Удивительно сложное искусство хранения семян.

Чтобы защитить растения, находящиеся под угрозой исчезновения, учёные должны изучить скрытую биологию семян, которые часто бывают привередливыми, в процессе их старения, спячки и пробуждения.

Автор: Катарина Циммер

В морозный день в начале января, когда берлинские деревья и кустарники находятся в состоянии глубокого покоя, трудно представить, что может быть ещё холоднее. Но затем я добираюсь до Далемского банка семян в ботаническом саду немецкого города, и ботаник Эльке Циппель проводит меня в морозильную камеру в подвале, где температура составляет минус 11,2 градуса по Фаренгейту, и я чувствую, как из моего тела уходит тепло. Вокруг нас стоят полки со стеклянными банками, доверху набитыми пробирками с семенами. «Здесь миллионы семян, — говорит Циппель: — крошечные чёрные, похожие на рис и маленькие коричневые, как галька.» Из-за температуры здесь они погружены в глубокий сон, который должен сохранить их на века. И на то есть веская причина. В коллекции банка, насчитывающей более 12 000 экземпляров, есть семена многих редких или находящихся под угрозой исчезновения европейских видов — от арники горной, растения с опушёнными листьями и целебными свойствами, которое из-за интенсивного сельского хозяйства потеряло большую часть своей низинной среды обитания, до Gentianella uliginosa, болотного цветка с фиолетовыми лепестками, который стал одним из самых редких растений на континенте. По всему миру такие дикие растения — жизненно важные элементы экосистем и уникальные продукты многовековой эволюции — теряют свои позиции. За последние 250 лет вымерло около 570 видов из-за разрушения среды обитания, инвазивных видов и других угроз.

Семена — это экономичный способ сохранить растения для будущих поколений, поэтому прилагаются значительные усилия для сохранения семян сельскохозяйственных культур. На сохранение семян исчезающих и редких растений выделяется гораздо меньше средств, но Далемский банк семян, как и многие другие банки семян по всему миру, стремится к этому, обеспечивая последнюю линию защиты от вымирания и сохраняя разнообразие для поддержки сокращающихся популяций. Но сохранить семена для использования в будущем — непростая задача. Хотя семена — это живые, дышащие организмы, многие из них впадают в глубокий метаболический сон, называемый покоем, и упорно сопротивляются прорастанию до тех пор, пока не придёт время. Разбудить их бывает непросто. И хотя некоторые семена могут в таком состоянии пережить людей, многие из них стареют и теряют всхожесть даже при идеальных условиях хранения. Постепенно исследования раскрывают, что заставляет семена впадать в спячку, как они стареют и умирают и как их пробудить, когда придёт время.

«Каждый вид — это отдельная маленькая загадка, — говорит ботаник Уэсли Кнапп, генеральный директор калифорнийского Центра охраны растений. — Во многих смыслах это действительно передовая наука, и мы пытаемся выяснить, что может быть нужно этим очень редким растениям».

Жизнь и смерть семени

Семена — это, по сути, зародыши растений, которые появляются, когда пыльца попадает на цветок и оплодотворяет яйцеклетку. Зародыши часто окружены тканями, обеспечивающими их энергией, оболочкой и иногда мясистым плодом. Садоводам-любителям может показаться удивительным, что многие семена до сих пор мало изучены. В конце концов, большинство культивируемых и одомашненных видов растений — например, петунии или помидоры — были выведены так, чтобы быстро прорастать при наличии почвы, света и воды. Пока семена находятся в земле до истечения срока годности, в них происходит обмен веществ, клетки делятся, корень прорастает вниз, и растение начинает расти. Но дикорастущие растения приспособлены к путешествиям во времени. У многих из них, когда семена высыхают и впадают в спячку, метаболизм замедляется, и они не прорастают в течение месяцев, лет или даже десятилетий. Растения делают это, чтобы подстраховаться и не дать потомству прорасти сразу, если условия неблагоприятны для молодых всходов — например, в середине засушливого лета, во время продолжительной засухи или при наличии большого количества конкурирующей растительности.

Ученые выяснили, что материнские растения могут анализировать условия окружающей среды и передавать сигналы развивающимся семенам, чтобы продлить или сократить период покоя. Например, когда резуховидка Таля, растение, которое активно изучают в лабораториях, подвергается воздействию необычно низких температур, в тканях ее плодов накапливаются определенные белки. Эти белки регулируют активность генов в развивающихся семенах, чтобы они дольше оставались в состоянии покоя.

