Rozżarzone pomarańczowe kwiaty kalifornijskiego maku rozświetlają łąki w całym Złotym Stanie. Fakt, że ten gatunek występuje od gorącego, suchego San Diego aż po chłodne, deszczowe góry Klamath, wskazuje na szczególną moc: zdolność do adaptacji do fenomenalnie szerokiego zakresu warunków.

W erze szybkich zmian klimatycznych umiejętność dostosowywania się do lokalnego otoczenia jest cennym talentem. Jednak potencjał gatunków do adaptacji był dotychczas w dużej mierze ignorowany. Większość modeli przewidujących, gdzie w przyszłości znajdą się rośliny, zakłada, że ​​gatunki mogą przetrwać tylko w tym samym zakresie warunków lub w tej samej otoczce klimatycznej, w której występują obecnie.

Jednak ta koperta jest o wiele bardziej restrykcyjna dla pojedynczej rośliny. „Pojedynczy osobnik raczej nie będzie mógł istnieć w całej przestrzeni klimatycznej, w której występuje gatunek” — mówi Cleland. Oznacza to, że mak pochodzący z wilgotniejszej, chłodniejszej północnej Kalifornii może nie przetrwać w miejscach, w których maki z południowej Kalifornii dobrze się rozwijają, mimo że technicznie rzecz biorąc należą do tego samego gatunku.

Aby zasilić dzisiejsze modele rozmieszczenia roślin, naukowcy rozpoczęli badanie gatunku modelowego występującego w całym systemie rezerwatu przyrody UC: maku kalifornijskiego. Profesorowie Elsa Cleland z UC San Diego i Jason Sexton z UC Merced określą różnorodność genetyczną, wykorzystując nasiona zebrane z szeroko rozprzestrzenionych dzikich populacji, i będą monitorować losy tych populacji na wolności. Wyniki pokażą, w jaki sposób różnorodność genetyczna i tempo przepływu genów wpływają na sukces roślin. Profesor Cory Merow z University of Connecticut włączy następnie te dane eksperymentalne do bardziej zaawansowanego modelu rozmieszczenia, który uwzględnia takie procesy, jak adaptacja i przetrwanie. Badanie zaktualizuje kluczowe narzędzie do ochrony roślin i pokieruje działaniami mającymi na celu zapewnienie przetrwania rodzimych roślin w obliczu wstrząsów środowiskowych prognozowanych na XXI wiek.

„Chcemy być w stanie przewidzieć, jak gatunki prawdopodobnie dostosują się do zmiany klimatu. Sądzimy, że możemy uzyskać wskazówki na ten temat z istniejących różnic, które widzimy w różnych zakresach gatunków” – mówi Cleland.

Różne klimaty, różne oblicza

Mak kalifornijski jest czarodziejem w dostosowywaniu się do lokalnych warunków. W cieplejszej południowej Kalifornii chmury wysychają wcześniej w roku, a rośliny muszą szybko zakończyć swoje cykle reprodukcyjne. W rezultacie południowe maki mają tendencję do bycia jednorocznymi (zamierają po zaledwie jednym sezonie wegetacyjnym), inwestują mniej energii w wzrost korzeni i wytwarzają nasiona, które mogą leżeć uśpione przez lata, czekając na sprzyjające warunki wzrostu. Rośliny północne z kolei mają tendencję do bycia wieloletnimi, mają głębokie i silne korzenie i wytwarzają nasiona, które wykiełkują już w następnym sezonie deszczowym.

Te i inne cechy występują w gradientach w całym stanie, gdy pyłki i populacje się mieszają. Dzięki swojemu projektowi makowemu naukowcy mogą skupić się na tym, jak ta mozaika zmienności genetycznej wpływa na adaptację.

„Podejrzewamy, że wiele zmienności genetycznej, surowego składnika adaptacji, jest w rzeczywistości rozmieszczone w populacjach, a nie w obrębie populacji” – mówi Cleland. „W miarę jak te geny przepływają tam i z powrotem, te różne strategie ekologiczne się integrują”.

Zmienność w obrębie populacji

Przepływ genów przyczynia się do zmienności genetycznej zawartej w populacji. Dostęp do różnorodności genetycznej może być kluczem do przetrwania zmiany klimatu, ponieważ zmienność genetyczna w populacji stanowi jej potencjał adaptacyjny. Podobnie jak karty rozdane pokerzyście mogą decydować o tym, czy wygra, czy przegra, zbiór genów, z których populacja może czerpać, dyktuje jej możliwe reakcje na nowe warunki.

Statystyk i biolog Ronald Fisher posunął tę ideę o krok dalej w latach 30. XX wieku. Jego fundamentalne twierdzenie doboru naturalnego głosi, że bardziej zróżnicowana, ale gorzej działająca populacja powinna lepiej dostosowywać się do zmieniających się warunków niż mniej zróżnicowana populacja, już zoptymalizowana pod kątem obecnego środowiska.

