Uită-te la o plantă și probabil că te uiți și la o ciupercă. Mai mult de 80% din plantele terestre sunt partenere cu ciuperci pentru a ajuta plantele respective să extragă nutrienți - azot și fosfor - din sol (1, 2). Plantele returnează favoarea cu carbon din fotosinteza lor. Biologii suspectează că acest parteneriat a fost un factor major în a permite plantelor să se deplaseze de la apă la uscat în urmă cu aproximativ 470 de milioane de ani. Dar exact cum a apărut parteneriatul rămâne un mister.

lucrări

Datând de 480 de milioane de ani în urmă, planta hepatică Treubia pygmaea conține endofite mucoromicote. Aici este în creștere in situ peste alte hepatice, la Rahu Saddle, South Island, Noua Zeelandă. Imagine oferită de Jeff Duckett și Silvia Pressel (Muzeul de Istorie Naturală, Londra, Marea Britanie).

Abia recent, experimentele au arătat că analogii moderni ai acestor plante și ciuperci comercializează într-adevăr carbonul cu nutrienți. Cercetătorii descoperă, de asemenea, că partenerii fungici sunt mai diversi decât se aștepta. Partenerii diferă în ceea ce privește cantitatea de nutrienți ai solului pe care o oferă în schimbul carbonului. Și în timp ce unele parteneriate prosperă în atmosfera modernă, altele se descurcă cel mai bine la niveluri mai ridicate de dioxid de carbon. Aceste descoperiri ar putea, prin urmare, să ne ajute să ne modelăm imaginea despre atmosfera veche și, eventual, despre clima viitoare.

Carbon pentru fosfor

Timp de decenii, cercetătorii au presupus că primele plante terestre s-au asociat cu aceleași ciuperci pe care le văd cel mai adesea la plantele moderne, cunoscute acum sub numele de Glomeromicotină. „Le numim„ gloms ”, explică Katie Field, un fiziolog al plantelor de la Universitatea din Leeds din Marea Britanie.

Ciuperca formează structuri ramificate, asemănătoare copacilor, în interiorul celulelor vegetale și trimite fibre care sparg solurile și aspiră substanțele nutritive. Această abilitate a permis probabil plantelor timpurii, care nu aveau rădăcini proprii, să colonizeze pământul (3). Fosilele unora dintre primele plante terestre au ciuperci cu aspect similar în strânsă asociere și, până în prezent, gloms continuă să se asocieze cu plantele.

„Din punct de vedere al plantei, este un fel de strategie câștigătoare pentru a putea fi asociat cu un partener fungic sau celălalt, sau doi dintre ei”.

„Christine Strullu-Derrien”.

Pentru a investiga această teorie a unui parteneriat timpuriu, Field explorează modul în care ciupercile și plantele au interacționat în era paleozoică atunci când plantele au făcut saltul pe uscat - înainte de a prolifera, modificând ecosistemele și, eventual, contribuind la creșterea concentrațiilor de oxigen din atmosferă. Ea și colegii ei cultivă plante hepatice, cel mai apropiat omolog modern de primele plante terestre, în camere de dimensiuni de garderobă. Cercetătorii modifică nivelurile de dioxid de carbon pentru a imita climele antice. Pentru a identifica fosforul care intră în plantă prin intermediul ciupercii, cercetătorii au plasat fosfor radioactiv într-o „zonă numai pentru ciuperci” - cilindrii umpluți cu sol cu ​​găuri acoperite cu plasă pe care firele fine ale ciupercii le pot ajunge, dar părțile plantelor pot t. Pentru a identifica carbonul pe care planta îl împarte cu glom, echipa folosește dioxid de carbon radioactiv.

Field și echipa ei au arătat că ficatele și glomsul comercializează într-adevăr fosforul cu carbonul. Potrivit experimentelor lor, procesul are loc atât la concentrații de dioxid de carbon de 440 de părți pe milion (aproximativ echivalent cu cele de astăzi), cât și la 1.500 ppm care au predominat pe Pământ în urmă cu 470 de milioane de ani. Dar la 1.500 ppm, schimbul este mult mai eficient pentru uzină; câștigă de 10-100 de ori mai mult fosfor pe unitate de carbon decât la 440 ppm (4).