Ни одно семя не вечно. Хотя учёные сообщают, что им удалось возродить семя финиковой пальмы возрастом 2000 лет, найденное на месте археологических раскопок на Ближнем Востоке, такие случаи являются исключением. Кнапп пытался возродить семена растений, которые вымерли столетие назад (см. врезку). По словам Кристины Уолтерс, биолога, изучающего семена в Министерстве сельского хозяйства США, которая курирует исследование, в ходе эксперимента, в рамках которого с 1947 года отслеживались семена 91 вида местных растений Калифорнии, многие семена утратили способность прорастать в первые несколько десятилетий. Но почему именно и как семена стареют и погибают — это то, что ученые все еще пытаются понять. Когда семена высыхают — что происходит с большинством спящих семян, — клетки внутри них переходят из жидкого состояния в твердое, стекловидное, которое защищает их от разложения. Тем не менее, Уолтерс подозревает, что семена действительно со временем претерпевают крошечные физические и химические изменения; молекулы внутри их клеток претерпевают крошечные перестройки и становятся менее способными управлять жизненно важными процессами, такими как выработка энергии и белка.

По словам Уолтерс, которая пытается определить точную переломную точку, ущерб в конечном счёте достигает уровня, после которого восстановление невозможно. «Семя — оно живое, оно живое, оно живое, а потом оно умирает», — говорит она.

Продление срока службы семян

К счастью для растений, находящихся под угрозой исчезновения, есть способы продлить жизнь семян. В Далемском банке семян Циппель проводит меня через несколько помещений, где семена готовят к заморозке: в одном их сушат, в другом очищают от остатков плодов и пыли. Сушка семян приводит их в желаемое стекловидное состояние, а заморозка ещё больше замедляет движение молекул. По словам Циппеля, это может продлить жизнь семян на несколько десятилетий, а то и сотен лет.

Но не все семена можно сохранить таким способом — это работает с «обычными» семенами, которые можно высушить, что является ключевым условием для их безопасной заморозки. «Упрямые» семена, такие как жёлуди и каштаны, содержат много воды и не переносят высушивания. При заморозке этих семян в обычных условиях содержащаяся в них вода расширяется, разрушая и убивая клетки. Именно здесь на помощь приходит криоконсервация, объясняет специалист по семенам и криобиолог Мануэла Нагель из Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница, которая является соавтором статьи о криоконсервации в Ежегодном обзоре биологии растений за 2024 год. Наиболее распространённый метод заключается в очень быстром замораживании растительных тканей до сверхнизких температур — обычно путём помещения их в жидкий азот при температуре ниже минус 238 градусов по Фаренгейту, — чтобы не дать кристаллам льда времени сформироваться. Но, похоже, для каждого вида нужен свой протокол криоконсервации. «Выяснить, какие условия переносит растение, может быть непросто, и на это могут уйти годы», — говорит Нагель. Например, в Королевском ботаническом саду Кью в Сассексе, в Банке семян тысячелетия, биолог Луиза Колвилл работает над криоконсервацией желудей британских видов дуба. Это часть проекта Кью по созданию криобанка для растений, которые невозможно сохранить в традиционных банках семян. Поскольку даже для криоконсервации необходимо, чтобы в тканях было как можно меньше воды, она и её коллеги обычно извлекают зародыши дуба из желудей, частично высушивают их и быстро замораживают. Но чтобы добиться результата, пришлось пройти долгий путь проб и ошибок. Ткани эмбриона становятся коричневыми, как только попадают на воздух, и, по-видимому, они очень чувствительны к высыханию и воздействию азота. «Даже при использовании действительно эффективного протокола выживаемость на уровне 40 % считается хорошим результатом», — говорит Колвилл.

Колвилл и её коллеги также пытаются сохранить семена морских водорослей в замороженном виде, чтобы помочь в восстановлении травянистых морских экосистем. Они надеются сохранить пыльцу, споры, верхушки побегов и спящие почки растений, которые не дают семян. «Это действительно открывает возможности для сохранения гораздо более широкого спектра видов», — говорит она. Но криоконсервация, как и хранение семян, не обеспечивает бесконечную сохранность. И единственный способ узнать, что коллекция семян пришла в негодность, — это регулярно проводить тесты на всхожесть, которые отнимают много времени и могут привести к истощению ценных коллекций семян при работе с редкими видами.

