Чтобы защитить находящиеся под угрозой исчезновения растения, наука должна раскрыть скрытую биологию часто капризных семян по мере их старения, сна и пробуждения.
В морозный день в начале января, когда берлинские деревья и кустарники находятся в глубоком покое, трудно представить, что может быть намного холоднее. Но затем я добираюсь до Далемского семенного банка в ботаническом саду немецкого города, и ботаник Эльке Циппель ведет меня в морозильную камеру в подвале, где прохладно при температуре минус 11,2 градуса по Фаренгейту, и тепло вырывается из моего тела. Вокруг нас полки со стеклянными банками, битком набитыми пузырьками с семенами. «Здесь миллионы семян», — говорит Циппель: крошечные черные, похожие на рис и маленькие коричневые, похожие на гальку. Здешние температуры погрузили их в глубокий сон, призванный сохранить их на века. На то есть веская причина. Более 12 000 коллекций банка включают семена многих редких или находящихся под угрозой исчезновения европейских видов — от горной арники, мохнатой травы с целебными свойствами, которая потеряла большую часть своей низинной среды обитания из-за интенсивного сельского хозяйства, до Gentianella uliginosa , болотного цветка с пурпурными лепестками, который стал одним из самых редких растений континента. Во всем мире такие дикие растения, как эти — жизненно важные члены экосистем и уникальные продукты эонов эволюции — теряют свои позиции. За последние 250 лет около 570 видов вымерли из-за разрушения среды обитания, инвазивных видов и других угроз.
Семена предлагают экономически эффективный способ сохранения растений для будущих поколений — отсюда и интенсивные усилия по созданию банка семян сельскохозяйственных культур. Гораздо меньше денег доступно для сохранения семян находящихся под угрозой исчезновения и редких растений, но объект в Далеме, как и многие банки семян по всему миру, стремится это сделать, обеспечивая последнюю линию обороны против вымирания и резервуар разнообразия для поддержки сокращающихся популяций. Но сохранение семян для будущего использования — непростая задача. Хотя семена — живые, дышащие существа, многие из них впадают в глубокий метаболический сон, называемый покоем, и упорно сопротивляются прорастанию, пока не наступит подходящее время для их прорастания. Разбудить их может быть трудно. И хотя некоторые семена могут долго жить дольше людей в этом дремотном состоянии, многие стареют и погибают даже при идеальных условиях хранения. Постепенно исследования открывают, что удерживает семена в состоянии глубокого сна, как они стареют и умирают и как их оживить, когда придет их время. «Каждый вид — это своя собственная маленькая серия загадок», — говорит ботаник Уэсли Кнапп, генеральный директор калифорнийского Центра по сохранению растений . «Это действительно передовая наука во многих отношениях, и мы пытаемся выяснить, что может понадобиться этим очень редким растениям».
Жизнь и смерть семени
Семена по сути являются зародышами растений, которые возникают, когда пыльца попадает на цветок и оплодотворяет яйцеклетку; зародыши часто заключены в энергетические ткани, оболочку и иногда мясистые плоды. Для садовода-любителя может показаться удивительным, что многие из них так мало изучены. В конце концов, большинство культивируемых и одомашненных видов растений — например, петунии или томаты — были выведены для быстрого прорастания в почве, свете и воде. Пока семена бросают в землю до истечения срока годности, их метаболизм включается, клетки делятся, корень пускает ростки вниз, и растение начинает расти.
