In een tijd waarin klimaatverandering veel delen van de planeet heter en droger maakt, is het ontnuchterend om te denken dat woestijnen relatief nieuwe biomen zijn die de afgelopen 30 miljoen jaar aanzienlijk zijn gegroeid. Wijdverspreide dorre gebieden, zoals de woestijnen die tegenwoordig een groot deel van westelijk Noord-Amerika bedekken, begonnen pas in de afgelopen 5 tot 7 miljoen jaar te ontstaan.
Begrijpen hoe planten die deze barre woestijnbiomen binnendrongen, konden overleven, zou kunnen helpen voorspellen hoe ecosystemen het zullen vergaan in een drogere toekomst.
Een intensieve studie van een groep planten die als eerste de opkomst binnenviel woestijnen miljoenen jaren geleden concludeert dat deze pioniers - rotsmadeliefjes - niet ongewapend waren om met hitte, brandende zon en gebrek aan water om te gaan. Ze hadden aanpassingen aan dergelijke spanningen ontwikkeld terwijl ze op droge, blootliggende rotsuitstulpingen leefden in oudere, vochtigere gebieden en zelfs tropische bossen, wat het voor hen allemaal gemakkelijker maakte om zich uitbreidende droge gebieden binnen te vallen.
Isaac Lichter-Marck, onderzoeker aan de University of California, Berkeley, en Bruce Baldwin, hoogleraar integratieve biologie aan UC Berkeley, curator van het Jepson Herbarium en hoofdredacteur van "The Jepson Desert Manual: Vascular Plants of Southeastern California" (2002), publiceerden hun studie over de evolutie van rotsmadeliefjes in Noord-Amerikaanse woestijnen deze week in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences.
De studie is de eerste die bewijs levert om een al lang bestaand evolutionair debat op te lossen: deed iconisch woestijnplanten, zoals de statige saguaro cactussen, de vlammende ocotillos en de Seussische agaves passen zich aan droge omstandigheden pas nadat ze woestijnen waren binnengevallen, of waren ze vooraf aangepast aan de stress van het leven in de woestijn?
De vraag is vandaag relevant, zei Lichter-Marck, omdat de toenemende droogte als gevolg van klimaatverandering planten uitdaagt om zich veel sneller aan te passen dan in het verleden. Nu al is ongeveer een vijfde van het landoppervlak van de aarde woestijn. Als aanpassing aan droge omstandigheden alleen mogelijk was voor planten die al waren geëvolueerd om met dergelijke stress om te gaan, dan zouden velen vandaag de dag misschien niet zijn uitgerust met een adequate genetische toolkit om te overleven.
"Als je droogte alleen beschouwt als een stimulans voor de evolutie van planten, dan zouden mensen in veel gevallen kunnen zeggen dat deze planten overleven, ze passen zich aan en het komt wel goed. Ze zullen profiteren van deze nieuwe omstandigheden en ze zullen gedijen", zegt Lichter-Marck, die ook een postdoctoraal onderzoeker van de National Science Foundation is aan de UCLA.
Maar de geschiedenis van rotsmadeliefjes suggereert dat "toen de woestijnen ontstonden, de planten die de nodige pre-aanpassingen hadden om te profiteren van nieuwe omstandigheden, de planten waren die bloeiden", zei hij. “Het toevoegen van meer verdroging aan het systeem betekent niet noodzakelijkerwijs dat er een snellere adaptieve evolutie zal plaatsvinden. Er is een beperkte bron van afstammingslijnen die kunnen profiteren van nieuwe niveaus van droogte, en dat is belangrijk om het effect van klimaatverandering op de biodiversiteit te begrijpen."
Zeven jaar zwerven door de woestijn
Botanici realiseerden zich lang geleden dat toen planten woestijngebieden binnenvielen, ze zich snel diversifieerden om de vele niches te vullen die door dit nieuwe type habitat waren gecreëerd.
"Zelfs nog maar 1 miljoen tot 1.5 miljoen jaar geleden zou het moeilijk zijn geweest om wijdverspreide woestijnhabitats te vinden zoals we die vandaag in Noord-Amerika zien, wat nogal verrassend is omdat woestijnen en dorre habitats nu het meest wijdverspreide bioom op aarde zijn, ', zei Lichter-Marck. "Maar tijdens het late Mioceen verspreidden droge habitats zich en ondergingen 's werelds afstammingslijnen van woestijnplanten, vooral de sappige afstammingslijnen zoals de cactussen, de agaves en de ijsplanten - evenals vele andere droogtetolerante afstammelingen - een synchrone snelle diversificatie. ”
Paleontologen wezen er echter op dat gefossiliseerde planten die tientallen miljoenen jaren bloeiden voordat de woekering van woestijnen plaatsvond, kenmerken hadden die vergelijkbaar waren met die van woestijnplanten van vandaag. Sommige wetenschappers, zoals wijlen paleo-ecoloog Daniel Axelrod van UCLA en UC Davis, voerden aan dat dit betekende dat de planten die tegenwoordig in de woestijn floreerden eerder evolueerden en vooraf waren aangepast - of geëxpandeerd - om woestijnomstandigheden te overleven door te groeien in droge microsites, zoals rotspartijen, regenschaduwen of bergtoppen. Anderen, zoals Ledyard Stebbins van UC Berkeley, een evolutiebioloog die hielp bij het oprichten van het UC Davis Department of Genetics, voerden aan dat droogte zelf planten ertoe aanzette om te diversifiëren en eigenschappen te ontwikkelen om bestand te zijn tegen droogte, hitte, intens zonlicht en harde wind.
