Skąd drzewa wiedzą, że nadeszła wiosna?

14 kwietnia 2015
Blog szalonych naukowców

Zapytano mnie ostatnio, skąd drzewa wiedzą, że nadeszła wiosna. Pytanie jest na czasie, w Warszawie właśnie wybucha kwitnienie drzew owocowych z rodziny różowatych.

W najlepsze też kwitną rośliny zielne, takie jak fiołki, ziarnopłony czy złocie. Klony w zasadzie już kończą kwitnąć, a leszczyna dawno przekwitła, choć te gatunki akurat kwitną mniej spektakularnie. Za to zawiązują się już pąki kasztanowców.

Odpowiedź w wielu przypadkach może być zaskakująca – rośliny często po prostu widzą, że nadeszła wiosna. Oczywiście „widzą” w pewnym, bardzo specyficznym sensie. Rośliny nie mają oczu. Niektórzy pewnie pamiętają z lekcji biologii, że glony mogą mieć plamki oczne, pozwalające rozróżnić światło od ciemności. W moich czasach podstawówkowych klasycznym zadaniem było wymienianie zestawu cech roślinnych i zestawu cech zwierzęcych u eugleny. Plamka oczna była zaliczana do tej drugiej grupy.

Według obecnego stanu taksonomii zastanawianie się nad zwierzęcością lub roślinnością eugleny jest tyleż sensowne, co zastanawianie się nad niebieskością lub czerwonością żółcieni. Plamkę oczną jednak mają nie tylko protisty, ale też glony wciąż zaliczane do roślin. Także te wielokomórkowe, z tym że u nich plamkę oczną mają gamety.

Rośliny kwiatowe nie mają jednak plamki ocznej, nawet na gametach, które są u nich wyjątkowo nieruchawe (i wykorzystują do przemieszczania wiatr czy zwierzęta). Jednocześnie rośliny bardzo potrzebują światła, więc ewolucja musiała wypromować sposoby na jego detekcję. Chlorofile i inne barwniki fotosyntetyczne pochłaniają światło, którego energia ostatecznie jest przekształcana na energię wiązań chemicznych. Jednak to nie one służą roślinom do zauważania wiosny czy jesieni.

Substancją tą jest fitochrom. Pewne postacie fitochromów są wykorzystywane przez niektóre bakterie do wychwytywania światła, które mogłoby uszkodzić ich DNA. U roślin natomiast fitochrom pod wpływem światła (wyłącznie czerwonego, no i oczywiście białego) zmienia postać (z Pf w Pfr). Forma Pfr w ciemności z powrotem przekształca się w formę Pf. To trwa jakiś czas, więc po odpowiednio długim okresie ciemności stosunek Pfr do Pf maleje.

I to właśnie ten stosunek jest odczytywany przez aparat fizjologiczny roślin, pobudzając różne reakcje, prowadzące ostatecznie np. do kwitnienia. Co ciekawe, światło bliskie podczerwieni ma działanie odwrotne – powoduje przekształcenie Pfr w Pf. Wystarczy kilka sekund naświetlania jedną z dwóch kluczowych barw (czerwień dominuje w świetle porannym, daleka czerwień w wieczornym), żeby wykasować działanie poprzedniego naświetlenia.

Dość dawno temu ludzie obserwując rośliny, zauważyli, że w wielu przypadkach kwitnienie zależy nie tyle od warunków pogodowych, ile od daty. Domyślili się więc, że w jakiś sposób reagują na zmianę w proporcji dnia i nocy. Zadziałała ludzka intuicja preferująca dzień, no i – było nie było – rośliny reagują na światło. Uznano więc, że w cyklu tym kluczowa jest długość dnia.