ВАМ ТАКЖЕ МОЖЕТ ПОНРАВИТЬСЯ
Леса-призраки растут по мере повышения уровня моря
Перемещение деревьев на север для спасения лесов
Природа прервана: влияние стены на границе США и Мексики на дикую природу
Но дикие растения предназначены для путешествия во времени. У многих из них, когда их семена высыхают и впадают в спячку, их метаболизм останавливается, и они сопротивляются прорастанию в течение месяцев, лет или даже десятилетий. Растения делают это в качестве стратегии хеджирования, чтобы не дать своему потомству прорасти немедленно, в случае, если условия будут плохими для молодых саженцев — например, в середине сухого лета, во время затяжной засухи или когда слишком много конкурирующей растительности. Ученые узнали, что материнские растения могут оценивать условия окружающей среды и передавать сигналы развивающимся семенам, чтобы продлить или сократить этот покой. Например, когда кресс-салат Таля, растение, которое много изучают в лабораториях, испытывает необычно низкие температуры, он нагружает свои плодовые ткани определенными белками; эти белки изменяют активность генов в развивающихся семенах, чтобы они оставались в состоянии покоя дольше . Ни одно семя не живет вечно. Хотя ученые сообщают о том, что им удалось оживить 2000-летнее семя финиковой пальмы из археологических раскопок на Ближнем Востоке, такие случаи являются исключением. Кнапп изо всех сил пытался оживить вековые семена растений, которые теперь вымерли (см. боковую панель). А в эксперименте, в котором с 1947 года отслеживались семена 91 вида местных растений Калифорнии, многие семена утратили способность прорастать в течение первых нескольких десятилетий, говорит Кристина Уолтерс , биолог по семенам в Министерстве сельского хозяйства США, которая курирует исследование. Но почему и как именно семена стареют и умирают — это то, что ученые все еще пытаются понять. Когда семена высыхают — а это происходит с большинством спящих семян — клетки внутри переходят из жидкого состояния в твердое, стекловидное состояние, которое защищает их от деградации. Тем не менее, Уолтерс подозревает, что семена действительно накапливают крошечные физические и химические изменения с течением времени; молекулы внутри их клеток претерпевают крошечные перестройки и становятся менее способными обеспечивать жизненно важные процессы, такие как выработка энергии и производство белка. Ущерб в конечном итоге достигает точки невозврата, говорит Уолтерс, которая пытается определить точную точку невозврата. «Семя — оно живое, оно живое, оно живое, а затем оно умирает», — говорит она.
Продление жизни семян
К счастью для находящихся под угрозой исчезновения растений, есть способы продлить жизнь семян. В банке семян Далема Циппель проводит меня через ряд комнат для подготовки семян к заморозке: одну для сушки, другую для очистки от плодового материала и пыли. Сушка семян приводит их в желаемое стекловидное состояние, а заморозка еще больше замедляет молекулярное движение. Это может продлить жизнь семян на годы, от нескольких десятилетий до сотен лет, говорит Циппель.
Но не все семена можно сохранить таким образом — это работает для «ортодоксальных» семян, которые могут высохнуть, что является ключом к их безопасной заморозке. «Непокорные» семена, такие как желуди и каштаны, содержат много воды и не переносят высыхания. Замораживание этих семян в обычных условиях заставляет воду внутри них расширяться, сдавливая и убивая клетки.
Вот тут-то и появляется криоконсервация, объясняет Мануэла Нагель, специалист по семенам и криобиолог из Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур имени Лейбница, которая стала соавтором статьи о криоконсервации в Ежегодном обзоре биологии растений за 2024 год . Наиболее распространенный метод заключается в очень быстром замораживании растительной ткани до сверхнизких температур — обычно путем помещения ее в жидкий азот с температурой ниже минус 238 градусов по Фаренгейту — чтобы кристаллы льда не успели образоваться. Но, похоже, каждому виду нужен свой собственный протокол криоконсервации. «Выяснить, что переносит растение, может быть непросто и занять годы», — говорит Нагель. Например, в расположенном в Сассексе банке семян Millennium в Королевском ботаническом саду Кью биолог-семявед Луиза Колвилл работает над криоконсервацией желудей британских видов дуба. Это часть усилий Кью по созданию криобанка для растений, которые невозможно сохранить в традиционных банках семян. Поскольку даже криоконсервация требует, чтобы ткани содержали как можно меньше воды, она и ее коллеги обычно вырезают зародыши дуба внутри желудей, частично высушивают их и быстро замораживают. Но потребовалось много проб и ошибок, чтобы заставить это работать. Ткани эмбриона коричневеют, как только они подвергаются воздействию воздуха, и они, по-видимому, чрезвычайно чувствительны к высыханию и воздействию азота. «Даже при действительно отличном протоколе показатель выживаемости в 40 процентов считается хорошим», — говорит Колвилл.
Колвилл и ее коллеги также пытаются криоконсервировать семена морской травы, чтобы помочь в восстановлении травянистых морских местообитаний. Они надеются сохранить пыльцу, споры, верхушки побегов и спящие почки растений, которые не производят семян. «Это действительно открывает возможности для сохранения гораздо более широкого спектра видов», — говорит она. Но криоконсервация, как и семенной банк, не обеспечивает бесконечной долговечности. И единственный способ узнать, когда коллекция семян испустила дух, — это проводить регулярные тесты на всхожесть, которые требуют много времени и рискуют истощить драгоценные коллекции семян при работе с редкими видами.
