Z vody na souš: evoluci rostlin pomohlo uspořádání vodivých pletiv

Co se na naší planetě odehrávalo v době před 400 miliony let? Jak probíhala evoluce rostlin? Pohled do dávné historie umožnil nový objev mezinárodního týmu pod vedením Martina Boudy z Botanického ústavu AV ČR, publikovaný v prestižním časopise Science. Zjistil, že zelený svět, jak jej známe dnes, by nevznikl bez změn v uspořádání vodivých pletiv, které rostlinám umožnily vyzrát nad suchem a rozšířit se i mimo vlhké prostředí. Výsledky mohou mít i praktický dopad na šlechtění rostlin.

Od doby, kdy na naší planetě vznikl život, se vyvíjí její biosféra. Živé organismy se v průběhu evoluce buď adaptovaly na podmínky svého životního prostředí – vyvinuly se –, nebo vymřely. Veškeré souvislosti však dosud vědci zcela neobjasnili. Týká se to i evoluce rostlin.

Voda–sucho. Dvě strany jedné mince představují klíčový objev ve vzniku a vývoji rostlin. Vlhké prostředí pro ně totiž nebylo ideální a přechod na souš znamenal mnohé výhody, například lepší přístup slunečního světla, více oxidu uhličitého, potřebného k fotosyntéze, či vyšší obsah minerálů v půdě.

„První suchozemské rostliny, které se z vody dostaly na břeh, byly velmi malého vzrůstu a přežívaly jen v bezprostřední blízkosti vody. Asi před 400 miliony let se ale jejich vzrůst začal zvyšovat, vznikaly rozmanitější formy a zároveň začaly osidlovat sušší stanoviště. Zaujalo nás, že zatímco první cévnaté rostliny soustředily svá vodivá pletiva ve válci uprostřed stonku, skoro žádné žijící rostliny si toto uspořádání neudržely. Tento zdánlivě bezvýznamný fakt nám poskytl klíč k rozluštění celé této kapitoly evoluce,“ říká vedoucí autor studie Martin Bouda z Botanického ústavu AV ČR.

Smrtící vzduchové bubliny
Vodivá pletiva zajišťují mimo jiné zásobování nadzemních částí rostlin vodou. Pokud je rostlina vystavena suchu, šíří se vodivým pletivem embolie: vzduchové bubliny, které tok vody nevratně přeruší a navozují smrtící vysychání. Jak tomu tedy rostliny zabránily?

Z nových zjištění vyplývá, že původní válcovité uspořádání vodivých pletiv ve středu stonku se stává s přibývající velikostí rostliny, a tedy tloušťkou vodivého válce, k šíření embolie náchylnější. S větším množstvím vodivých drah je totiž ve válci i více cest, které umožňují nežádoucí šíření embolie.

Zkamenělý kmen stromové kapradiny Dernbachia brasiliensis z doby před 250 až 300 miliony let. Vodivé pletivo je zvýrazněné modře.

„Zjistili jsme, že období sucha přežívají spíše rostliny, jejichž vodivá pletiva jsou uspořádána do úzkých vláken. Pokud jsou cévice shluklé pohromadě, poskytují jejich stěny četná spojení, a tedy spoustu nezávislých příležitostí pro šíření embolie. V úzkém vlákně jsou cévice seřazeny jedna za druhou, takže embolie musí překonávat každou jednotlivou stěnu mezi nimi. Je tedy mnohem vyšší pravděpodobnost, že se někde zastaví a rostlina přežije,“ dodává Martin Bouda. Z kruhového uspořádání začaly tedy rostliny pletiva uspořádávat do pro ně výhodnějších úzkých vláken.

Ve spolupráci s Craigem Brodersenem z Yaleovy Univerzity a dalšími americkými vědci zkoumal Martin Bouda uspořádání vodivých pletiv žijících a vyhynulých rostlin reprezentujících více než 400 milionů let evoluce. Ze zkamenělin zjistili, že s adaptací vlákna začaly rostliny krátce poté, co se na pevnině vyskytly větší druhy, a diverzita uspořádání vodivých pletiv přetrvává dodnes.

Simulacemi šíření embolie uvnitř existujících i idealizovaných vodivých pletiv tým potvrdil, že nebezpečí uschnutí se rostlina vyhýbá díky užším a komplexnějším tvarům těchto struktur. Inovace vodivých pletiv pak byly jedním z faktorů umožňujících liniím stále větších rostlin se šířit dál od zdrojů vody.

100 let stará záhada vyřešena
Vědcům se díky klíčovému zjištění podařilo vyřešit sto let starou botanickou záhadu. Už v roce 1920 ve své přednášce na setkání Královské společnosti v Edinburghu ukázal její prezident, věhlasný botanik Frederick Orpen Bower, že komplexita uspořádání vodivých pletiv je vázána především na velikost stonku. Pro svá pozorování však neměl uspokojivé vysvětlení.

K napájení větší rostliny se silnějším stonkem vodou je samozřejmě třeba více vodivých drah. Chce-li rostlina odolat suchu, musí vzrůstající počet vodivých buněk uspořádat do stále komplexnějších tvarů, aby si pletivo na průřezu stonkem zachovalo úzký profil, který zabrání šíření embolie.

Nový objev může hrát významnou roli při šlechtění plodin odolných vůči suchu. (CC)

Nové poznatky mohou mít praktický dopad například na šlechtění plodin odolných vůči suchu. Vyšších výnosů se u mnoha plodin dosáhlo za cenu souběžného snížení jejich odolnosti. V podmínkách měnícího se klimatu však může být odolnost vůči suchu stejně důležitá jako výnos. Pro zajištění potravinové bezpečnosti v rámci klimatické adaptace bude tak dost možná šlechtitelský výzkum muset dbát na vhodné uspořádání vodivých pletiv.

„Když teď lépe rozumíme tomu, jak jsou vodivá pletiva uspořádána a jak to ovlivňuje schopnost rostliny snášet sucho, můžeme na to uspořádání zacílit šlechtitelské programy. To znamená, můžeme se pokusit vytvořit lepší cévní systém rostlin,“ uvádí Craig Brodersen.

Infografiku znázorňující, jak se rostliny dostaly z vody na souš, si můžete prohlédnout v časopise AΩ / Věda pro každého 1–2/2021.

Tisková zpráva Botanického ústavu AV ČR je k dispozici na webových stránkách Akademie věd ČR.

Text: Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím tiskové zprávy Botanického ústavu AV ČR
Foto: Julian Kiely; Ludwig Luthardt, Museum für Naturkunde v Berlíně; Pavlína Jáchimová

Text a fotografie označené (CC) jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Evoluce věčně živá. V čem tkví podstata biologické rozmanitosti?
• Pozor na klíšťata v městských parcích, jsou nebezpečná, varují odborníci
• Unikátní rozmnožování skokanů z Moravy potvrdili vědci i u dalšího druhu žáby
• Embrya parazitických ryb hořavek se naučila přemet, který jim umožňuje přežít
• Na světě klesá počet velkých šelem – vymírání čelí například levharti
• Vědec chce rozlousknout záhadu rozmanitosti přírody za pomoci mušek octomilek
• Rostliny se mohou přizpůsobit klimatickým změnám, aniž by změnily svoji DNA
• Ekosystémové stanice: tiší strážci zkoumají „dech“ krajiny a dopady změn klimatu
• Vědci předkládají zajímavou teorii: křídla hmyzu se mohla vyvinout z žaber
• Třetina světa v posledních dekádách citelně vysychá, zjistili vědci z CzechGlobe