Pewne rośliny kwitną, gdy dzień się odpowiednio wydłuża, czyli wiosną, albo odpowiednio skraca, czyli latem albo jesienią. To zresztą wydawały się potwierdzać obserwacje nad pewnym mutantem tytoniu, który w polu zamiast zakwitać pod koniec lata, co oznacza również koniec wzrostu, rozrastał się, rozrastał i bezpotomnie trwał do przymrozków. Gdy doniczki z tytoniem Maryland Mammoth pozostawiano na polu, rósł „w nieskończoność”, gdy zanoszono popołudniem (ale nie czekając do wieczora) do szopy, zakwitał. Był to dowód na to, że naturalna długość marylandzkiego dnia nawet jesienią była dość długa, żeby nie wzbudzać kwitnienia. Gdy przeniesiono uprawę na Florydę, odmiana ta, niezagrożona przymrozkami, zakwitała dopiero zimą.

Jeszcze przed odkryciem fitochromu i jego przemian zorientowano się, że to nie długość dnia ma znaczenie, ale długość nocy. Konkretnie zaś długość nieprzerwanej ciemności. Dziś wiemy, że przemiana formy Pf w Pfr zachodzi tak szybko, że wystarczy nie za długi okres sztucznego naświetlenia w środku nocy, żeby roślina „nabrała wrażenia”, że noc się skończyła i zaczął nowy dzień. Ten nowy „dzień” nie musi wcale trwać długo, wystarczy, że przerywa nocny okres przemiany Pfr w Pf.

W drugą stronę to nie działa – nie wystarczy zacienić roślin krótkiego dnia na chwilę, żeby zaczęły kwitnąć w niewłaściwym czasie. Hodowcy chryzantem, chcąc, aby zakwitły wiosną, muszą je zacieniać dłużej – albo po prostu przerywać im zimą na chwilę noc, symulując krótkość letnich nocy, a wiosną tego zaprzestać, co udaje jesienne wydłużenie nocy.

Rośliny oprócz czerwonego i głęboko czerwonego zauważają też światło niebieskie. Oświetlanie tym kolorem wierzchołka wzrostu stymuluje jego wzrost. Naświetlanie z jednej strony kończy się wzrostem, a więc i wygięciem pędu w kierunku, z którego pada światło (nazywa się to dodatnim fototropizmem). Obcięcie wierzchołka wzrostu czyni roślinę ślepą na fototropizm. Z kolei fitochromy występują w liściach.

Dziś znanych jest pięć głównych kategorii roślinnych fotoreceptorów, które np. u rzodkiewnika, rośliny najbardziej przebadanej przez genetyków, obejmują 11 różnych typów substancji odpowiedzialnych za kontrolę wzrostu, kwitnienia, kiełkowania itp. Jedna z tych klas, kryptochromy, wrażliwa również na światło niebieskie, bierze udział w utrzymywaniu cyklu okołodobowego u roślin, ale też u koralowców, owadów i ssaków (a pokrewne są bakteryjnym enzymom aktywowanym światłem).

Oczywiście sprawa jest bardziej złożona. Są rośliny, które wcale nie zważają na datę. Kwitną, kiedy się da. Choćby stokrotki, które od jakiegoś czasu w naszych warunkach kwitną nieprzerwanie cały rok, nawet zaskoczone z rzadka śniegiem. Na rośliny „dnia krótkiego” i „długiego” mimo wszystko jakiś wpływ ma również pogoda. Gdy jest ciepłe przedwiośnie, jednak kwitną nieco wcześniej, niż gdy jest chłodne – ostatecznie tempo wszystkich reakcji chemicznych zależy od temperatury. Biochemia trochę się od tego uniezależnia dzięki katalizatorom, czyli enzymom, ale nie do końca.

Wreszcie niektóre rośliny typowo wiosenne zakwitają czasem również jesienią. Nieraz to nie znaczy nic dobrego – kwitnięcie to wstęp do rozmnażania, a w przypadku drzew kwitnięcie poza właściwym czasem może być desperacką próbą rozmnożenia się, gdy roślina odbiera sygnały, że jest z nią źle. Najlepszym tego przykładem są kwitnące od jakiegoś czasu dość regularnie również jesienią kasztanowce, które przez całe lato są obgryzane przez szrotówka.

Piotr Panek

fot. Wikipedystka Nova (Agnieszka Kwiecień)    lic. CC-BY-SA-3.0 i GFDL