцы. Это, в общем, был ожидаемый результат. А вот анализ транскриптов генов, связанных с производством терпенов и других защитных агентов, дал интересные результаты: транскрипты генов, связанных с процессами защиты от патогенов, были значительно и примерно одинаковым образом повышены как в образцах елей, обработанных метилжасмонатом, так и в образцах, взятых из деревьев, инокулированных грибами, но — при этом содержание самих метаболических продуктов, являющихся конечным результатом деятельности этих генов, в деревьях, обработанных метилжасмонатом, либо было повышено не так значительно, как в обработанных грибами, либо не было повышено вообще в сравнении с контрольным уровнем ни на 14-й, на на 35-й день.
Занимательно и то, что на деревья, обработанные метилжасмонатом, приземлялось больше жуков, чем на инокулированные грибами, и значительно больше, чем на контрольные. При этом входных отверстий жучиных ходов в них было меньше, а туннелей так мало, что можно сказать — почти не было. То есть почему-то на праймированные метилжасмонатом ёлки короеды садятся охотнее, но потом большинство из них вдруг резко теряет желание вгрызаться в эти деревья. Контрольные деревья на первый взгляд для жуков не так привлекательны, но все, кто сел, вгрызаются, делают ходы и так далее. В 38 раз больше входных отверстий на контрольных деревьях, чем на обработанных метилжасмонатом, насчитали учёные.
Яиц, личинок и куколок в деревьях, обработанных метилжасмонатом, учёные не нашли вообще. И только в трёх из них нашли камеры, напоминающие галереи, в которые жуки обычно откладывают яйца. При этом во всех контрольных деревьях были и яйца, и личинки, и куколки в существенных количествах. В деревьях, обработанных грибами, тоже были, но поменьше.
Через год, в марте 2009 года, одиннадцать из двадцати контрольных деревьев были мертвы. Но ни одна ель из обработанных грибами или метилжасмонатом, не погибла. Летом 2018 года исследователи осмотрели место испытаний ещё раз. Они нашли развивающиеся выводки жуков на всех мёртвых деревьях, на трёх выживших контрольных и на двух, привитых грибами, но остальные выжившие деревья — это, заметим, через десять лет после инокуляции грибами или праймирования метилжасмонатом — не имели никаких признаков того, что в них размножаются короеды.
Вот так учёным стало понятнее, как можно защищать ёлки от короедов.
Может быть, и вы из этой заметки узнали что-то новое для себя о ёлках.
Автор: Денис Яцутко