Объект: Кубышка жёлтая встречается на нескольких континентах. Её можно найти даже в Москва-реке. Однако до сих пор строение её цветка не было детально описано. Хотя оно могло бы подсказать, как выглядели самые первые цветки на Земле.
Результаты: Изучение развития цветков кубышки под сканирующим электронным микроскопом позволило установить необычный факт. Все органы в них располагались кругами-мутовками, а не по спирали. Вероятно, так же были устроены и цветки древнейших покрытосеменных растений. При этом сами цветки и листья кубышки формировали на побеге право- или левостороннюю спираль. Направление поворота организм «выбирал» вскоре после прорастания семени.
Биологи из МГУ им. М.В. Ломоносова и НИУ ВШЭ и выявили закономерности, по которым закладываются органы цветка кубышки жёлтой (Nuphar lutea). Выяснилось, что все элементы цветка у неё образуют круги (мутовки), а не сидят последовательно по спирали, как у некоторых других базальных покрытосеменных растений. При этом плодолистики («женские» части цветка) с самого начала сросшиеся и неотделимы друг от друга, а вот тычинок («мужских» частей) так много, что кажется, будто они расположены по спирали или даже хаотично. Предки кубышки одними из первых отделились от общего эволюционного древа покрытосеменных растений, поэтому на основе данных о ней можно строить предположения о строении самых первых цветков. Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology.
Цветок — одно из главных эволюционных приобретений растений. Он дал массу преимуществ для адаптации и выживания. Будущее семя — семязачаток — скрылось в завязи цветка, что защитило его от высыхания и посягательств со стороны некоторых растительноядных. Внутри цветка появились нектарники, выделяющие сладкую питательную жидкость. За ней стали приползать и прилетать многочисленные насекомые и другие животные-опылители. Посещая цветок за цветком в поисках нектара, они начали разносить пыльцу и помогать растениям в размножении.
Чтобы опылители занимались полезным для цветковых делом чаще, те приобрели ещё и выделяющие запах осмофоры, а также крупные ярко окрашенные элементы околоцветника (чаще всего это лепестки), помогающие животным быстро находить источники нектара и пыльцы. Кроме того, ткани плодолистика, окружающие семязачатки, стали разрастаться и формировать плоды, которые служат семенам защитой, а иногда и транспортным средством.
Всё это позволило растениям, у которых был цветок (их называют ещё цветковыми либо покрытосеменными), расселиться по всему земному шару и дало толчок образованию новых видов с самыми разными потребностями и приспособлениями. В отделе Цветковых сейчас более 300 000 видов, тогда как в любом другом отделе наземных растений — меньше на один или несколько порядков.
Несмотря на то, что цветки давно и тщательно изучают, пока так и не стало понятно, у кого и каким образом они возникли и как изначально выглядели. Ясно только, что это бывшие побеги. Неизвестно даже, был ли первый цветок однополым (только с тычинками либо только с пестиками) или обоеполым (содержал тычинки и пестики одновременно). На вопрос, как изначально располагались элементы цветка, — по спирали или нет, — ответ тоже пока отсутствует.
Восстановить облик первого цветка — конечно, не со стопроцентной точностью — можно с помощью растений, сохранивших максимальное сходство с древнейшими покрытосеменными. Логично искать их среди базальных групп — тех, чьи предки раньше других отделились от общего ствола цветковых. У таких организмов строение цветка будет с высокой вероятностью похоже на первоначальное — хотя полностью с ним вряд ли совпадёт.
Из современных цветковых довольно близки к основанию ствола эволюционного древа покрытосеменных — кувшинковые. Они есть на многих континентах. В Евразии широко распространена кубышка жёлтая (Nuphar lutea), порой она встречается и в Северной Америке, поэтому могла бы стать удобным модельным объектом. Но детально каждую стадию её развития, в том числе и цветка, современными методами никто ещё не описывал.
Учёные собрали в 2009-2012 годах на Москве-реке под Звенигородом и на реке Усманка в Воронежской области несколько десятков корневищ кубышки жёлтой с листьями и цветками. Часть из них разрезали на фрагменты, из которых приготовили препараты для световой и сканирующей электронной микроскопии.