Вот почему Уолтерс изучает другие способы измерения жизнеспособности семян и прогнозирования продолжительности жизни. Например, она узнала, что небольшие фрагменты генетического материала, называемые РНК, со временем превращаются во фрагменты — и это можно измерить, извлекая молекулы РНК из семян и сортируя их по размеру. Это служит своего рода часами, которые отражают возраст семян. Молекулы масла в семенах также распадаются и создают примеси, которые влияют на то, как масла кристаллизуются при охлаждении. Эти изменения становятся очевидными при анализе количества энергии, поглощаемой семенами, когда они нагреваются выше точки плавления их жиров, что можно сделать, не разрушая семена. Если бы исследователи могли выявлять снижение жизнеспособности на достаточно ранней стадии с помощью таких методов, было бы проще определить, когда выращивать растения из семян, пока они еще способны прорастать, и собирать семена для хранения, тем самым поддерживая пополнение коллекции.
Упрямые семена
Даже если семена жизнеспособны, их пробуждение может быть само по себе проблемой. Фактически, само определение покоя заключается в том, что семена не прорастут, даже если им дать почву, воду и свет. «Если семя не хочет прорастать, потому что еще не время», — говорит Циппель, — «оно не прорастет». Некоторым семенам, например, семенам многих растений семейства сельдерея и моркови, требуется время для полного созревания зародышей после отделения от материнского растения , и они прорастают только через несколько недель или месяцев. У бобов часто очень прочная оболочка семян, которая препятствует проникновению воды, и только когда она разрушается — например, из-за жары лесного пожара , кислоты птичьего желудка, скальпеля или наждачной бумаги — вода может проникнуть внутрь и пробудить семя. Но самая распространенная форма покоя семян также является самой сложной для разрушения. Семена в таких состояниях поглощают воду, что ускоряет их метаболизм. Но затем метаболизм быстро замедляется, и они снова засыпают, объясняет физиолог семян Деннис Брандт из Университета Мюнстера в Германии. Исследователи выяснили, что такие семена сопротивляются прорастанию, поддерживая определенный баланс двух растительных гормонов — абсцизовой кислоты и гиббереллина — внутри семени. Между этими двумя гормонами есть напряжение. Абсцизовая кислота запускает каскад биохимических реакций, подавляющих деление и рост клеток, в то время как гиббереллин оказывает противоположный эффект. Пока баланс не склонится в пользу гиббереллина, семя будет продолжать дремать.
И это только часть головоломки. Совсем недавно ученые поняли, что белок под названием «Задержка прорастания 1» — или DOG1 — также играет важную роль в продлении покоя . Он делает это, воздействуя на другие белки и гены, детали еще предстоит выяснить. Многим семенам для поддержания покоя требуются как абсцизовая кислота, так и DOG1, говорит Брандт. Чего именно ждут семена? Ответ — идеальные условия для прорастания — привел к эволюции элегантных триггеров. У некоторых семян под семенной оболочкой есть молекулы, распознающие свет, называемые фитохромами, которые вызывают выработку гиббереллина в присутствии красного света — единственных длин волн, которые просачиваются сквозь полог леса, сигнализируя о тенистом, защищенном месте для прорастания. Другим семенам нужна темнота, чтобы обеспечить прорастание в глубоких слоях почвы. А некоторым нужен период холода — сигнализирующий об окончании зимы и скором приходе весны. Этот холод у некоторых растений вызывает изменения в количестве DOG1 и разрушение абсцизовой кислоты, так что метаболизм семян полностью включается в действие.
Интересно, что разные популяции одного и того же вида могут иметь более сильные или более слабые периоды покоя , которые соответствуют их потребностям в разных средах, говорит Брандт. Различия могут также возникать внутри потомства одного растения, гарантируя, что семена не прорастут одновременно. Это может быть полезно, когда внезапно наступает период весеннего тепла, за которым следует волна холода, добавляет он, «возможно, убивая рано прорастающие сеянцы, но, вероятно, не те, которые еще не проросли». И еще многое предстоит узнать: ученые в основном сосредоточились на хорошо изученных лабораторных моделях, таких как кресс-салат Таля, и пока только поверхностно изучают процессы выхода из состояния покоя у многих видов, говорит Брандт, особенно у редких и экзотических, которые больше всего нуждаются в сохранении.
Прерывание покоя
В то время как некоторые виды имеют простые и очевидные механизмы прорастания, другие виды выработали уникальные — а иногда и весьма сложные — решения. «Многим растениям семейства лилейных необходима теплая и влажная стратификация перед холодной и влажной, а затем, когда вы снова переносите их в теплые условия, они, наконец, прорастают», — говорит эколог растений Майкл Кунц из Ботанического сада Северной Каролины.
