Jak kvetoucí rostliny ovládly Zemi? Tajemstvím jejich úspěchu je „miniaturizace“.

Autor: Jan Toman

Bleskové a zdrcující vítězství krytosemenných rostlin, které vedlo k jejich dominanci ve většině pozemských ekosystémů, považují přírodovědci už dvě stě let za jednu z velkých záhad evoluce. Nově se ukazuje, že za jejich úspěchem mohla stát schopnost za příhodných podmínek vyštěpit linie s malými buňkami tvořícími vysoce efektivní pletiva.

Počátky evoluce krytosemenných, nebo také kvetoucích, rostlin patrně zasahují až do triasu. První rostliny zcela jistě zařaditelné do této skupiny ale pocházejí až z přelomu jury a křídy. Jisté je, že v křídovém období podnikly krytosemenné rostliny frontální útok na pozemské ekosystémy. Během několika desítek milionů let zatlačily nahosemenné rostliny, kapraďorosty, cykasy i další exotičtější skupiny do pozadí. Svou roli jistě sehrála symbióza s hmyzími opylovači a další faktory. Žádný z teoretických biologů ale nepochybuje o tom, že za úspěchem krytosemenných stojí hlavně vyšší účinnost fotosyntézy, kterou kvetoucí rostliny dokáží vyvinout. Podle dvojice amerických biologů tento trumf krytosemenných rostlin umožnila miniaturizace jejich buněk. K té mohlo v jejich evoluci dojít díky opakovaným redukcím genomu. Výsledkem jsou listy tvořené drobnými buňkami, které mohou pod tlakem přirozeného výběru výrazně zvýšit počet drobných průduchů a žilek tvořících sofistikovanou síť specializovaných vodivých pletiv. Taková stavba v porovnání s listy tvořenými velkými buňkami značně zvyšuje efektivitu rostlin při výměně plynů, zvyšuje účinnost fotosyntézy a urychluje růst.

Nástup krytosemenných rostlin na přelomu jury a křídy zásadně proměnil pozemské ekosystémy. Navzdory pozvolna klesající atmosférické koncentraci oxidu uhličitého, který je hlavním „palivem“ rostlinné fotosyntézy, dosáhly krytosemenné rostliny nových met v rychlosti růstu a koncentraci biomasy. Efektivita fotosyntézy závisí především na účinnosti výměny plynů. Průduchy ve svých zelených částech musí rostliny pohltit dostatečné množství oxidu uhličitého, a to za podmínek neustálého vypouštění vodní páry a udržování zelených pletiv. V tomto ohledu jsou daleko účinnější četné malé průduchy než pár velkých. Výrazně může napomoci také hustá síť tenkých vodivých pletiv. U většiny rostlin ale potřebnou „miniaturizaci“ blokuje rigidní velikost genomu určující objem jádra a minimální velikost buněk.

Nejnověji se problému podívala na zoubek dvojice amerických biologů. Ti podle nového článku v časopisu PLOS Biology nejprve srovnali vztah mezi velikostí genomu a velikostí buněk, a poté se pokusili zjistit, na čem závisí koncentrace průduchů a hustota vodivých pletiv v listech u všech cévnatých rostlin. Příslušné statistické analýzy ukázaly, že nejdůležitější parametry účinnost fotosyntézy, tj. koncentrace průduchů a hustota vodivých pletiv, jsou určeny velikostí buněk, a ta sama je zase určena právě velikostí genomu. Druhy s menším genomem tak mají větší počet menších průduchů a větší hustotu listové žilnatiny. Samotná velikost genomu přitom může vysvětlit zhruba třetinu až polovinu pozorované variability v ostatních faktorech, takže je opravdu mimořádně důležitá.

S žilnatinou je to trochu složitější než s průduchy. Redukce průměru jednotlivých žilek totiž zvyšuje hydraulický odpor a teoreticky by ve výsledku mohla rostlině spíše uškodit. Kvetoucí rostliny si proto musely vyvinout sofistikované vlastnosti, které snižují toto riziko na minimum. Jedná se především o speciálně stavěné přepážky mezi navazujícími buňkami.

Pěkným dokladem správnosti nové teorie je i fakt, že se rostliny s těmito vlastnostmi začaly objevovat v křídovém období, tj. v době, kdy začala výrazněji klesat koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře. Výrazné změny v křídovém období potvrdila také analýza vycházející z rekonstruované velikosti genomu a buněk, počtu průduchů a složitosti žilnatiny u předků dnešních kvetoucích rostlin. Kapraďorosty, nahosemenné rostliny ani další skupiny cévnatých rostlin podle stejné analýzy tak účinně zareagovat nedokázaly a musely se uchýlit do méně ideálních stanovišť, kde jejich úspěch neurčuje přímá konkurence s krytosemennými.

Malý háček tkví v tom, že krytosemenné rostliny zahrnují jak druhy s nejmenším, tak s největším rostlinným genomem. Zároveň není žádným tajemstvím, že často prodělávají zdvojení celého genomu a že tyto události mohou do značné míry určovat jejich evoluci. Na jednu stranu tak výsledky studie předpoklady „miniaturizační teorie“ potvrzují, na druhou stranu před nás staví další otazníky.

Podobný výsledek by nás ale neměl překvapovat. Variabilita krytosemenných rostlin je obrovská. Obývají ohromné spektrum habitatů, a to včetně podvodních. Nerostou tedy jen tam, kde jsou vystaveny selekčnímu tlaku na optimalizaci fotosyntézy. Opakovaná a třeba i nezávislá redukce velikosti genomu tak mohla stát u počátku rozvoje některých jejich skupin, zatímco další obývají svá specializovaná stanoviště. Mnoho linií s původně redukovanými genomy je také mohlo po nástupu do nového prostředí druhotně změnit. Klíčem k úspěchu krytosemenných rostlin tak v globálním a dlouhodobém měřítku nemusí být pouhá redukce genomů, ale spíše sofistikované způsoby, jakými s nimi mohou nakládat.

Zdroj: Simonin KA & Roddy AB (2018): Genome downsizing, physiological novelty, and the global dominance of flowering plants. PLOS Biology, 16.