Rola dynamiki zasobów w kształtowaniu produkcji nasion u roślin, uktórych występują lata nasienne

Wiele gatunków roślin wykazuje bardzo dużą międzyroczną zmienność w produkcji nasion. W uproszczeniu, są lata, gdy nasion jest wyjątkowo dużo (tzw. lata nasienne) i takie, gdy nie ma ich wcale. Zmienność ta jest zsynchronizowana pomiędzy osobnikami danego gatunku. Mechanizmy, które regulują występowanie lat nasiennych budzą duże zainteresowanie i są intensywnie badane od dziesiątek lat, ponieważ mają ogromne znaczenie dla funkcjonowania ekosystemów – regeneracji lasów, dynamiki populacji zwierząt, ryzyka epidemiologicznego (np. boreliozy), czy obiegu węgla w przyrodzie.

Buk zwyczajny. Fot. Julia i Stanisław Pagacz Z punktu widzenia rośliny lata nasienne spełniają dwie funkcje: pomagają nie mogącym się poruszać roślinom „uciekać” przed wrogami oraz zwiększają liczbę zapylonych kwiatów. Obie te korzyści wynikają ze zsynchronizowanej międzyrocznej zmienności w produkcji nasion. Lata ubogie w nasiona utrzymują populacje konsumentów (np. owadów zjadających nasiona) na niskim poziomie liczebności, by potem wielki opad nasion w roku nasiennym nasycił nieliczne zwierzęta. Jednocześnie, duże i zsynchronizowane kwitnienie wspomaga wymianę pyłku między roślinami.

Buk zwyczajny. Fot. Julia i Stanisław Pagacz W ramach trwających badań finansowanych m.in. w konkursach NCN SONATINA 1 i SONATA 15 pod kierunkiem dra Michała Bogdziewicza, sprawdzamy  w jaki sposób zjawisko występowania lat nasiennych zmienia się w populacji buka zwyczajnego w odpowiedzi na zachodzące zmiany klimatyczne. W pracy opublikowanej w „Nature Plants” [1], wykazaliśmy, że ocieplenie klimatu przyniosło tylko pozornie pozytywny efekt – buki produkują średnio więcej nasion, jednocześnie jednak, na przestrzeni ostatnich 40 lat widać, że zjawisko występowania lat nasiennych buka nie spełnia już tak dobrze swojej roli. Zarówno międzyroczna zmienność jak i synchronizacja między drzewami spadła o kilkadziesiąt procent. Doprowadziło to do dramatycznego spadku skuteczności ochrony przed owadami. Średni odsetek nasion zaatakowanych przez larwy poszybował z kilku do 40% procent. Podobnie wygląda sytuacja z zapylaniem – średnia zapylonych kwiatów spadła z około 50% do 30%. Te dwa procesy całkowicie zniwelowały pozytywny efekt powiększającej się średniej liczby nasion. Z badań wynika więc, że korzystny wpływ globalnego ocieplenia na zdolności reprodukcyjne buka jest pochłaniany przez zjadające nasiona owady.

W pracy opublikowanej w „Current Biology” [2] pokazujemy w jaki sposób selekcja naturalna prowadzi do powstawania lat nasiennych oraz jak wpływa na nią ocieplenie klimatu i procesy z nim związane. Pierwszy krok to wrażliwość drzew na „wskazówkę pogodową" - w przypadku buka jest to ciepłe lato w roku poprzedzającym kwitnienie. Drzewa o dużej wrażliwości produkują nasiona tylko gdy ta wskazówka wystąpi, co prowadzi do dużej międzyrocznej zmienności w produkcji nasion. Co więcej, wiele drzew odpowiada na tę samą wskazówkę, dzięki czemu produkują dużą ilość nasion w tym samym czasie. Innymi słowy, wrażliwość na wskazówkę pogodową zapewnia zarówno międzyroczną zmienność jak i synchronizację. Drzewa nie są ze sobą zsynchronizowane bezpośrednio, a pośrednio przez wspólną odpowiedź na to samo zdarzenie pogodowe.

Drzewa, które wykazują opisaną powyżej wrażliwość skuteczniej unikają konsumpcji nasion przez zwierzęta. Ponadto,  więcej kwiatów zostaje skutecznie zapylonych. Buk zwyczajny. Fot. Julia i Stanisław Pagacz Natomiast osobniki, które nie odpowiadają na wskazówkę pogodową m.in. produkują kwiaty w latach, gdy pyłku jest mało, co prowadzi do niskiej efektywności zapylania. Selekcja naturalna eliminuje więc takie osobniki z populacji.

Dzięki badaniom realizowanych w ramach projektu finansowanego w konkursie SONATA 15 wykazaliśmy, że selekcja na lata nasienne wzmacnia się wraz z ociepleniem klimatu. Cieplejsze lata prowadzą do zwiększenia liczebności populacji owadów, które niszczą nasiona buka. Owadów jest więcej, a więc i konsumpcja nasion większa. Jednak to osobniki, które wykazują niską intensywność lat nasiennych (mają małą międzyroczną zmienność i nie są dobrze zsynchronizowane z pozostałymi osobnikami) cierpią najbardziej. Drzewa, które mają silne lata nasienne unikają negatywnych skutków ocieplenia klimatu. Oznacza to, że selekcja naturalna promuje osobniki, które wykazują dużą międzyroczną zmienność i synchronizację produkcji nasion. W dłuższej perspektywie oznacza to, że zmiany klimatu mogą zintensyfikować lata nasienne,  lub nawet doprowadzić do występowania tego zjawiska u roślin, które do tej pory go nie wykazywały. Skala czasowa ewolucyjnej odpowiedzi długożyjących drzew jest jednak bardzo wolna w porównaniu do tempa zmian temperatury. Jeśli klimat będzie się ocieplał w takim tempie jak teraz, to żadna odpowiedź ewolucyjna nie ma szans im pomóc. To kolejne badania, które pokazują, że musimy zacząć działać przeciw dalszym zmianom klimatu już teraz.