Функциональные признаки листьев кроны гигантской секвойи реагируют на угрозы окружающей среды

Высоко над землей, на вершине гигантской секвойи, до 2 миллиардов листьев конкурируют за ресурсы. Их форма — длинная и раскидистая или короткая и плотная — зависит от положения в кроне. Отдельные листья живут до 20 лет, поднимая воду по стволу и направляя питательные вещества вниз, что позволяет дереву наращивать древесину и жить тысячелетиями. Частично свои рекордные размеры (это самый массивный негрибной организм на Земле) секвойя обязана способности листьев реагировать на изменения среды. «С точки зрения как поглощения углерода, так и риска водного стресса, всё решается на уровне листа», — объясняет исследователь Алана Р. О. Чин из American River College и Университета штата Калифорния в Хамбольдте. Чин и её соавтор Стивен С. Силлетт поставили задачу выяснить, как именно листья реагируют на среду, обеспечивая впечатляющий рост деревьев.

Чтобы ответить на вопросы о рисках для старовозрастных лесов, они опубликовали статью «Фенотипическая пластичность листьев повышает устойчивость к водному стрессу и способствует гидравлической проводимости у высоких хвойных» в American Journal of Botany. «Анатомия листа часто считается устаревшим направлением, — отмечает Чин, — но современные аналитические инструменты позволяют анатомам масштабировать наблюдения» для прогнозирования реакции целых деревьев и экосистем.

Исследователи взяли пробы из крон пяти гигантских секвой в горном лесу национального парка «Секвойя». Эти деревья зависят от таяния снега в Сьерра-Неваде, а малоснежные годы создают для них засуху. Анализ 18 структурных признаков побегов и листьев, включая эксперимент с индуцированной засухой по новому методу «запечатанного конца» (погружение среза в воск), показал, что анатомия листьев секвойи закономерно реагирует на условия. Вариабельность больше зависит от доступности воды, чем света. Листья в самой верхней, наиболее открытой части кроны лучше приспособлены к водному стрессу, чем нижние. Ключевую роль играет необычно крупная трансфузионная ткань внутри листа, способствующая потоку воды.

Листья верхней кроны более жёсткие (больше волокон) и более сочные, чем нижние. Их жёсткость замедляет разложение после опадения, влияя на углеродный цикл экосистемы. Сочность отчасти обеспечивается обилием трансфузионной ткани, которая запасает воду и предотвращает коллапс клеток при стрессе. В листьях секвойи этой ткани в три раза больше, чем у её родственницы — секвойи вечнозелёной (Sequoia sempervirens), и она занимает почти всю ширину листа.

Кроме того, как установили Чин и Силлетт, трансфузионная ткань накапливает тепло и стимулирует транспирацию, перехватывая излучение изнутри листа и испаряя воду — подобно системам охлаждения в электронике. Многочисленные устьица на листьях верхней кроны способствуют диффузии пара. Использование тепла для ускорения движения воды позволяет этим деревьям использовать «узкие ежедневные окна» для фотосинтеза в короткое лето Сьерры. По словам Чин, адаптации для «излучательно-движущей транспирации могут помогать этим массивным деревьям "куй железо, пока горячо" благодаря быстрой гидравлической пропускной способности».

Авторы были поражены анатомией листа, которая «указывает на способность реагировать на локальные сигналы среды» и углубляет понимание влияния изменения климата на лесные экосистемы. Новый метод «запечатанного конца» также перспективен для сельского хозяйства, позволяя сравнивать устойчивость растений к засухе с помощью простых инструментов.