Lucrarea, publicată în 2012, a furnizat dovezi relativ directe ale unei asocieri mutualiste între plante antice și ciuperci, spune Christine Strullu-Derrien, paleomicolog la Muzeul de Istorie Naturală din Londra, care nu a fost implicată în studiu. Desigur, experimentele cu plante moderne nu pot dovedi că strămoșii acelor plante s-au angajat în același tip de simbioză tit-for-tat. „Este cel mai bun lucru pe care îl putem face în acest moment”, spune Field, „dacă nu găsim o mașină a timpului”.

Planta de ficat Treubia lacunosa are bucăți fungice (prezentate aici în micrografia electronică de scanare) care sunt unice pentru ciuperca mucoromicotă. Se găsesc pe cea mai timpurie descendență hepatică, Haplomitriopsida. Imagine oferită de Jeff Duckett și Silvia Pressel (Muzeul de Istorie Naturală, Londra, Marea Britanie).

Un nou partener

Alți cercetători au arătat că povestea ciupercilor - plante a fost mai complicată decât s-a crezut odată. În 2011, exact în momentul în care Field își redacta descoperirile, botanistul Jeff Duckett și colegii de la Muzeul de Istorie Naturală au raportat că au găsit o hepatică cu un asociat fungic cu aspect amuzant. În loc de structuri asemănătoare copacilor, ciuperca a format sfere și bobine în interiorul plantei. Cercetătorii au presupus că au descoperit un soi neobișnuit de glom și, pentru identificare, i-au trimis probe lui Martin Bidartondo, un ecolog molecular la Imperial College London și la Royal Botanic Gardens din Kew, Marea Britanie. Cu toate acestea, toate eforturile lui Bidartondo de a găsi gene glom au ajuns goale. El a decis să-și lărgească domeniul de aplicare și a găsit secvențe genetice dintr-un alt tip de ciupercă, Mucoromycotina („mucs” pe scurt) (5).

Constatarea a fost o surpriză pentru câmp, spune Duckett: „Înseamnă că ne uităm la un tip cu totul nou de simbioză fungică în plantele terestre”. Bidartondo a găsit de atunci mucuri și, uneori, mucuri și gloms împreună, la alte plante moderne (5 ⇓ –7), în timp ce Strullu-Derrien și colab. (8) a raportat o ciupercă fosilă asemănătoare cu mucului asociată cu o plantă terestră într-o formațiune fosilă veche de 407 milioane de ani din Scoția. „Pune mucurile în intervalul de timp potrivit pentru a fi importante pentru colonizarea plantelor terestre”, spune Field.

Înainte de descoperirile lui Bidartondo despre mucurile din ficatele moderne, mucurile erau cunoscute mai ales ca descompunători de materiale moarte, nu ca parteneri ai plantelor vii. Au intrat, la fel ca gloms, într-un acord nutrienți-pentru-carbon? Field s-a îndreptat spre Noua Zeelandă pentru a colecta unii dintre partenerii muc-liverwort. Experimentele ei de cameră au arătat că au făcut într-adevăr schimbul (9).

„Din punct de vedere al plantei, este un fel de strategie câștigătoare pentru a te putea asocia cu un partener fungic sau cu celălalt sau cu doi dintre ei”, spune Strullu-Derrien. Vlăstarii se bazează pe ciuperci pentru a le găsi în sol, astfel încât deschiderea către mai mulți parteneri le-ar fi putut oferi șanse mai mari de a obține o simbioză benefică.

Field a descoperit ceva neașteptat, totuși, când a comparat partenerii muc-liverwort sub niveluri moderne și antice de dioxid de carbon. Din motive încă neclare, plantele au obținut o acțiune mai slabă la concentrații antice, consumând mai puțin azot și fosfor decât la niveluri scăzute și moderne de dioxid de carbon - spre deosebire de rezultatele obținute de Field cu gloms (4, 9).