У горчицы пузырчатой, желтоцветковой горчицы, которая теряет свою среду обитания из-за дорог и сельского хозяйства, есть триггеры прорастания, которые сильно различаются в разных популяциях и даже в пределах одного и того же материнского растения. В Ботаническом саду Миссури эколог Мэтью Альбрехт обнаружил, что семена по-разному реагируют на различные комбинации света, температуры и повышенного уровня нитратов вокруг них — это сигнализирует о том, что растительность вокруг семени разложилась, обеспечивая питательные вещества и пространство для молодых саженцев. «Эти виды, которые используют стратегию перестраховки семян в состоянии покоя, — одни из самых сложных в обращении видов», — говорит Альбрехт.
КРЕДИТ: МЭТЬЮ АЛЬБРЕХТ
И есть семена, например, дикой свеклы и некоторых растений семейства зонтичных, которые, по словам некоторых ученых, не могут прорасти, что бы они ни делали. Исследователи подсчитали, что они точно знают, как размножать менее десяти процентов из 1200 редких видов, хранящихся в банках Калифорнийской службы спасения растений, межорганизационной организации, которая собирает и сохраняет семена со всего штата. «Если бы все, что нам нужно было сделать, это собрать семена, поместить их в хранилище и больше никогда с ними не иметь дела, это одно», — говорит Наоми Фрага , которая руководит программами по сохранению в Калифорнийском ботаническом саду, одной из организаций-членов службы спасения. Но, добавляет она, «если мы не знаем, как их выращивать, то какой в этом смысл?»
На разработку некоторых триггеров ушли десятилетия. В середине 1990-х годов эколог-реставратор и ботаник Кингсли Диксон из Университета Западной Австралии изо всех сил пытался вырастить саженцы десятков видов, необходимых для проекта по восстановлению горнодобывающего участка. Поскольку эти растения эволюционировали, чтобы прорастать после лесных пожаров — когда пламя уничтожило конкурентов и произвело богатые питательными веществами почвы — Диксон задавался вопросом, не нарушит ли их покой воздействие тепла. Но это не имело большого эффекта. Получив подсказку из презентации на конференции южноафриканских исследователей, он наконец понял, что причиной может быть дым. И действительно, когда он пускал дым от горящих листьев в палатку для проращивания или поливал почву водой, пропитанной дымом, из семян бахромчатой лилии с пурпурными лепестками появлялись маленькие ростки. Одиннадцать лет спустя команда Диксона наконец идентифицировала среди 4000 химических соединений конкретные молекулы в дыме, которые вызывают прорастание у сотен австралийских видов и многих из других мест. Команда назвала их каррикинами в честь слова для обозначения огня, используемого аборигенами нунгар. Химические вещества, вероятно, производятся на фронте, где образуется пар, и просачиваются с водой через почву в семена, которые «находят это непреодолимым», говорит Диксон. Некоторые исследования показывают, что каррикины стимулируют выработку гиббереллина , запуская рост.
В 1998 году Диксон возродил вид, который считался вымершим: гревиллею корригина. В последний раз это растение было замечено десятилетиями ранее, оно росло у шоссе в городе Корригин в пшеничном поясе западной Австралии, где большая часть земель была расчищена для сельского хозяйства. Ученые отметили это место и скрестили пальцы, чтобы спящие семена все еще лежали в почве. Когда Диксон и его коллеги прибыли, они установили палатки вокруг области и распылили дым — и, наконец, увидели прорастающие всходы. «Это было невероятно», — вспоминает Диксон. С тех пор австралийские ботаники используют дым, чтобы разбудить спящие семена. За последние три года они возродили почти вымершего родственника гревиллеи Корригина, гревиллею Фута и небольшое, находящееся под угрозой исчезновения травянистое растение, известное как Sowerbaea multicaulis .
АВТОР: КИНГСЛИ ДИКСОН (ВВЕРХУ), ISTOCK.COM / KARENHBLACK (ВНИЗУ)
В австралийской пустыне и на землях с дикими цветами все еще встречаются загадочные растения, в том числе некоторые местные сорта черники, которые Диксон пытается вырастить с 1982 года. Он подозревает, что для этого может потребоваться совершенно особая последовательность экологических факторов. От света до дыма, есть большое преимущество хеджирования для экосистем, поскольку существует такое разнообразие процессов, прерывающих покой, среди видов и даже внутри них, говорит Диксон. «Это как Лас-Вегас экологии: они играют за каждым столом в комнате».