Поэтому Уолтерс изучает другие способы измерения жизнеспособности семян и прогнозирования продолжительности их жизни. Она выяснила, например, что небольшие фрагменты генетического материала, называемые РНК, со временем распадаются на фрагменты, и это можно измерить, извлекая молекулы РНК из семян и сортируя их по размеру. Это своего рода часы, которые показывают возраст семени. Молекулы масла в семенах также распадаются на части, образуя примеси, которые влияют на кристаллизацию масел при их охлаждении. Эти изменения становятся очевидными при анализе количества энергии, поглощаемой семенами при нагревании выше температуры плавления их жиров. Это можно сделать, не повреждая семена. Если бы исследователи могли с помощью таких методов выявлять снижение жизнеспособности на ранних стадиях, им было бы проще определять, когда следует выращивать растения из семян, пока они ещё могут прорастать, и собирать их семена для хранения, чтобы поддерживать коллекцию.

Упрямые семена

Даже если семена жизнеспособны, пробудить их может быть непросто. На самом деле само определение состояния покоя заключается в том, что семена не будут прорастать, даже если у них есть почва, вода и свет. «Если семя не хочет прорастать, потому что сейчас неподходящее время, — говорит Циппель, — оно не прорастёт». Некоторым семенам, например, многих растений семейства сельдерейных и зонтичных, нужно время, чтобы их зародыши полностью созрели после отделения от материнского растения, и они прорастают лишь спустя несколько недель или месяцев. У бобовых часто очень твёрдая семенная оболочка, которая не пропускает воду, и только когда она повреждается — например, лесным пожаром жаром, кислотой в желудке птицы, скальпелем или наждачной бумагой, — вода проникает внутрь и семя прорастает. Но самую распространённую форму покоя семян преодолеть сложнее всего. Семена в таком состоянии поглощают воду, что ускоряет их метаболизм. Но затем метаболизм быстро замедляется, и семена снова погружаются в спячку, объясняет физиолог растений Деннис Брандт из Мюнстерского университета в Германии. Исследователи выяснили, что такие семена сопротивляются прорастанию, поддерживая определённый баланс двух растительных гормонов — абсцизовой кислоты и гиббереллина — внутри семени. Между этими двумя гормонами существует противоречие. Абсцизовая кислота запускает каскад биохимических реакций, подавляющих деление и рост клеток, в то время как гиббереллин оказывает противоположное действие. Пока баланс не сместится в сторону гиббереллина, семя будет продолжать «спать».

И это лишь часть головоломки. Совсем недавно учёные выяснили, что белок под названием «Задержка прорастания 1» — или DOG1 — также играет важную роль в продлении состояния покоя. Он воздействует на другие белки и гены, но детали ещё предстоит выяснить. По словам Брандта, многим семенам для поддержания состояния покоя требуются как абсцизовая кислота, так и DOG1. Чего именно ждут семена? Ответ — идеальных условий для прорастания — привёл к эволюции изящных триггеров. У некоторых семян под семенной оболочкой есть светочувствительные молекулы, называемые фитохромами, которые стимулируют выработку гиббереллина в присутствии красного света — единственного цвета, который проникает сквозь кроны деревьев, сигнализируя о том, что в тенистом, защищённом месте можно прорастать. Другим семенам нужна темнота, чтобы обеспечить прорастание в глубоких слоях почвы. А некоторым нужен период холода, который сигнализирует об окончании зимы и скором приходе весны. Холод у некоторых растений вызывает изменения в количестве DOG1 и разрушение абсцизовой кислоты, благодаря чему метаболизм семян полностью активизируется. Интересно, что у разных популяций одного и того же вида может быть более или менее выраженное состояние покоя, которое соответствует их потребностям в разных условиях окружающей среды, говорит Брандт. Различия могут возникать и у потомства одного и того же растения, благодаря чему не все семена прорастают одновременно. Это может быть полезно, когда за внезапным весенним потеплением следует похолодание, добавляет он, «что может привести к гибели проросших семян, но не тех, которые ещё не проросли». И нам предстоит узнать ещё много нового: по словам Брандта, учёные в основном сосредоточились на хорошо изученных лабораторных моделях, таких как резуховидка Таля, и лишь поверхностно изучили процессы выхода из состояния покоя у многих видов, особенно у редких и экзотических, которые больше всего нуждаются в сохранении.

