Защитни механизми на растенията срещу растителноядни

Открийте защитните механизми на растенията срещу растителноядни — химически и физически стратегии, партньорства с насекоми и еволюционни адаптации за оцеляване.

Защитата от растителноядство описва защитните механизми на растенията, за да се избегне изяждането им. Съществуват много приспособления, които подобряват оцеляването и размножаването на растенията, като намаляват въздействието на тревопасните.

Много растения произвеждат химикали, които променят поведението, растежа или оцеляването на тревопасните. Тези химически защити могат да действат като репеленти или токсини за тревопасните или да намалят смилаемостта на растенията. Някои растения, известни като хиперакумулатори, са специализирани в съхраняването на тежки метали, които са токсични за животните.

Под „химични защити“ се включват широк спектър от вторични метаболити, напр.: алкалоиди (напр. никотин), феноли и танини (които свързват протеините и намаляват усвояването), терпеноиди и летливи съединения, глюкозинолати (в кръстоцветни) и цианогенни гликозиди (в някои кореноплодни). Някои растения отделят млечен латекс или смоли, които запушват устните части на насекомите и затрудняват храненето. Други натрупват силиций (фитолити) или восъчни покрития, които правят листата по-абразивни и трудносмилаеми.

Някои растения насърчават присъствието на естествени врагове на тревопасните животни, които от своя страна защитават растението. Някои растения осигуряват дом на мравки, които защитават силно растението.

Има разнообразни форми на индиректна защита — например отделяне на летливи органични съединения (VOCs), които привличат хищни насекоми и паразитоиди към нападани листа. Други растения имат екстрафлорални нектарници, специални „домати“ (кутийки) или нишки, които осигуряват храна и подслон за защитници като мравки. Такива взаимоотношения често са взаимно изгодни: растението получава защита, а мравките — храна и подслон.

Други защитни стратегии, използвани от растенията, включват избягване или избягване на тревопасни животни навреме или на място. Те могат да растат на места, където растенията не са лесно откриваеми или достъпни за тревопасните. Те могат да растат, когато растителноядните животни не са наблизо. Билкоядните животни могат да се насочат към несъществени части или растението може да успее да се възстанови от щетите, причинени от растителноядните животни.

Към стратегията на избягване и толерантност спадат:

• фенологични промени — растеж и цъфтеж в периоди, когато тревопасните са слабо активни;
• растеж на недостъпни места — скали, стръмни склонове, бедни почви;
• компенсаторен растеж — способност да върнат загубена тъкан бързо;
• частично пожертвани органи — например насочване на билкоядните към листа, а не към репродуктивни органи;
• масово плододаване („masting“) — периодично производство на много семена, което претоварва интереса на тревопасните.

Всеки тип защита може да бъде конститутивен (винаги присъстващ в растението) или индуциран (произведен в отговор на увреждане или стрес, причинен от тревопасни). Растенията могат да реагират и реагират на повреди.

Индуцираните отговори често се опосредстват от растителни хормони като жасмонова киселина и салицилова киселина, които задействат локални и системни процеси на защита. Индуцираната защита е по-икономична при ниска честота на нападения, а конститутивната — по-бърза при постоянен натиск. Съществува компромис между растежа и инвестицията в защита: ресурси, използвани за защита, не са налични за растеж и размножаване.

В миналото насекомите са били най-значимите тревопасни животни, особено ларвите на насекомите. Еволюцията на сухоземните растения е тясно свързана с еволюцията на насекомите. Въпреки че повечето защитни механизми на растенията са насочени срещу насекомите, са се развили и други защитни механизми, насочени към гръбначните тревопасни животни, като птици и бозайници.

Защитите срещу по-големи тревопасни включват:

• механични бариери — шипове, тръни, груби и дебели кора или листа;
• текстурни промени — твърди, влакнести влакна, които затрудняват изяждането;
• високи нива на токсични или горчиви съединения, неприемливи за вкуса и здравето на бозайниците;
• поведенчески стратегии — например нощно ветрене или намаляване на експозицията на пасищни животни.

Еволюционният сблъсък между растения и растителноядни води до коеволюция: тревопасните развиват механизми за детоксикация, специализация върху определени растения или начини за заобикаляне на физичните бариери; растенията от своя страна еволюират по-ефективни защити или нови стратегии. Някои тревопасни дори използват растителни токсини за своя защита — например насекоми, които натрупват растителни отрови, за да станат сами неприемливи за хищници (пример за това е връзката между млечното растение и пеперудата монарх, която съхранява карденолиди).

Проучването на защитните механизми на растенията срещу тревопасните е важно не само от еволюционна гледна точка, но и защото тези механизми могат да се използват в селското стопанство, включително като източници на храна за хората и животните.