W koncepcji Fishera zróżnicowana populacja jest podobna do scyzoryka szwajcarskiego. Chociaż multitool nie jest najlepszym gadżetem do otwierania puszki fasoli lub krojenia mięsa, może wykonywać szerszą gamę zadań niż otwieracz do puszek lub nóż do steków.

Pobieranie próbek kalifornijskiego złota

Cleland i Sexton zbadają twierdzenie Fishera za pomocą mocy maku. W zeszłym roku zebrali nasiona maku z 20 miejsc w Kalifornii. Miejsca te obejmowały 15 rezerwatów przyrody UC; dwa rezerwaty California State University, dwa parki stanowe i jeden fundusz powierniczy. Rezerwaty NRS, w których przeprowadzono próby, obejmują Angelo Coast Range Reserve, Blue Oak Ranch Reserve, Bodega Marine Reserve, Coal Oil Point Natural Reserve, Elliott Chaparral Reserve, Fort Ord Natural Reserve, Hastings Natural History Reservation, Jepson Prairie Reserve, Kenneth S. Norris Rancho Marino Reserve, Landels-Hill Big Creek Reserve, McLaughlin Natural Reserve, Motte Rimrock Reserve, Sedgwick Reserve i Younger Lagoon Reserve.

Ponieważ maki są wszechobecne w większości Kalifornii, naukowcy mogliby przeprowadzić swoje eksperymenty niemal w każdym dzikim miejscu Eszolcja kalifornijska populacje rosną. Postanowili pracować głównie w ramach NRS. „NRS sprawia, że ​​ten projekt jest o wiele bardziej prawdopodobny: łatwo jest uzyskać dostęp i pozwolenie na prowadzenie badań w rezerwatach”, mówi Sexton. „Przy 20 populacjach, które trzeba odwiedzać dwa lub trzy razy w roku, uzyskanie pozwolenia od różnych podmiotów zajęłoby wieczność”.

Podążając śladami Mendla

Po wyhodowaniu zebranych nasion w szklarni naukowcy ostrożnie skrzyżowali rośliny w obrębie każdej populacji. Śledzenie rodowodów roślin umożliwia naukowcom ilościowe określenie zmienności genetycznej w obrębie populacji.

Następnie naukowcy posadzą swoje krzyżówki na UC San Diego i UC Merced, w miejscach o odmiennym klimacie. To pokaże, jak dobrze nasiona sprawdzają się w różnych warunkach środowiskowych. Ostatecznie naukowcy planują wykonać „długodystansowe” krzyżówki między populacjami eksperymentalnymi, aby symulować, w jaki sposób zwiększony przepływ genów może wpłynąć na adaptację roślin do zmian klimatu.

„To pozwoli nam zrozumieć, w jaki sposób różne rodzaje przepływu genów – na duże i małe odległości oraz w podobnych i odległych klimatach – wpływają na potomstwo” – mówi Sexton.

Populacje od dawna rozdzielone mogą czasami mieć problemy z rozmnażaniem. Niezgodności chromosomowe mogą powodować, że potomstwo będzie mniej konkurencyjne. Dlatego muły, hybrydowe potomstwo konia i osła, mają tendencję do bycia bezpłodnymi.

Lepszy sposób przewidywania sukcesu populacji

Oprócz populacji eksperymentalnych Cleland i Sexton monitorują populacje dzikie w czasie. W miarę jak rośliny te produkują potomstwo w kolejnych sezonach, naukowcy będą liczyć liczbę kwiatów, główek nasiennych, sadzonek i dorosłych roślin na każdej działce w każdym sezonie wegetacyjnym. Te dane demograficzne są miarą przeżycia i sukcesu reprodukcyjnego

Cleland i Sexton będą również zbierać dane demograficzne z dzikich maków w 20 rezerwatach, fundacjach ziemskich i parkach przez cztery lata. Gdy już będą mieli wszystkie informacje demograficzne, badacze z UC podzielą się nimi ze współbadaczem Merowem. Merow wykorzysta te dane do stworzenia narzędzia o nazwie model projekcji integralnej, lub IPM, które może przewidywać przeżywalność maków.

„Modele projekcji całkowych były używane do modelowania, jak dobrze populacja radzi sobie w różnych scenariuszach. Mogą one mierzyć przeżywalność i reprodukcję w obrębie populacji i mówić, że ta populacja prawdopodobnie przetrwa, a ta populacja prawdopodobnie właśnie teraz zanika” – mówi Cleland.

Ten model rozmieszczenia gatunków nowej generacji mógłby być następnie zastosowany do roślin, które, w przeciwieństwie do maku kalifornijskiego, są zagrożone zmianami zasięgu i wyginięciem z powodu globalnego ocieplenia. Dla każdego nowego gatunku trzeba by przeprowadzić więcej eksperymentów krzyżowania i nową IPM. Jednak projekt maku pokazałby, w jaki sposób to nowe podejście może pomóc naukowcom zachować zmienność genetyczną, której organizmy będą potrzebować, aby przetrwać erę burzliwych zmian środowiskowych.