Dołącz do czytelników
Brak wyników

Ekologia

18 stycznia 2022

NR 48 (Styczeń 2022)

Sieci natury, czyli architektura roślin klonalnych z sukcesem ewolucyjnym

0 412

Ewolucyjny sukces to nie tylko bycie tu i teraz, ale sposób na długowieczność. Rośliny klonalne tworzą sieci podziemne i nadziemne istniejące tysiące lat. Gdzie można spotkać te niezwykłe sieci? Wszędzie wokół nas. To truskawka w naszym ogródku, koniczyna na trawniku, skrzyp na polu, ostrożeń na łące, turzyca na plaży, paproć i widłak w lesie oraz wiele innych. Wszystkie te organizmy, powstałe w różnym czasie, należą do różnych grup taksonomicznych, ale mają podobny plan budowy architektury ciała, który zapewnia im sukces trwania – SIEĆ.

POLECAMY

Różnorodność architektury sieci

Sieć rośliny klonalnej zbudowana jest z dwóch rodzajów jednostek nazywanych rametami. Rameta podstawowa, tzw. rameta matka (ang. plant mother), powstaje w wyniku rozmnażania płciowego z jednej zygoty. Rameta w wyniku wzrostu wegetatywnego (ten proces nazywa się często rozmnażaniem bezpłciowym) wytwarza drugi rodzaj jednostek – tzw. ramety siostrzane (ang. plant daughter) (Ryc. 1). Nowe ramety siostrzane powstają w wyniku aktywności komórek totipotencjalnych zlokalizowanych w merystemach. Cała roślina zwykle składa się z kilku ramet tego samego klonu i nazywana jest genetem. 
Sieć zbudowana z ramet siostrzanych, połączonych z rametą matką w procesie jej wzrostu wegetatywnego, nazywana jest w ekologii klonem. Ramety połączone są za pomocą kłączy lub rozłogów (Fot. 1). Te organy podziemne i nadziemne to specyficzne „kable informatyczne”, które nie tylko scalają elementy budowy sieci, lecz także dzięki nim przepływają zasoby, sygnały, a także mikrobiom między rametami. Ramety mają zdolność tworzenia wszystkich niezbędnych struktur (m.in. liści, korzeni, merystemów bocznych) do pobierania i wytwarzania zasobów. Każda rameta może oddzielić się od sieci klonu i żyć niezależnie, stając się jednostką podstawową dla nowej sieci, tworząc odrębny strukturalnie klon, ale mający związek genetyczny z klonem, od którego rameta pochodzi. Granice pomiędzy skupieniami ramet mogą być słabo widoczne, ponieważ u gatunków długowiecznych ma miejsce rozbudowa ich struktury podziemnej (rozrost organów podziemnych) i nadziemnej (powielanie liczby ramet) o zróżnicowanej wielkości i trwałości. Jedną z ważniejszych cech organizmów klonalnych, zarówno ze względów ekologicznych, jak i ewolucyjnych, jest otwarty program rozwojowy. Poszczególne ramety w czasie życia rośliny wytwarzane są w sposób ciągły, gdy dochodzi do śmierci jednej ramety, powstaje nowa w innym miejscu. Elementy budowy sieci rośliny klonalnej są takie same u truskawki czy widłaka, ale w przyrodzie spotykamy dużą różnorodność morfologii architektury sieci. Dlaczego? Otóż architektura rośliny, tak jak w przypadku architektury budynku, jest efektem składania poszczególnych elementów. W przypadku roślin jest to efekt jej formy wzrostu, określony genetycznie, a nie tak jak w przypadku budynku, zaplanowany przez człowieka. Forma wzrostu jest wyrażona liczbą i wielkością ramet, długością połączeń między nimi, liczbą rozgałęzień itp. Zmienność tych cech, szczególnie długości i częstości występowania rozgałęzień ramet, prowadzi do wytworzenia charakterystycznych form architektonicznych układających się w kontinuum między formą kępową (falanga) i rozłogową (guerilla). 
 