Практически приложения включват:

• подбор и развъждане на устойчиви сортове с естествени защитни свойства;
• интегрирана защита — комбиниране на биологични контролери (хищници, паразитоиди) и културни практики;
• използване на растения-„отблъсквачи“ или „успокояващи“ (push–pull система) за отклоняване на вредителите;
• генетични подходи, включително генно инженерство за въвеждане на защитни белтъци (например Bt токсини), при внимателно управление за предотвратяване на резистентност;
• извличане на растителни метаболити за естествени пестициди или примамки.

Разбирането на баланса между защита и растеж, екологичните последици от прилагането на защитни механизми и начините, по които човешките практики променят тези взаимодействия, остава ключов въпрос в екологията, еволюцията и устойчивото селско стопанство.

Еволюция на защитните характеристики

Най-ранните сухоземни растения са се развили от водни растения преди около 450 милиона години (mya) през периода ордовик. Тези ранни сухоземни растения не са имали съдова тъкан и са се нуждаели от свободна вода за размножаването си. Съдовите растения се появяват по-късно и тяхното разнообразяване започва през девонската епоха (около 400 mya). Те са имали приспособления, като например защитни покрития, за да намалят изпарението от тъканите си.

Размножаването и разпространението на съдовите растения в тези сухи условия е постигнато чрез еволюцията на специализирани структури на семената. Разнообразяването на цъфтящите растения (ангиосперми) през периода креда се свързва с внезапен взрив на видообразуване при насекомите. Тази диверсификация на насекомите е представлявала основна селективна сила в еволюцията на растенията и е довела до селекция на растения, които са имали защитни приспособления. Първите насекоми тревопасни са хапели или дъвчели растителността, но еволюцията на съдовите растения е довела до съвместна еволюция на други форми на тревопасни, като смучене на сокове, извличане на листа, образуване на жлъчка и хранене с нектар.

Регистри на тревопасни животни

Разбирането ни за растителноядството в геоложкия период идва от три източника:

1. вкаменени растения, които могат да запазят следи от защита (като бодли) или увреждания, причинени от тревопасни животни;
2. наблюдение на растителни остатъци във фосилизиран копролит (животински изпражнения); и
3. строежа на устията на тревопасните.

Дълго време се смяташе, че това е мезозойско явление, но доказателства за тревопасните се откриват почти веднага след като се появят вкаменелостите, които биха могли да ги покажат. В рамките на по-малко от 20 милиона години след първите фосили на спорангии и стъбла към края на силура, около 420 mya, има доказателства, че те са били изяждани. Животните са се хранили със спорите на раннодевонските растения, а ринийската черта също предоставя доказателства, че организмите са се хранили с растения, използвайки техниката "пробий и смучи". Много растения от това време са запазени с бодливи израстъци, които може би са имали защитна роля.

През следващите 75 милиона години растенията развиват редица по-сложни органи - от корени до семена. Между еволюцията на всеки орган и храненето с него е имало интервал от 50 до 100 милиона години. Храненето по дупки и скелетирането са регистрирани в началото на перм, а храненето с повърхностни течности се развива към края на този период.

Съвместна еволюция

Билкоядните животни зависят от растенията за храна и са развили механизми за набавяне на тази храна въпреки еволюцията на много защитни механизми на растенията. Адаптациите на тревопасните към защитата на растенията се оприличават на нападателни черти. Те са адаптации, които позволяват засилено хранене и използване на растението-гостоприемник. Взаимоотношенията между растителноядните животни и техните растения-гостоприемници често водят до реципрочни еволюционни промени, наречени ко-еволюция.

Когато растителноядните животни се хранят, те изяждат растения, които нямат достатъчна защитна реакция. Това създава възможност за растения, които могат да се защитят. Така растенията със защитни механизми стават по-разпространени. В случаите, когато тази връзка показва специфичност (еволюцията на всеки признак се дължи на другия) и реципрочност (и двата признака еволюират), се смята, че видовете са еволюирали съвместно.

Механизмът "бягство и радиация" за ко-еволюцията е идеята, че адаптациите при тревопасните и техните растения-гостоприемници са били движещата сила за видообразуването. Адаптациите са изиграли роля за радиацията на видовете насекоми през епохата на покритосеменните растения. Някои растителноядни животни са развили начини да превземат защитните механизми на растенията в своя полза, като секвестират (съхраняват) тези химикали и ги използват, за да се предпазят от хищници.

Хронология на еволюцията на растенията и началото на различните начини на растителноядство на насекомите


Лист на Viburnum lesquereuxii с повреди от насекоми; пясъчник Дакота (креда) в окръг Елсуърт, Канзас. Мащабът е 10 mm.


Обикновена тигрова гъсеница Danaus chrysippus, която прави ров, за да блокира защитните химикали на Calotropis преди хранене

Въпроси и отговори

В: Какво представлява защитата срещу растителноядството?

В: Как растенията се защитават от растителноядни животни?

В: Винаги ли тези защитни механизми присъстват в растението?

В: Какъв вид животни обикновено са свързани със защитните механизми на растенията?

В: Има ли защитни механизми, насочени към гръбначните тревопасни животни?

В: Защо е важно да се изучават защитните механизми на растенията?

Търсене по буква