От семени к экосистеме
Хоть это и сложно, проращивание молодых саженцев — это всего лишь первый шаг в восстановлении самоподдерживающихся популяций диких растений, от выявления грибов, с которыми им нужно расти, до защиты их от таких проблем, как засуха. Но есть и истории успеха. На военной базе в Северной Каролине Кунц и его коллеги использовали консервированные семена для восстановления популяций индигоиды ложной , астрагала песчаного и лилии песчаной . На нескольких природных территориях, находящихся в ведении правительственных агентств Теннесси, команда Альбрехта добилась успехов в восстановлении бобового растения с фиолетовыми цветками, известного как земляная слива Пайна, большая часть первоначальной среды произрастания которого была покрыта застройкой Нэшвилла. А на побережье Балтийского моря в Германии коллеги Циппель успешно восстановили популяции горной арники. «Теперь популяция растет сама по себе», — говорит она. Это маленькие победы, но они важны в мире, где угрозы растениям продолжают расти. Пока Зиппель прячет семена в своем холодном подвале, пока биологи все больше раскрывают секреты покоя, а ботаники работают над оживлением и выращиванием молодых саженцев для возвращения в дикую природу, эти ученые надеются, что смогут дать всем находящимся под угрозой исчезновения растениям жизненно важную линию жизни.
Возрождение семян вымерших растений
Даже вымершие виды теоретически могут быть возвращены к жизни благодаря семенам, все еще прикрепленным к сухим образцам, которые были собраны и сохранены в прошлом. Одно исследование 2022 года подсчитало, что гербарии — учреждения, которые собирают такие сухие образцы — содержат семена 161 вымершего вида растений , что дает возможность их возродить.
Такие попытки возрождения вызывают деликатные вопросы. Некоторые утверждают, что скудные средства, выделяемые на охрану природы, лучше потратить на защиту существующих исчезающих растений. И, по словам экспертов, семена образцов, которым уже десятки лет, скорее всего, уже нежизнеспособны: относительно теплые и влажные условия гербария позволяют семенам стареть и умирать, а некоторые образцы подвергались воздействию тепла для облегчения сохранения, а также химической обработке для предотвращения повреждения вредителями. «Вероятность получения жизнеспособных семян от таких образцов довольно мала», — говорит ботаник Наоми Фрага , которая руководит программами по охране природы в Калифорнийском ботаническом саду.
Ученые пытались. Были доступны обильные коллекции семян вымершего Juncus pervetus , солончаковой травы из Кейп-Кода — вида, который, вероятно, вымер именно потому, что ботаник 20-го века собрал так много образцов, говорит ботаник Уэсли Кнапп , генеральный директор американского Центра по сохранению растений. Но когда Кнапп и ботаник Валери Пенс из зоопарка и ботанического сада Цинциннати попытались оживить семена, они не проросли.
Не добились успеха и эти двое с определенным сортом Astragalus robbinsii , видом молочая, который вымер из-за строительства плотины в Вермонте. Его крупные, похожие на бобы семена содержат достаточно энергии для прорастания, поэтому Кнапп надеялся, что они добьются большего успеха. Но хотя семена и начали прорастать, в конечном итоге они остановились и погибли. Команда продолжит попытки реанимировать их, но Кнапп говорит, что для некоторых видов, возможно, имеет смысл подождать, пока ученые не разработают более сложные методы оживления старых семян — например, используя только их ДНК, которая остается нетронутой в течение длительного времени. Это стоящее начинание, добавляет он. «Если вы нашли специальный источник финансирования для попытки возродить ряд этих растений, и у вас будет хотя бы один успех, — говорит он, — это будет иметь решающее значение для этого вида». — Катарина Циммер
Примечание редактора: эта статья была обновлена 30 апреля 2025 года, чтобы исправить кредит для фотографий семян, показанных в коллаже. Фотографии любезно предоставлены M. Cubre, © BO Berlin, а не Dahlem Seed Bank. 28 апреля 2025 года статья была обновлена, чтобы уточнить, что Millennium Seed Bank Королевских ботанических садов в Кью базируется на сайте организации в Сассексе, а не на сайте в Лондоне.
10.1146/узнаваемый-042125-1Катарина Циммер — журналистка, пишущая о науке и окружающей среде, проживающая в Берлине, и специальный автор журнала Knowable Magazine . Ее работы также публиковались в Atlantic , National Geographic , Scientific American , Mongabay , BBC Future и других изданиях. Ознакомьтесь с другими ее работами на сайте www.katarinazimmer.com
источник: https://knowablemagazine.org/content/article/living-world/2025/seed-banking-to-preserve-rare-plants