- بتالائین‌ها در چندین دودمان پیش از تکامل تحمل خشکسالی ظاهر شده‌اند.
- ۷۵ درصد گونه‌های مقاوم به خشکسالی و ۹۷ درصد گونه‌های گوشتی بررسی‌شده دارای بتالائین بودند.
- پژوهشگران هنوز باید با آزمایش‌های ژنتیکی و کنترل‌شده مشخص کنند که بتالائین مستقیماً عملکرد گیاه در خشکسالی را بهبود می‌دهد یا نه.
وقتی به یک کاکتوس نگاه می‌کنیم، راهبرد بقای آن آشکار به نظر می‌رسد: ساقه ضخیم آن آب را ذخیره می‌کند تا گیاه بتواند تا بارندگی بعدی زنده بماند. اما پژوهشی تازه نشان می‌دهد که رنگدانه بتالائین شاید بسیار زودتر از توانایی ذخیره آب پدید آمده و یکی از زمینه‌های مهم سازگاری اجداد کاکتوس‌ها با خشکسالی بوده باشد.
کاکتوس‌ها در همان شاخه‌ای از گیاهان گلدار قرار دارند که چغندر نیز به آن تعلق دارد. بسیاری از گونه‌های این شاخه رنگدانه‌ای قرمز تا زرد تولید می‌کنند که در هیچ گروه دیگری از گیاهان گلدار دیده نمی‌شود. نتایج مطالعه جدید نشان می‌دهد این رنگدانه پیش از بسیاری از سازگاری‌های شناخته‌شده با خشکسالی تکامل یافته است.
رنگدانه بتالائین چگونه پیش از تحمل خشکسالی تکامل یافت؟
بتالائین‌ها در چندین دودمان گیاهی پیش از آن ظاهر شده‌اند که همان دودمان‌ها به تحمل خشکسالی دست پیدا کنند. پژوهشگران معتقدند این ترتیب تصادفی نیست و بتالائین‌ها ممکن است بخشی از عواملی باشند که زندگی در مناطق خشک را برای این گیاهان امکان‌پذیر کرده‌اند.
Tom Carruthers این پژوهش را زمانی که پژوهشگر پسادکتری در University of Michigan بود هدایت کرد. او اکنون در University College Dublin فعالیت می‌کند.
Stephen Smith، نویسنده همکار پژوهش، استاد بوم‌شناسی و زیست‌شناسی تکاملی در University of Michigan است. Earth.com در گفت‌وگویی از او پرسید این یافته چه تغییری در نحوه نگاه ما به یک کاکتوس ایجاد می‌کند.
«یک راه ساده برای نگاه کردن به این موضوع این است که کاکتوس صرفاً گیاهی نیست که برای ذخیره آب تکامل یافته باشد. توانایی آن برای تبدیل شدن به یک کاکتوس ممکن است به نوآوری‌های فیزیولوژیکی وابسته بوده باشد که خیلی زودتر تکامل یافته‌اند.»
این رنگدانه چهار بار به‌طور مستقل تکامل یافته است
بیشتر گیاهان گلدار رنگ خود را از خانواده‌ای از ترکیبات به نام آنتوسیانین‌ها می‌گیرند. اما در یک گروه مشخص از گیاهان و فقط در همین گروه، بتالائین‌ها این نقش را برعهده دارند.
این گروه حدود ۱۲ هزار گونه را شامل می‌شود که از نظر ظاهری شباهت خانوادگی چندانی با یکدیگر ندارند. کاکتوس‌ها و گیاهان یخی در این گروه قرار دارند. چغندر، میخک، ریواس و مگس‌خوار ونوس نیز عضو همین گروه هستند.
با این حال همه دودمان‌های این گروه بتالائین تولید نمی‌کنند. به نظر می‌رسد این رنگدانه چهار بار به‌طور مستقل تکامل یافته باشد و هر چهار رویداد در دوره کرتاسه رخ داده‌اند؛ زمانی که دایناسورها هنوز روی زمین زندگی می‌کردند.
یک تحلیل منتشرشده در سال ۲۰۲۰ نشان داده بود که این گیاهان بارها به‌طور مستقل این رنگدانه را به دست آورده‌اند. پژوهشگران اکنون با این فرض کار می‌کنند که هیچ دودمانی پس از کسب بتالائین آن را از دست نداده است.
تحمل خشکسالی پس از پیدایش رنگدانه ظاهر شد
برای بررسی ترتیب این رویدادها، تیم پژوهشی یک درخت خانوادگی زمان‌بندی‌شده برای این گروه ایجاد کرد. این درخت بر پایه DNA بیش از ۴۳۰۰ گونه زنده و ۱۴ فسیل ساخته شد.