Ryc. 1. Schemat struktury budowy rośliny klonalnej. Genet powstał w wyniku rozmnażania płciowego, a kolejne ramety na drodze rozrostu wegetatywnego.
Źródło: oryg. M. Dominiak-Świgoń


Wzrost ramet w sieci jest zmienny, nie tylko w zależności od warunków środowiskowych, ale także od wieku. U wierzby Salix setchelliana w młodej sieci dominują ramety z mniejszą liczbą rozgałęzień w stosunku do starszych sieci, w których dominują ramety z dużą liczbą rozgałęzień. W efekcie klony tego gatunku reprezentują różne formy architektury sieci. 
Równie interesująca, choć słabo poznana, jest architektura sieci w kształcie pierścienia pustego w środku. Największe grupy ramet tworzące pierścienie stwierdzono u jednego z gatunków drzew z rodziny bobowatych Prosopis glandulosa. Pierścienie osiągały około 170 m średnicy i tworzyły skupienia ramet o wysokości do 11 m. Funkcjonuje kilka hipotez wyjaśniających ten kształt sieci. Jedna z nich wskazuje na zamieranie ramet we wnętrzu klonu wskutek wyczerpania się zasobów w miejscu ich życia. Młode ramety pojawiają się na zewnątrz klonu, gdyż obumarłe szczątki ramet w środku uniemożliwiają im wzrost. Stąd klon powiększa swój areał stale na zewnątrz, przesuwając się tym samym w przestrzeni. Inna hipoteza wskazuje, że w miejscu dużego zagęszczenia ramet zwiększa się zagrożenie infekcją ze strony patogenów obecnych w środowisku glebowym i to one mogą być przyczyną obumierania ramet, a nie wyczerpanie zasobów w środku pierścienia. 
 

Fot. 1. Ostrożeń łąkowy (Cirsium rivulare) – przykład rośliny klonalnej o formie wzrostu typu falangi. Ostrożeń jest rośliną wieloletnią, rozmnażającą się płciowo przez wytwarzanie nasion oraz bezpłciowo poprzez fragmentację kłączy. Kłącza łączą ramety ostrożenia pod ziemią (A),
są krótkotrwałe, o budowie „gąbczastej”, kruche i łamliwe w wyniku obumierania odśrodkowego tkanek (B). Fot. K. Młynek


Funkcjonowanie sieci i jej obrona

Rośliny klonalne stanowią większość roślin żyjących na ziemi. Klonalność daje roślinom przewagę w rozwiązywaniu trudnych zadań poprzez dostosowanie swojego wzrostu do środowiska. Mogą zajmować różne tereny i pobierać z nich związki niezbędne do przetrwania, nawet jeśli ich rozkład różni się w czasie i przestrzeni. W grupie roślin klonalnych spotykamy osobniki największe (Populus tremuloides „Pando”), najstarsze (Lomatia tasmanica), wyjątkowo ekspansywne i inwazyjne (Eichhornia crassipes). Ich życie przez setki, a nawet tysiące lat i ciągłe rozprzestrzenianie się jest możliwe dzięki optymalnemu poborowi zasobów i dzieleniu się nimi w obrębie sieci. Odkrycie mechanizmu transportu zasobów i komunikowania się jednostek w sieci rośliny klonalnej przez grupę naukowców z Holandii wytyczyło 30 lat temu w ekologii roślin nowy kierunek badań. W środowiskach heterogenicznych ramety mogą lokalnie specjalizować się w wychwytywaniu najbardziej obfitego zasobu, inwestując w zwiększenie biomasy odpowiedzialnego za tę czynność organu. Rozpatrując różną dostępność wody i światła, rameta żyjąca w warunkach dobrego zaopatrzenia w wodę inwestuje w zwiększenie masy korzeni, a jednostka o niewielkiej dostępności wody, ale wysokim nasłonecznieniu, w rozrost części nadziemnej, by skutecznie fotosyntetyzować. Nadmiar obfitego zasobu przekazywany jest jednostkom będącym we wczesnym stadium rozwoju lub żyjącym w mniej sprzyjających warunkach. Fenomen specjalizacji w wyniku transportu zasobów dzięki fizjologicznej integracji znany jest jako podział pracy i zwiększa produktywność klonów nawet do 70%. 
 

