Однолетнее растение — это растение, которое завершает свой жизненный цикл , от прорастания до производства семян , в течение одного вегетационного периода , а затем умирает. В глобальном масштабе 6% всех видов растений и 15% травянистых растений (исключая деревья и кустарники) являются однолетними. [1] Годовой жизненный цикл независимо возник в более чем 120 различных семействах растений на протяжении всей филогении покрытосеменных . [2]
Эволюционные и экологические факторы годового жизненного цикла
Традиционно преобладало предположение, что однолетние растения произошли от многолетних предков. Однако недавние исследования ставят под сомнение это представление, раскрывая случаи, когда многолетние растения произошли от однолетних предков. [3] Интересно, что модели предполагают, что скорость перехода от однолетнего к многолетнему жизненному циклу в два раза быстрее, чем обратный переход. [4]
Теория жизненного цикла утверждает, что однолетние растения получают преимущество, когда смертность взрослых особей выше смертности сеянцев (или семян), [5] т. е. однолетние растения будут доминировать в средах с нарушениями или высокой временной изменчивостью, снижая выживаемость взрослых особей. Эта гипотеза находит поддержку в наблюдениях за повышенной распространенностью однолетних растений в регионах с жарким сухим летом, [1] [4] [6] с повышенной смертностью взрослых особей и высокой стойкостью семян. Более того, эволюция годового жизненного цикла в условиях жаркого сухого лета в разных семействах делает его одним из лучших примеров конвергентной эволюции . [1] [4] [3] Кроме того, на годовую распространенность также положительно влияет изменчивость от года к году. [1]
В глобальном масштабе распространенность однолетних растений демонстрирует тенденцию к росту с ростом человеческого следа. [1] Более того, было установлено, что домашний выпас скота способствует повышению обилия однолетних растений на лугах. [7] Нарушения, связанные с такими видами деятельности, как выпас скота и сельское хозяйство, особенно после европейского заселения, способствовали вторжению однолетних видов из Европы и Азии в Новый Свет.
В различных экосистемах доминирование однолетних растений часто является временной фазой во время вторичной сукцессии , особенно после нарушений. Например, после того, как поля заброшены, однолетние растения могут первоначально колонизировать их, но в конечном итоге заменяются долгоживущими видами. [8] Однако в некоторых средиземноморских системах разворачивается уникальный сценарий: когда однолетние растения устанавливают доминирование, многолетние растения не обязательно вытесняют их. [9] Эта особенность приписывается альтернативным стабильным состояниям в системе — как ежегодное доминирование, так и многолетние состояния оказываются стабильными, при этом конечное состояние системы зависит от начальных условий. [10]
Особенности однолетних растений и их значение для сельского хозяйства
Однолетние растения обычно демонстрируют более высокую скорость роста, выделяют больше ресурсов семенам и выделяют меньше ресурсов корням, чем многолетние растения. [11] В отличие от многолетних растений, которые характеризуются долгоживущими растениями и короткоживущими семенами, однолетние растения компенсируют свою более низкую долговечность, поддерживая более высокую устойчивость почвенных семенных банков . [12] Эти различия в стратегиях жизненного цикла глубоко влияют на функционирование и услуги экосистемы. Например, однолетние растения, выделяя меньше ресурсов под землей, играют более незначительную роль в снижении эрозии, хранении органического углерода и достижении более низкой эффективности использования питательных веществ и воды, чем многолетние растения. [13]
Различия между однолетними и многолетними растениями особенно очевидны в сельскохозяйственных контекстах. Несмотря на то, что однолетние виды составляют незначительную часть глобальной биомассы, однолетние виды выделяются как основной источник пищи для человечества, вероятно, из-за их большего распределения ресурсов на производство семян, тем самым повышая производительность сельского хозяйства. В эпоху антропоцена, отмеченную воздействием человека на окружающую среду, наблюдалось существенное увеличение глобального покрытия однолетними растениями. [14] Этот сдвиг в первую очередь объясняется преобразованием природных систем, часто занимаемых многолетними растениями, в однолетние пахотные земли. В настоящее время однолетние растения покрывают приблизительно 70% пахотных земель и обеспечивают около 80% мирового потребления продовольствия. [15]
Молекулярная генетика
В 2008 году было обнаружено, что инактивация всего двух генов в одном виде однолетнего растения приводит к его превращению в многолетнее растение . [16] Исследователи деактивировали гены SOC1 и FUL (контролирующие время цветения) Arabidopsis thaliana . Это переключение установило фенотипы, распространенные у многолетних растений, такие как образование древесины .
Смотрите также
Двулетнее растение – цветущее растение, которому требуется два года для завершения своего биологического жизненного цикла.
