Ученые выяснили, что широколиственные леса в Северном полушарии могли распространиться примерно 43 миллиона лет назад и стать более разнообразными около 27–15 и 5 миллионов лет назад. Такие изменения связаны с ухудшением климата в течение этих периодов. К такому выводу авторы пришли, проанализировав генетическую историю и процесс распространения по земному шару воронца — многолетнего травянистого растения. Этот род растет только в широколиственных лесах и не встречается в других местах, поэтому его эволюция позволяет понять, как формировались целые экосистемы. Об исследовании рассказала пресс-служба Российского научного фонда.
Листопадно-широколиственные леса простираются от субтропических высокогорных районов до умеренных широт Северного полушария. В таких лесах произрастает большое количество видов растений, среди которых есть эндемики — то есть организмы, живущие на ограниченных территориях и больше нигде не встречающиеся, и реликтовые — сохранившиеся с древнейших времен — формы. Однако мало известно о том, как растительность широколиственных лесов в Северном полушарии развивалась с течением времени и как она связана с эволюцией остальных видов животных и растений.
Биологи из Центрального Сибирского ботанического сада РАН (Новосибирск) с коллегами из Института ботаники Китайской академии наук и Национального ботанического сада Китая (Пекин) исследовали происхождение и разнообразие растений из рода воронец (Actaea), чтобы понять, как исторически формировались широколиственные леса в Северном полушарии.
Род воронец включает в себя 32 вида травянистых растений, которые произрастают в подлеске листопадных широколиственных лесов северного полушария, за исключением воронца японского, который распространен в субтропических вечнозеленых лесах. Поскольку естественный ареал воронца связан с широколиственными лесами, поняв историю этого растения, можно узнать и о распространении самих лесов с течением времени.
Для изучения родственных связей внутри рода Actaea ученые выделили из листьев хлоропластную и ядерную ДНК, после чего сравнили их наборы генов. Поскольку ДНК в хлоропластах досталась растениям от цианобактерий — более древних одноклеточных организмов, — она может рассказать об эволюции в те времена, когда растений как таковых еще не существовало. Всего для анализа авторы выбрали пять генетических последовательностей, которые оказались наиболее информативными по результатам полногеномного секвенирования (расшифровки последовательности нуклеотидов): четыре хлоропластные и одну ядерную.
Генетический анализ позволил ученым восстановить полное филогенетическое дерево рода Actaea и определить степень родства и время возникновения отдельных видов, а также понять историю их географического распространения.
Комплексный анализ показал, что воронец возник в Восточной Азии, вероятно, на Цинхай-Тибетском нагорье, около 57 миллионов лет назад. В это время после вымирания динозавров на Земле активно развивались яйцекладущие и сумчатые животные, а в растительном мире — тропические леса и цветковые растения. Позднее, около 43 миллионов лет назад, род распространился по Северной Америке, а еще спустя 20 миллионов лет достиг Европы, Японии и Тайваня.
Период, в который воронец появился в Северной Америке (43 миллиона лет назад), совпадает со временем распространения в Северном полушарии нескольких родов лиственных деревьев, таких как каштан (Castanea) и кизил (Cornus), которые могли стать «основателями» древнейших широколиственных лесов. Таким образом, совместное распространение воронца и этих древесных видов может указывать на то, что листопадно-широколиственные леса в Северном полушарии могли возникнуть примерно 43 миллиона лет назад.
Около 15 миллионов лет назад род Actaea разделился на существующие по сей день виды. Кроме того, в Северном полушарии увеличилось разнообразие лиственных деревьев, а значит, и леса достигли своего расцвета.
Исследование позволило выяснить происхождение и развитие рода Actaea, а также лучше узнать процессы формирования широколиственных лесов в Северном полушарии с течением времени. Это, в свою очередь, может помочь понять, как развивались современные экосистемы со столь разнообразными видами растений, и использоваться для охраны природы и лесных ресурсов.
«Мы выявили наиболее информативные гены, которые помогают понять родственные связи внутри рода, датировки возникновения групп и взаимосвязь с формированием широколиственных лесов. Далее мы планируем проанализировать геномы родов с недостаточно изученной эволюцией, получить их последовательности и реконструировать филогенетические деревья при помощи набора геномных данных», — рассказывает Андрей Эрст, старший научный сотрудник Центрального сибирского ботанического сада СО РАН.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в журнале Molecular Phylogenetics and Evolution.