بیشتر این فسیل‌ها دانه‌های گرده بودند. مجموعه فسیلی همچنین شامل سه میوه فسیل‌شده، یک مجموعه بذر و یک خوشه گل فسیلی بود. برای هر یک از آن‌ها همان ۵۰ ویژگی فیزیکی مورد استفاده برای گیاهان زنده ثبت شد.
اطلاعات مربوط به محل زندگی گیاهان از نمونه‌های موزه‌ای به دست آمد. تیم پژوهش بیش از ۱.۷ میلیون نمونه گیاهی پرس‌شده و خشک‌شده را روی یک نقشه استاندارد اقلیمی قرار داد.
یک گونه زمانی مقاوم به خشکسالی محسوب شد که دست‌کم سه‌چهارم سوابق ثبت‌شده آن مربوط به مناطق خشک بود. بر اساس این معیار، از میان ۳۹۴۱ گونه‌ای که داده کافی داشتند، ۱۳۰۸ گونه در گروه مقاوم به خشکسالی قرار گرفتند.
توزیع رنگدانه بتالائین در میان این گونه‌ها یکسان نبود. در میان گونه‌های مقاوم به خشکسالی، ۷۵ درصد دارای بتالائین بودند. این رقم در کل مجموعه داده ۵۵ درصد بود. وقتی تعریف مناطق خشک به نواحی گرم و خشک محدود شد؛ مناطقی که بارندگی کم با گرمای زیاد همراه است، سهم گونه‌های دارای بتالائین به ۸۵ درصد رسید.
Earth.com از Smith پرسید چه شواهدی نشان می‌دهد رنگدانه پیش از تحمل خشکسالی ظاهر شده است. او به دو دلیل اشاره کرد. نخست اینکه رنگدانه بتالائین در دودمان‌هایی زودتر ظاهر می‌شود که بعدها مقاوم به خشکسالی شده‌اند. دوم اینکه تحمل خشکسالی در دودمان‌هایی که از قبل این رنگدانه را دارند بسیار سریع‌تر تکامل پیدا می‌کند.
«این الگو بسیار بیشتر با این ایده سازگار است که بتالائین‌ها به امکان‌پذیر شدن انتقال به محیط‌های خشک کمک کرده‌اند تا اینکه صرفاً در نتیجه تحمل خشکسالی ظاهر شده باشند.»
ذخیره آب برای گیاه سازگاری پرهزینه‌ای است
بافت گوشتی و پر از آب همان ویژگی آشنایی است که در یک گیاه گوشتی روی طاقچه یا یک کاکتوس ساگوارو دیده می‌شود. در این گروه گیاهی، این ویژگی تقریباً هیچ‌گاه به‌تنهایی ظاهر نمی‌شود.
از میان گونه‌های گوشتی بررسی‌شده در مطالعه، ۹۷ درصد دارای بتالائین بودند. معدود استثناها نیز در سه خانواده مختلف پراکنده شده بودند.
در میان گونه‌های مقاوم به خشکسالی، ۶۶ درصد توانایی ذخیره آب داشتند. این رقم در کل مجموعه داده ۴۵ درصد بود. البته این ویژگی تنها زمانی اهمیت تکاملی پیدا می‌کند که هزینه‌ای برای گیاه داشته باشد و ذخیره آب واقعاً سازگاری پرهزینه‌ای است.
Carruthers گفت: «گوشتی شدن در بیشتر موارد یک سازگاری واقعاً پرهزینه است. شما برگ‌های بسیار ضخیمی دارید که آن‌ها را با آب پر می‌کنید و هزینه‌های زیادی با این وضعیت همراه است.»
مدل‌هایی که بر درخت تکاملی اعمال شدند نشان می‌دهند دودمان‌های مقاوم به خشکسالی، توانایی ذخیره آب را با سرعت کمتری از دست می‌دهند. همچنین دودمان‌هایی که بتالائین به دست می‌آورند، این توانایی را سریع‌تر کسب می‌کنند.
بخش عمده تنوع گونه‌های زنده در میان کاکتوس‌ها و گیاهان یخی کمتر از ۵ میلیون سال قدمت دارد. این بازه برای گروهی که سابقه آن تا دوره کرتاسه ادامه پیدا می‌کند نسبتاً جدید محسوب می‌شود.
یک ویژگی از این الگو پیروی نکرد
ویژگی عجیب دیگری نیز در این گیاهان وجود دارد که کمتر با این الگو سازگار است. در بیشتر گیاهان، بافت‌هایی که آب و مواد غذایی را در ساقه جابه‌جا می‌کنند به شکل حلقه‌ای در اطراف بخش مرکزی ساقه قرار گرفته‌اند.
