Зелёные иголки переживают морозы, как броня: у хвойных найден уникальный режим выживания

Упрощённый зимний фотосинтез помогает сосне сохранять хлорофилл — NC

Зимняя стойкость хвойных деревьев долго оставалась загадкой для биологов, ведь большинство растений в холодное время сбрасывает листья. Новые данные международной команды учёных проливают свет на то, почему сосны и ели сохраняют насыщенную зелёную хвою даже в условиях резких температурных перепадов. Исследователи выявили уникальный механизм фотосинтеза, который помогает иголкам оставаться защищёнными круглый год. Об этом сообщает Nature Communications (NC).

Как хвойные остаются зелёными, когда другие растения теряют листву

Учёные давно предполагали, что фотосинтетический аппарат хвойных может работать по особым правилам, но прямых доказательств не хватало. Теперь исследователи из разных стран проследили, как изменяется структура хвои в течение холодных месяцев, и выяснили, что сосны используют упрощённый путь передачи энергии. Это помогает растению сохранять устойчивость даже тогда, когда биохимические реакции практически "замерзают" из-за низких температур.

В зимний период хлорофилл продолжает активно поглощать солнечный свет, однако большая часть молекулярных процессов, необходимых для полноценного фотосинтеза, прекращается. Это особенно заметно ранней весной, когда яркое солнце сочетается с морозами. Избыток энергии способен повреждать белки, но хвойные нашли способ защитить свою структуру — уникальную перестройку фотосистем.

"Мы наблюдали за несколькими соснами, растущими в Умео на севере Швеции, в течение трёх сезонов. Было важно, чтобы мы могли работать с хвоей "прямо с улицы", чтобы она не адаптировалась к более высоким температурам в лаборатории", — говорит аспирант Пушан Баг Университета Умео.

Исследования показали, что фотосистемы — специальные комплексы, преобразующие свет в энергию — зимой начинают работать иначе. При отрицательных температурах структура тилакоидной мембраны изменяется так, что две фотосистемы сближаются и вступают в контакт.

Что происходит внутри иголки зимой

В тёплое время года фотосистема II и фотосистема I располагаются отдельно, чтобы обеспечить эффективный перенос энергии. Зимой же дистанция между ними сокращается, и возникает своеобразный "обходной путь". Фотосистема II передаёт энергию напрямую фотосистеме I, тем самым защищая хлорофилл от разрушения. Этот механизм помогает иголкам пережить период, когда организм растения работает на минимальной скорости.

Чтобы проследить этот процесс, исследовательская группа сочетала биохимический анализ с методом сверхбыстрой флуоресценции. Он позволяет фиксировать работу хлорофилла в невероятно коротких временных интервалах — в пределах пикосекунд. Благодаря этим данным учёные смогли увидеть, как хвоя фактически "переключается" в режим энергосбережения, не теряя зелёного цвета.

"Нам нужно было настроить оборудование для изучения сосновых иголок при низких температурах, чтобы зафиксировать этот уникальный механизм. Мы также пробовали использовать еловые иголки, но их было сложно разместить в оборудовании", — объясняет Ольга Чухуцина из Амстердамского свободного университета.

Другие участники проекта отмечают, что такой тип защиты демонстрирует одну из самых ярких адаптаций растений северного климата.

"Сосновые иголки дали нам возможность изучить этот механизм быстрого реагирования, который также называют spill-over", — добавляет Альфред Хольцварт.

Полученные данные показали, что эта способность характерна не только для сосен. У ели, пихты и других хвойных фотосинтетические схемы устроены сходным образом, что объясняет их устойчивость и популярность в зимнее время.

Почему механизм важен для человека

Учёные подчёркивают, что способность хвойных сохранять зелёную крону имеет значение не только для экосистем, но и для людей. В суровых условиях северного полушария именно такие деревья позволяли выживать целым поколениям — обеспечивали древесиной, укрытием и материалами. Сегодня хвойные по-прежнему составляют основу экономики тайги, оставаясь важной частью природных ресурсов.

"Эта удивительная способность к адаптации не только радует нас в Рождество, но и на самом деле чрезвычайно важна для человечества", — говорит профессор Стефан Янссон из Университета Умео.

Хвойные деревья продолжают играть огромную роль в современной экономике северных регионов. Их устойчивость к морозам обеспечивает стабильность лесных массивов, предотвращает эрозию почв и поддерживает биоразнообразие.

Сравнение: как хвойные и лиственные растения переживают зиму

Отличия между хвойными и лиственными деревьями особенно заметны в холодные месяцы. Лиственные растения сбрасывают листья, так как не способны защитить фотосинтетический аппарат от повреждений при низких температурах. У хвойных же действует особый механизм.

Лиственные растения прекращают фотосинтез полностью, сбрасывая листья для сохранения ресурсов.
Хвойные сохраняют хвою и продолжают поглощать свет, используя обходной путь передачи энергии.
Листья широколиственных деревьев слишком чувствительны к морозам, тогда как хвоя плотная, защищённая и выносливая.
Хвойные обладают мощными клапанами рассеивания энергии, которые предотвращают разрушение белков.
Сохранение хвои позволяет хвойным продолжать обмен веществ при первых тёплых лучах весны.

Эти различия помогают понять, почему хвойные оказываются более приспособленными к экстремальному климату.

Советы по уходу за хвойными растениями зимой

Хотя в исследовании речь идёт о диких лесных деревьях, принципы адаптации хвойных могут быть полезны тем, кто выращивает сосны, ели или пихты на участке.

Выбирайте виды, устойчивые к вашему климату — это снижает риск повреждений зимой.
Обеспечьте хвойникам доступ к солнечному свету: им важно аккумулировать энергию.
Избегайте лишних подкормок осенью — они стимулируют рост молодых побегов, чувствительных к морозу.
Следите за влажностью почвы, так как пересушивание ослабляет защитные механизмы.
При сильных морозах молодые хвойные лучше притенять, чтобы избежать ожогов.

Эти рекомендации помогают поддерживать здоровье хвойных на приусадебных участках.