^ abcde Поппенваймер, Тайлер; Мэйроуз, Италия; ДеМалах, Нив (8 ноября 2023 г.). «Пересмотр глобальной биогеографии однолетних и многолетних растений». Природа . 624 (7990): 109–114. arXiv : 2304.13101 . дои : 10.1038/s41586-023-06644-x. ISSN 1476-4687. ПМЦ 10830411 . PMID 37938778. S2CID 260332117.
^ Фридман, Дженнис (2 ноября 2020 г.). «Эволюция истории жизни однолетних и многолетних растений: экологические корреляты и генетические механизмы». Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics . 51 (1): 461–481. doi :10.1146/annurev-ecolsys-110218-024638. ISSN 1543-592X. S2CID 225237602.
^ ab Hjertaas, Ane C.; Preston, Jill C.; Kainulainen, Kent; Humphreys, Aelys M.; Fjellheim, Siri (2023). «Конвергентная эволюция синдрома ежегодной истории жизни от многолетних предков». Frontiers in Plant Science . 13. doi : 10.3389/fpls.2022.1048656 . ISSN 1664-462X. PMC 9846227. PMID 36684797 .
^ abc Бойко, Джеймс Д.; Хаген, Эрик Р.; Болье, Джереми М.; Васконселос, Таис (ноябрь 2023 г.). «Эволюционные реакции стратегий жизненного цикла на климатическую изменчивость цветковых растений». New Phytologist . 240 (4): 1587–1600. doi : 10.1111/nph.18971 . ISSN 0028-646X. PMID 37194450.
^ Чарнов, Эрик Л.; Шаффер, Уильям М. (ноябрь 1973 г.). «Последствия естественного отбора для истории жизни: пересмотр результата Коула». The American Naturalist . 107 (958): 791–793. doi :10.1086/282877. ISSN 0003-0147. S2CID 264255777.
^ Тейлор, Аманда; Вайгельт, Патрик; Денель, Пьер; Кай, Лиронг; Крефт, Хольгер (ноябрь 2023 г.). «Вклад растительной жизни и форм роста в глобальные градиенты разнообразия сосудистых растений». New Phytologist . 240 (4): 1548–1560. doi : 10.1111/nph.19011 . ISSN 0028-646X. PMID 37264995.
^ Кларк, Адам Томас; Кнопс, Йоханнес МХ; Тилман, Дэйв (март 2019 г.). Барджетт, Ричард (ред.). «Условные факторы объясняют среднюю дивергенцию в функциональном составе за 88 лет старой полевой сукцессии». Журнал экологии . 107 (2): 545–558. Bibcode : 2019JEcol.107..545C. doi : 10.1111/1365-2745.13070. ISSN 0022-0477.
^ Уриччио, Лоуренс Х.; Доус, С. Кэролайн; Спир, Эрин Р.; Мордекай, Эрин А. (февраль 2019 г.). «Эффекты приоритета и неиерархическая конкуренция формируют видовой состав в сложном сообществе лугов». The American Naturalist . 193 (2): 213–226. doi :10.1086/701434. ISSN 0003-0147. PMC 8518031 . PMID 30720356.
^ ДеМалах, Нив; Шнерб, Надав; Фуками, Тадаши (1 августа 2021 г.). «Альтернативные состояния в растительных сообществах, обусловленные компромиссом между историей жизни и демографической стохастичностью». The American Naturalist . 198 (2): E27–E36. arXiv : 1812.03971 . doi :10.1086/714418. ISSN 0003-0147. PMID 34260874. S2CID 226191832.
^ Вико, Джулия; Мандзони, Стефано; Нкурунзиза, Либер; Мерфи, Кевин; Вейх, Мартин (январь 2016 г.). «Компромиссы между выходом семян и продолжительностью жизни — количественное сравнение признаков однолетних и многолетних родственных видов». New Phytologist . 209 (1): 104–114. doi :10.1111/nph.13574. ISSN 0028-646X. PMID 26214792.
^ ДеМалах, Нив; Кигель, Хайме; Стернберг, Марсело (1 марта 2023 г.). «Контрастная динамика семенных банков и стоячей растительности однолетних и многолетних растений вдоль градиента осадков». Перспективы экологии, эволюции и систематики растений . 58 : 125718. arXiv : 2301.12696 . doi : 10.1016/j.ppees.2023.125718. ISSN 1433-8319. S2CID 256389403.
^ Гловер, Джерри Д.; Реганолд, Джон П.; Кокс, Синди М. (сентябрь 2012 г.). «Высаживайте многолетники, чтобы спасти почвы Африки». Nature . 489 (7416): 359–361. doi :10.1038/489359a. ISSN 1476-4687. PMID 22996532.