CHARAKTERYSTYKA DWÓCH FORM WZROSTU ROŚLIN KLONALNYCH

  • Forma kępowa (falanga). Ramety położone są blisko siebie, ponieważ połączone są za pomocą krótkich międzywęźli i często się rozgałęziają. W efekcie takiego wzrostu roślina całkowicie wypełnia zajętą przestrzeń, tym samym nie dopuszczając do wniknięcia innych organizmów. 
    Pochodzenie nazwy. Falanga – bo­­jo­­we oddziały piechoty greckiej, które powstały już w VII wieku p.n.e. Falangę tworzyli ustawieni w zwartych szeregach, jeden za drugim, hoplici. Kiedy na polu walki jeden z wojowników ginął, jego miejsce zajmował kolejny. Analogicznie u roślin, ramety znajdujące się na zewnątrz są najbardziej narażone na niekorzystne oddziaływanie środowiska, podczas gdy jednostki wypełniające środkową część klonu są dobrze chronione.
  • Forma rozłogowa (guerilla). Ramety są oddalone od siebie, ponieważ połączone są długimi międzywęźlami z mniejszą liczbą rozgałęzień. Taki wzrost powoduje luźne pokrycie dużych obszarów. Pochodzenie nazwy. W języku hiszpańskim słowo guerillas oznacza wojenkę, a określenie to odnoszono do nielegalnych oddziałów hiszpańskich walczących z okupacją francuską na początku XIX wieku. Podobnie jak Hiszpanie stosujący technikę partyzantki, rośliny o tej formie wzrostu wkradają się w niezajęte siedliska, by następnie zwiększać swój zasięg i wypierać konkurentów.


Obrona przed roślinożercami jest ściśle zw...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy

    Wojciech Robert Wysoczański

    Student Wydziału Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Odkrywa grzyby endofityczne w roślinach rzadkich, ginących w Polsce, a także wykorzystywanych przez człowieka. Hoduje je in vitro, identyfikuje mikroskopowo i molekularnie. Członek sekcji Grzyby w interakcjach PTMyk. Pasjonat fotografii.

    Martyna Dominiak-Świgoń

    Absolwentka Wydziału Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Zaangażowana w badania dotyczące interakcji w sieciach roślin klonalnych. Ukończyła szkolenia z zakresu tutoringu i przywództwa w edukacji. Członek sekcji Grzyby w interakcjach oraz kapituły konkursu Science – lubię to! Entuzjastka interdyscyplinarnych projektów edukacyjnych.

    Marlena Lembicz

    PROF. DR HAB.; Botanik, ekolog roślin, nauczyciel akademicki, prof.dr hab. Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Zajmuje się ekologicznymi i ewolucyjnymi efektami interakcji między grzybami endofitycznymi, a roślinami i zwierzętami. Dwukrotny członek komitetu zarządzającego dwóch Akcji COST UE dotyczących grzybów endofitycznych (FA1103 i FA1405). Autorka wielu naukowych artykułów na ten temat. Absolwentka studiów podyplomowych – Technologia Kształcenia na UAM oraz Szkoły Tutorów I stopnia, certyfikowany przywódca w edukacji. Inicjatorka i koordynatorka w latach 2013-2015 zajęć Kreatywność i Przedsiębiorczość na Wydziale Biologii. Przewodnicząca poznańskiej sekcji mykologicznej PTB i ogólnopolskiej sekcji Grzyby w interakcjach PTMyk. Członek kapituły konkursu Science – lubię to!. Pasjonatka wypraw górskich.