اما در بسیاری از گونه‌های مورد بررسی رشته‌های اضافی از این بافت در بخش مرکزی ساقه نیز دیده می‌شود. گیاه‌شناسان این ساختارها را «دسته‌های مغزی» یا medullary bundles می‌نامند.
در میان گونه‌هایی که وجود این ساختارها در آن‌ها شناخته شده است، ۸۷.۵ درصد بتالائین دارند. این موضوع با الگوی مربوط به رنگدانه هماهنگ است. با این حال ارتباط با خشکسالی در اینجا از بین می‌رود.
حدود ۲۸ درصد از گونه‌های مقاوم به خشکسالی دارای این دسته‌ها هستند. این میزان تقریباً با سهم این ویژگی در کل گروه برابر است. هیچ‌یک از مدل‌های آزمایش‌شده توسط تیم پژوهشی از وجود ارتباط میان این ساختارها و شرایط خشک حمایت نکرد.
Carruthers گفت: «هیچ‌کس کاملاً نمی‌داند این بافت چه کاری انجام می‌دهد، اما منطقی است فرض کنیم با انتقال یا ذخیره آب ارتباط دارد.»
شواهد مربوط به این ساختارها در مقایسه با سایر ویژگی‌ها محدودتر است. این اطلاعات از یک بررسی جداگانه شامل ۵۹۱ گونه به دست آمده‌اند. در مقابل، اطلاعات مربوط به سایر صفات هزاران گونه را پوشش می‌دهد. به همین دلیل نویسندگان توصیه کرده‌اند نتایج مربوط به این بخش با احتیاط تفسیر شوند.
بتالائین تنها راه سازگاری با خشکسالی نیست
نویسندگان ادعا نمی‌کنند که وجود این رنگدانه برای زندگی در مناطق خشک ضروری است. چندین دودمان از این گروه بدون اینکه هرگز بتالائین به دست آورده باشند در مناطق خشک زندگی می‌کنند. این گیاهان از همان آنتوسیانین‌هایی استفاده می‌کنند که سایر گیاهان گلدار نیز دارند.
یک گروه از گیاهان آفتاب‌گیر یا sundew نیز به شیوه متفاوتی با شرایط خشک مقابله می‌کند. این گیاهان غده‌هایی زیرزمینی تشکیل می‌دهند و پس از دوره خشکسالی دوباره از آن‌ها رشد می‌کنند.
این تنوع در نتایج آماری نیز دیده می‌شود. مدل‌هایی که تحمل خشکسالی را به‌طور مستقیم به بتالائین مرتبط می‌کنند عملکرد ضعیف‌تری نسبت به مدل‌هایی دارند که چند مسیر مختلف سازگاری را هم‌زمان در نظر می‌گیرند.
غده‌های زیرزمینی، ذخیره آب و رنگدانه‌های معمولی هرکدام می‌توانند بخشی از سازگاری با محیط خشک را فراهم کنند.
سه محدودیت مهم پژوهش
- مناطق خشک بر اساس یک نقشه اقلیمی گسترده تعیین شده‌اند. بنابراین زیستگاه‌های محلی مانند برون‌زدهای سنگی یا سواحل شنی ممکن است در آن قابل تشخیص نباشند.
- تعیین اینکه کدام گیاهان باید «گوشتی» محسوب شوند، طبق توضیح خود نویسندگان پیچیده است و تا حدی به قضاوت پژوهشگر بستگی دارد.
- درخت خانوادگی نمی‌تواند شاخه‌های تکاملی منقرض‌شده را نشان دهد. بنابراین ممکن است یک دودمان قدیمی‌تر و مقاوم به خشکسالی از این تحلیل حذف شده باشد.
Smith گفت استدلال اصلی این پژوهش فراتر از همین گروه گیاهی است. این دودمان‌ها بارها وارد محیط‌های خشک شده‌اند و بتالائین‌ها به نظر می‌رسد بخشی از زمینه تکاملی بوده‌اند که چنین انتقال‌های مکرری را امکان‌پذیر کرده است.
او این مفهوم گسترده‌تر را «وابستگی تاریخی» یا historical contingency نامید.
«این یعنی نوآوری‌ای که زودتر تکامل پیدا می‌کند می‌تواند مشخص کند چه سازگاری‌هایی میلیون‌ها سال بعد امکان‌پذیر خواهند بود.»