Исследователи обращали внимание на форму следов, оставшихся на корневищах от листьев и цветков (кубышка — многолетнее растение, каждый год она сбрасывает старые листья и цветки, от них остаются рубцы), расстояния и углы между ними. А для дальнейшего изучения отбирали молодые цветки на разных стадиях развития. Чтобы определить их строение ученые измеряли углы между одноименными элементами цветка (пятью чашелистиками, дюжиной лепестков, многочисленными тычинками и пестиком из нескольких сросшихся плодолистиков).
Очень часто у растений элементы побега — листья, цветки, боковые почки и ветви — расположены по спирали. Так оказалось и в случае кубышки. Однако в пределах одного цветка углы между его чашелистиками не соответствовали тем, что должны быть в случае спирали (85 и 55 градусов, а не 137,5). Больше было похоже на то, что чашелистики и лепестки образуют круговые мутовки — несколько органов цветка прикрепляются к цветоложу на одном уровне.
У кубышки пять чашелистиков — классическое число для цветка двудольного растения, но не для ближайших родственников Nuphar lutea. Если бы все они формировали одну мутовку, как у большинства растений с чашечкой и венчиком, угол между соседними чашелистиками составлял бы 72 градуса. Однако в реальности чашелистики располагались под такими углами, что де-факто находились в двух кругах: три элемента в наружном, и два во внутреннем. При этом число лепестков колебалось обычно от 14 до 15, и расположены они были в одном круге.
Плодолистики и тычинки кубышки — тоже расположены циклически. Строение пестика не позволяет усомниться в расположении плодолистиков в один круг, а вот для тычинок формирование кругов было неочевидно. Они закладываются, чередуясь с лепестками. После заложения околоцветника сначала появляются тычинки самого наружного круга, потом их становится всё больше.
В некоторых цветках «аккуратное» расположение тычинок чередующимися кругами несколько сбивается, поэтому иногда трудно разобрать, к каким мутовкам относятся отдельные тычинки. В полностью сформированных цветках кругового расположения тычинок уже совсем не видно.
Плодолистики — структуры, в которых находятся семязачатки и из которых развиваются плоды — в ходе развития цветка появляются самыми последними и уже сросшимися до самой верхушки, образуя толстый цилиндрический пестик. Их число не всегда совпадает с числом тычинок в самой внутренней мутовке.
Интересно, что у каких-то корневищ спираль расположения листьев и цветков закручена вправо, у других влево. Авторы предполагают, что её направление определяется тем, как проросток кубышки располагается относительно земли — под влиянием гравитропизма — направления вектора силы тяжести Земли. Иными словами, эта характеристика приобретается, а не наследуется.
Чтобы проверить данную гипотезу, нужно прорастить семена кубышки жёлтой и зафиксировать молодые растения в разных положениях. Лучше, если группа семян будет от одного растения. Это достаточно просто сделать, так как кубышка легко образует семена даже в результате самоопыления.
Чтобы от предположений, как выглядели первые цветки, была практическая польза, нужно найти хорошую модель для их проверки. То, что кувшинковые могут быть такими моделями, не секрет, но проблема в том, что многих важных деталей строения и развития их цветков до этого момента просто не знали. Данные из разных статей по одному и тому же виду противоречат друг другу, в том числе потому, что их авторы по-разному трактуют некоторые термины, описывающие взаимное расположение частей растения.
Авторы новой работы решили, во-первых, использовать объективный параметр — углы между органами. Во-вторых, они детально описали разные стадии развития цветка типичного вида кувшинковых, а заодно и строение его корневища, потому что в данном случае эти структуры развиваются вместе и формирование одной влияет на образование другой. Раньше для евразийских видов этого никто не делал.
Результаты исследования говорят в пользу предположения, что для кувшинковых и для цветковых в целом расположение элементов цветка в мутовках, а не по спирали — это исходное состояние. Ранее в этом были сомнения, теперь их стало меньше. И хотя нет гарантии, что самые древние растения подобного типа были устроены точно так же (тем более что у других «базальных» покрытосеменных, например, у амбореллы, цветки обычно со спиральным расположением органов), тем не менее новые сведения усиливают данную гипотезу.
Автор текста: Светлана Ястребова