Deci, de ce ar fi plantele antice partenere cu mucuri care erau mai puțin eficiente în acea atmosferă, mai ales dacă gloms-ul ar fi o opțiune? Câmpul notează că, chiar dacă mucurile nu furnizează prea multe substanțe nutritive primelor plante, în comparație cu glomele, mucurile ar fi putut oferi alte beneficii, cum ar fi ajutarea la colectarea apei sau aerarea solului.

Când mucurile și gloms au colonizat aceleași hepatic, le-a costat plantelor și mai mult carbon, dar le-a oferit și mai mulți nutrienți. În funcție de specie, comerțul a fost de trei sau mai multe ori mai eficient pentru plante la nivelurile moderne de dioxid de carbon decât la paleozoic (10). Câmpul nu este pe deplin sigur ce ar fi putut însemna pentru primele plante terestre, dar ea sugerează că oferă flexibilitatea plantei în a răspunde la un climat în schimbare. Plantele ar putea fi deschise la un fel de simbioză pentru concentrații ridicate de dioxid de carbon, altul pentru cele mai mici.

Control climatic

Nu numai că plantele au trebuit să se adapteze la scăderea dioxidului de carbon atmosferic, dar probabil au contribuit la crearea acelui climat. În urmă cu 450 și 300 de milioane de ani, nivelurile de oxigen ale Pământului au crescut la aproximativ 21%, comparabile cu nivelurile actuale - eveniment cunoscut sub numele de eveniment de oxigenare din paleozoic mediu. O ipoteză principală pentru a explica schimbarea este că, pe măsură ce plantele s-au extins pe tot pământul, au aspirat carbonul atmosferic. O parte din acest carbon a fost depozitat sub pământ în material vegetal mort care s-a transformat în cele din urmă în combustibili fosili și alte roci purtătoare de carbon. În același timp, plantele au expulzat oxigenul.

Benjamin Mills, un modelator geochimic la Universitatea din Leeds și colaborator al Field’s, a simulat atmosfera veche pe baza datelor despre productivitatea plantelor moderne. Dar există o gaură în aceste modele, spune el. Nu iau în considerare dinamica plantei - ciuperca și ce fel de acces la fosfor ar fi putut avea primele plante. O cantitate bună de fosfor, furnizată de ciuperci precum mucoase sau gloms, le-ar spori creșterea și capacitatea de a schimba carbonul atmosferic cu oxigenul.

Pe baza experimentelor lui Field, Mills și-a modificat modelul pentru a include absorbția fosforului. A făcut o diferență uriașă. Dacă rata de exploatare a fosforului de către primele organisme ale biosferei a fost ridicată, ca în experimentele lui Field cu glom, modelul arată nivelurile de oxigen crescând mai devreme și mai mari decât dacă fosforul a fost extras la o rată mai mică, bazată pe muc.

Cercetătorii nu știu ce simbiont fungic a dominat în paleozoic, lăsându-l pe Mills nesigur cu privire la modul în care plantele terestre timpurii au modificat atmosfera. Dar lucrarea arată că rata de schimb a ciupercii - plante este relevantă. „Trebuie să începem să construim aceste considerații în modele climatice”, spune Field.

Înțelegerea modului în care organismele vii extrag și folosesc fosforul ar putea face, de asemenea, o diferență în modelele climatice viitoare, spune Mills. Cu toate acestea, fosforul circulă lent, astfel încât aceste date sunt cele mai relevante pentru modelele pe termen lung, să zicem, în următorii 1.000 de ani.

Field investighează acum modul în care asocierile plante-ciuperci s-ar putea schimba odată cu creșterea nivelului de dioxid de carbon în viitorul apropiat. Creșterea concentrației de dioxid de carbon din camerele sale la niveluri care ar putea apărea într-o jumătate de secol sau cam așa, ea caută efecte asupra creșterii grâului. „Vedem repercusiuni uriașe în schimbul de carbon-nutrienți”, spune Field. Astfel de informații, adaugă ea, ar putea furniza în cele din urmă indicii despre cum să hrănim cel mai bine populația în creștere a lumii în deceniile următoare.