این فرضیه هنوز در آزمایش‌های گیاهی بررسی نشده است
تمام شواهد این پژوهش بر محل ظهور ویژگی‌ها در درخت خانوادگی گیاهان استوار است. پژوهشگران پیش از این در آزمایشگاه نشان داده‌اند که بتالائین‌ها می‌توانند به گیاهان در تحمل شوری کمک کنند. این اثر حتی در گیاه تنباکویی که به‌صورت مهندسی‌شده توانایی تولید این رنگدانه را پیدا کرده بود مشاهده شده است.
با این حال هنوز هیچ‌کس نسخه مشابه این آزمایش را برای خشکسالی انجام نداده است.
Smith پیشنهاد می‌کند نخست گیاهانی با ویژگی‌های مشابه مقایسه شوند که تنها تفاوت آن‌ها توانایی یا ناتوانی در تولید بتالائین باشد. در شرایط کنترل‌شده خشکسالی، به گفته او باید عواملی مانند فتوسنتز، تعادل آب و نشانه‌های آسیب سلولی بررسی شوند.
Smith به Earth.com گفت: «قوی‌ترین آزمایش این است که تولید بتالائین را به‌صورت ژنتیکی دست‌کاری کنیم؛ یا آن را از گیاهی که بتالائین تولید می‌کند حذف کنیم یا به گیاهی که به‌طور طبیعی این رنگدانه را تولید نمی‌کند اضافه کنیم و سپس بررسی کنیم آیا عملکرد گیاه در شرایط خشکسالی تغییر می‌کند یا نه.»
تا زمانی که چنین آزمایشی انجام نشود، شواهد اصلی بر جایگاه ظهور این رنگدانه در درخت خانوادگی گیاهانی استوار خواهد بود که تاریخ تکاملی آن‌ها بیش از ۱۰۰ میلیون سال قدمت دارد.
متن کامل این مطالعه در مجله New Phytologist منتشر شده است.
سؤالات متداول
رنگدانه بتالائین چیست؟
بتالائین رنگدانه‌ای قرمز تا زرد است که در گروه خاصی از گیاهان گلدار مانند چغندر و بسیاری از بستگان کاکتوس‌ها دیده می‌شود.
آیا بتالائین باعث مقاومت کاکتوس در برابر خشکسالی می‌شود؟
این پژوهش نشان می‌دهد بتالائین پیش از تحمل خشکسالی تکامل یافته و ممکن است زمینه این سازگاری را فراهم کرده باشد. با این حال رابطه مستقیم علت و معلولی هنوز در آزمایشگاه اثبات نشده است.
چند درصد گیاهان مقاوم به خشکسالی بتالائین دارند؟
در این مطالعه ۷۵ درصد گونه‌های مقاوم به خشکسالی دارای بتالائین بودند. این میزان در مناطق گرم و خشک به ۸۵ درصد رسید.
آیا همه گیاهان گوشتی بتالائین دارند؟
خیر. در این مطالعه ۹۷ درصد گونه‌های گوشتی دارای بتالائین بودند و تعداد کمی استثنا در سه خانواده مختلف مشاهده شد.
آیا گیاهان بدون بتالائین می‌توانند در مناطق خشک زندگی کنند؟
بله. برخی دودمان‌ها بدون بتالائین نیز در مناطق خشک زندگی می‌کنند و از سازگاری‌هایی مانند آنتوسیانین‌ها، غده‌های زیرزمینی یا ذخیره آب استفاده می‌کنند.
جمع‌بندی: رنگدانه بتالائین شاید راه را برای کاکتوس‌ها باز کرده باشد
نتایج این پژوهش نشان می‌دهد رنگدانه بتالائین احتمالاً پیش از بسیاری از سازگاری‌های آشکار گیاهان با خشکسالی تکامل یافته است. این یافته نشان می‌دهد توانایی کاکتوس‌ها و بستگان آن‌ها برای زندگی در محیط‌های خشک ممکن است به نوآوری‌های فیزیولوژیکی بسیار قدیمی‌تر از ساقه‌های ضخیم و ذخیره آب وابسته باشد.
با این حال برای مشخص شدن نقش مستقیم بتالائین در تحمل خشکسالی، انجام آزمایش‌های کنترل‌شده و دست‌کاری ژنتیکی همچنان ضروری است. نتایج این مطالعات می‌تواند تصویر دقیق‌تری از مسیر تکامل گیاهان مقاوم به خشکی ارائه دهد.
اگر به پژوهش‌های تازه درباره تکامل گیاهان، سازگاری با خشکسالی و رازهای بقای کاکتوس‌ها علاقه دارید، مطالب علمی مرتبط را نیز دنبال کنید.
