Barwnik zwany betalainą jest wytwarzany wyłącznie przez gatunki z rzędu goździkowców (Caryophyllales), do której należy również wiele gatunków odpornych na suszę. Naukowcy wcześnie zauważyli związek między roślinami produkującymi betalainę a ich zdolnością do tolerowania suszy. Wykazali również, że warunki stresowe dla rośliny, takie jak ekspozycja na sól, suszę i intensywne promieniowanie ultrafioletowe zwiększają produkcję tego pigmentu.

Badania przeprowadzone przez Toma Carruthersa, do niedawna doktoranta na University of Michigan (USA) pokazują, że betalainy prawdopodobnie stanowiły podstawę tolerancji na suszę u Caryophyllales, umożliwiając roślinom rozwój specjalizacji związanych z suszą – takich jak typowe dla sukulentów grube, mięsiste liście i łodygi, w których roślina magazynuje wodę.

„Sukulenty to w większości przypadków bardzo kosztowna adaptacja: masz naprawdę grube liście, które wypełniasz wodą, a to wiąże się z dużymi kosztami – powiedział Carruthers, który obecnie pracuje w University College Dublin (Irlandia). - Prawdopodobnie betalainy umożliwiają roślinom zasiedlanie tych suchych środowisk, co w konsekwencji prowadzi do ewolucji sukulentów”.

Grupa odkryła również, że betalaina ewoluowała niezależnie u kilku różnych gatunków na wczesnym etapie ewolucji tej grupy roślin – co, według współautora badania, Stephena Smitha, było szczególnie interesujące dla naukowców.

„Jedną z rzeczy, która zawsze mnie zadziwiała w Caryophyllales, jest to, jak wiele różnych linii ewolucyjnych niezależnie wyewoluowało, aby żyć w ekstremalnie suchych środowiskach. Chcieliśmy zrozumieć, czy cechy umożliwiły te powtarzające się transformacje” – powiedział Smith, profesor ekologii i biologii ewolucyjnej.

„Betalainy wyróżniały się tym, że są nietypowe, występują tylko w tej grupie roślin kwiatowych i wielokrotnie pojawiają się w liniach ewolucyjnych, które przystosowały się do środowisk suchych. To skłoniło nas do zastanowienia się, czy betalainy nie były po prostu związane z tolerancją na suszę, ale w rzeczywistości pomogły stworzyć warunki, które umożliwiły ewolucję innych adaptacji do suszy” - dodał.

Aby zbadać rolę betalain w roślinach odpornych na suszę, naukowcy stworzyli najpierw drzewo ewolucyjne dla Caryophyllales, obejmujące około 4500 gatunków tej grupy. Zadbali o to, aby drzewo ewolucyjne obejmowało gatunki z całego rzędu Caryophyllales oraz gatunki kopalne, które istniały w przeszłości.

Następnie pogrupowali gatunki w zależności od tego, czy produkują betalainy, czy nie; są sukulentami, czy nie; oraz czy są odporne na suszę. Następnie zrekonstruowali ewolucję betalain, sukulentów i odporności na suszę.

„Kiedy to zrobiliśmy, wykazaliśmy, że ewolucja betalain u Caryophyllales jest ściśle związana z tolerancją na suszę, a pigmentacja betalain wydaje się być uzyskiwana w znacznie szybszym tempie w liniach, które stają się odporne na suszę” – powiedział Carruthers.

Carruthers twierdzi, że pigmenty betalain mogą wchłaniać szkodliwe produkty uboczne metabolizmu, które rośliny wytwarzają w warunkach stresu – na przykład, gdy brakuje im wody lub gdy fotosynteza nie przebiega prawidłowo. Naukowcy wykazali również w laboratorium, że akumulacja betalainy w komórce roślinnej może pomóc pobierać wodę z otoczenia.

Ich badanie może również dostarczyć informacji na temat innej tajemnicy Caryophyllales: wiele gatunków roślin z tej grupy ma tzw. wiązki rdzeniowe, unikalny rodzaj tkanki przewodzącej, która rozciąga się wzdłuż całej łodygi rośliny.

„Nikt do końca nie rozumie, jak działa ta tkanka, ale uzasadnione jest postawienie hipotezy, że jest ona związana z transportem lub magazynowaniem wody – zaznaczył Carruthers. - Wykazaliśmy, że większość gatunków z tym nietypowym układem naczyniowym jest również pigmentowana betalainami. Ponownie, otrzymujemy kolejny związek między betalainami jako prekursorami ewolucji wszystkich tych innych osobliwości, takich jak wiązki rdzeniowe i sukulenty”.

„Często patrzymy na kaktusa lub inny sukulent i skupiamy się na oczywistych adaptacjach, takich jak gruba, magazynująca wodę łodyga lub liść. Jednak te cechy mogły być możliwe jedynie dzięki mniej widocznym innowacjom, które rozwinęły się wcześniej – powiedział Smith. - Nasze badanie daje nam znacznie bogatszy obraz tego, jak rośliny zasiedliły jedne z najtrudniejszych środowisk na Ziemi”.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ agt/