Нарушая покой

В то время как у одних видов есть простые и очевидные факторы, стимулирующие прорастание, другие виды выработали уникальные — и порой очень сложные — решения.

«Многим растениям семейства лилейных требуется тёплая и влажная стратификация перед холодной и влажной, а затем, когда вы перенесёте их в тёплое место, они наконец прорастут», — говорит эколог Майкл Кунц из Ботанического сада Северной Каролины.

Пузырник круглолистный, горчица с жёлтыми цветками теряет свою среду обитания из-за дорог и сельскохозяйственных угодий. Триггеры прорастания сильно различаются в зависимости от популяции и даже в пределах одного материнского растения. В Ботаническом саду Миссури эколог Мэтью Альбрехт обнаружил, что семена по-разному реагируют на различные сочетания света, температуры и повышенного уровня нитратов вокруг них. Это сигнализирует о том, что растительность вокруг семени разложилась, обеспечив питательные вещества и пространство для молодых всходов. «С этими видами, у которых есть стратегия сохранения семян в состоянии покоя, сложнее всего работать», — говорит Альбрехт.

А есть семена, например, дикой свёклы и некоторых растений семейства зонтичных, которые, по словам некоторых учёных, не прорастут, что бы вы ни делали. По оценкам исследователей, они точно знают, как размножать менее 10 % из 1200 редких видов, хранящихся в банках данных Калифорнийской организации по спасению растений, которая занимается сбором и сохранением семян по всему штату. «Если бы нам нужно было только собрать семена, поместить их на хранение и больше никогда с ними не связываться, это было бы одно дело», — говорит Наоми Фрага, которая руководит программами по сохранению растений в Калифорнийском ботаническом саду, одной из организаций, участвующих в спасении растений. Но, добавляет она, «если мы не знаем, как их выращивать, то какой в этом смысл?». На выявление некоторых триггеров ушли десятилетия. В середине 1990-х годов эколог-реставратор и ботаник Кингсли Диксон из Университета Западной Австралии пытался вырастить саженцы десятков видов, необходимых для проекта по восстановлению горнодобывающего предприятия. Поскольку эти растения эволюционировали, чтобы прорастать после лесных пожаров, когда пламя уничтожает конкурентов и создаёт богатую питательными веществами почву, Диксон задался вопросом, может ли воздействие тепла вывести их из состояния покоя. Но это мало что дало. Получив подсказку на конференции от южноафриканских исследователей, он наконец понял, что триггером может быть дым. И действительно, когда он пускал дым от горящих листьев в теплицу для проращивания или поливал почву водой, насыщенной дымом, из семян бахромчатой лилии с пурпурными лепестками появлялись маленькие ростки.

Одиннадцать лет спустя команда Диксона наконец определила среди 4000 химических соединений конкретные молекулы в дыме, которые запускают процесс прорастания у сотен австралийских видов и у многих других. Команда назвала их каррикинами в честь слова, обозначающего огонь, которое использовали аборигены нунгар. Вероятно, эти химические вещества образуются в зоне образования пара во время пожара и вместе с водой просачиваются через почву в семена, которые, по словам Диксона, «не могут устоять». Некоторые исследования показывают, что каррикин стимулирует выработку гиббереллина, запуская процесс роста.

В 1998 году Диксон возродил вид, который, как считалось, вымер: гревиллею Корриджинскую. В последний раз это растение видели несколько десятилетий назад у шоссе в городе Корриджин в пшеничном поясе Западной Австралии, где большая часть земель была расчищена для ведения сельского хозяйства. Ученые отметили это место и надеялись, что в почве все еще лежат спящие семена. Когда Диксон и его коллеги прибыли на место, они установили вокруг него палатки и начали закачивать дым — и наконец увидели, как появляются всходы. «Это было невероятно», — вспоминает Диксон. С тех пор австралийские ботаники используют дым, чтобы пробудить спящие семена. За последние три года они возродили почти исчезнувший вид гревиллеи Корриган, гревиллею Фута, и небольшое находящееся под угрозой исчезновения растение, известное как Sowerbaea multicaulis.

В австралийских пустынях и на лугах с дикорастущими цветами до сих пор встречаются загадочные растения, в том числе местная голубика, которую Диксон пытается прорастить с 1982 года. Он подозревает, что для её прорастания может потребоваться определённая последовательность воздействия факторов окружающей среды. По словам Диксона, от света до дыма — такое разнообразие процессов, выводящих организмы из состояния покоя, у разных видов и даже внутри них, является для экосистем своего рода страховкой. «Это как Лас-Вегас в мире экологии: они играют за каждым столом в комнате».

От семян к экосистеме

Как бы сложно это ни было, проращивание молодых саженцев — это лишь первый шаг в восстановлении самоподдерживающихся популяций диких растений, начиная с определения грибов, необходимых для их роста и заканчивая защитой от таких проблем, как засуха. Но есть и истории успеха. На военной базе в Северной Каролине Кунц и его коллеги использовали сохранённые семена для восстановления популяций индигоферы ложной, молочая песчаного и лилии песчаной. На нескольких природных территориях, находящихся в ведении государственных органов штата Теннесси, команда Альбрехта добилась успехов в восстановлении бобового растения с фиолетовыми цветками, известного как слива Пине, большая часть естественной среды обитания которого была уничтожена застройкой Нэшвилла. А на побережье Балтийского моря в Германии коллеги Циппель успешно восстановили популяцию горной арники. «Теперь популяция растёт сама по себе», — говорит она. Это маленькие победы, но они имеют значение в мире, где угрозы для растений продолжают нарастать. Пока Циппель хранит семена в своём морозильном подвале, пока биологи продолжают раскрывать секреты состояния покоя, а ботаники работают над возрождением и выращиванием молодых саженцев для возвращения в дикую природу, эти учёные надеются, что смогут спасти все растения, находящиеся под угрозой исчезновения.

Возрождение семян вымерших растений

Даже вымершие виды теоретически можно вернуть к жизни благодаря семенам, которые всё ещё прикреплены к сухим образцам, собранным и сохранённым в прошлом. По оценкам исследования 2022 года, в гербариях — учреждениях, где собирают такие сухие образцы, — хранятся семена 161 вымершего вида растений, что даёт возможность их воскресить.

Подобные попытки возродить вымершие виды поднимают непростые вопросы. Некоторые утверждают, что скудные средства, выделяемые на охрану природы, лучше потратить на защиту существующих видов, находящихся под угрозой исчезновения. По мнению экспертов, семена растений, которым уже несколько десятков лет, скорее всего, нежизнеспособны: в относительно тёплых и влажных условиях гербария семена стареют и погибают, а некоторые образцы подвергались нагреванию для облегчения консервации, а также химической обработке для защиты от вредителей. «Шансы получить жизнеспособные семена от таких экземпляров довольно малы», — говорит ботаник Наоми Фрага, которая руководит программами по сохранению растений в Калифорнийском ботаническом саду. Ученые пытались. Существовали обширные коллекции семян вымершего Juncus pervetus, солончакового растения с Кейп-Кода — вида, который, вероятно, вымер именно из-за того, что ботаник XX века собрал так много образцов, говорит ботаник Уэсли Кнапп, генеральный директор американского Центра охраны растений. Но когда Кнапп и ботаник Валери Пенс из зоопарка и ботанического сада Цинциннати попытались оживить семена, они не проросли. Не увенчались успехом и попытки вырастить особый сорт Astragalus robbinsii, разновидность астрагала, которая вымерла из-за строительства плотины в Вермонте. Его крупные, похожие на бобы семена содержат достаточно энергии для прорастания, поэтому Кнапп надеялся на успех. Но хотя семена начали прорастать, в конце концов они остановились в росте и погибли. Команда продолжит попытки их оживить, но, по словам Кнаппа, в случае с некоторыми видами имеет смысл подождать, пока учёные разработают более сложные методы оживления старых семян — например, с использованием только их ДНК, которая остаётся неизменной в течение длительного времени. Это стоящее начинание, добавляет он. «Если вы найдёте источник финансирования, чтобы попытаться возродить эти растения, и добьётесь хотя бы одного успеха, — говорит он, — это изменит всё для этого вида».

— Катарина Циммер

Примечание редактора: эта статья была обновлена 30 апреля 2025 года, чтобы указать источник фотографий семян, представленных в коллаже. Фотографии предоставлены М. Кубром, © BO Berlin, а не Далемским банком семян. 28 апреля 2025 года статья была обновлена, чтобы уточнить, что Банк семян тысячелетия Королевских ботанических садов Кью находится в Сассексе, а не в Лондоне.

источник: https://knowablemagazine.org/content/article/living-world/2025/seed-banking-to-preserve-rare-plants