Ondanks de overeenkomsten tussen rotsachtige ontsluitingen en woestijnen, is het moeilijk te bewijzen dat woestijnplanten afstammen van planten die al zijn aangepast aan de stress van droogte, deels omdat fossielen zich zelden vormen in droge habitats en ons niet veel kunnen vertellen over de habitat waarin deze oude er groeiden planten.
Voor Lichter-Marck en Baldwin leken rotsmadeliefjes, die zijn ingedeeld in de stam Perityleae in de zonnebloemfamilie, een goede groep om de connectie te onderzoeken. Sommige soorten leven op droog, blootliggend gesteente in tropische gebieden van Mexico - wat als "microwoestijnen" zou kunnen worden beschouwd - terwijl andere zich volledig hebben aangepast aan woestijngebieden, zoals de Mojave in Californië en de Great Basin, Chihuahuan en Sonoran woestijnen die bedekken het grootste deel van westelijk Noord-Amerika.
"Planten die op rotspartijen leven, staan voor veel van dezelfde uitdagingen als planten die in een droge, woestijnachtige habitat leven, " zei Lichter-Marck. “Rotsen worden vaak blootgesteld aan UV-licht, wind en droge, uitdrogende omstandigheden, maar ook aan hitte en vorst. Ze hebben ook de neiging om meer blootgesteld te worden aan herbivoren.
"De manieren waarop planten ermee omgaan zijn divers, maar meestal hebben ze een soort gespecialiseerde wortelmorfologie nodig die hen helpt om zich te verankeren in rotspartijen en om te gaan met de verhoogde droge omstandigheden. En ze hebben meestal kleinere bladeren, of bladeren met een dichte bedekking van haren die ze helpen beschermen tegen droogte en zonlicht blokkeren, inclusief UV-licht. Ze hebben ook vaak een verhoogde chemische afweer tegen herbivoren, omdat het veel energie kost om te regenereren nadat ze zijn gekauwd.
Voor zijn Ph.D. proefschrift aan de afdeling Integratieve Biologie en aan het Jepson Herbarium, Lichter-Marck, een inwoner van Zuid-Californië, zwierf maandenlang door de woestijnen van Arizona, Californië, Texas en Mexico in een pick-up, vergezeld van zijn blauwe heeler, Rio , om honderden exemplaren van rock madeliefjes te verzamelen. Sommige rotsmadeliefjes behoren tot de meest dramatische bloeiers in de lente en bedekken de woestijn met kleurrijke bloesems. Velen zijn echter beperkt tot kleine geografische regio's waar ze alleen groeien op verticale rotswanden of bergketens in de lucht, waardoor het gevaarlijk is om ze te verzamelen. Lichter-Marck is een ervaren bergbeklimmer, een belangrijke vaardigheid voor veldwerk op ruig terrein.
Later analyseerde hij het DNA van deze exemplaren - 73 van de 84 erkende soorten margriet - en catalogiseerde hun levensgeschiedenis, zoals waar ze groeiden, wat voor soort wortelsysteem ze hadden, en of ze eenjarig of meerjarig waren, een kruid of een struik. Vervolgens vergeleek hij ze met gefossiliseerde madeliefjes om een ruwe tijdlijn te ontwikkelen van de evolutie van deze kenmerken en de uiteindelijke verschuiving van de afstamming naar woestijnen.
Hieruit kon hij concluderen dat de meeste margrietsoorten - in het bijzonder het geslacht Laphamia, dat als eerste naar woestijnen trok en het grootste geslacht margriet is - zich hadden aangepast aan de stress van hitte, droogte, wind en zon dankzij hun groei op kliffen voordat ze woestijnen binnenvallen.
"Dit is een duidelijke empirische demonstratie van wat oorspronkelijk de hypothese van Axelrod was - van een woestijnplantengroep die zijn oorsprong vond in droge microklimaten voorafgaand aan de wijdverbreide opkomst van woestijnhabitats", zei Lichter-Marck. "Wat dit betekent is dat de strategieën voor droogtetolerantie die zo kenmerkend zijn voor woestijnvegetatie, misschien niet echt antwoorden zijn op de droge omstandigheden in woestijnen. In plaats daarvan zouden het eigenschappen kunnen zijn die eerder zijn geëvolueerd in verband met veel oudere en stabielere droge microklimaten, zoals ontsluitingen van rotsen in tropische omgevingen."
Preadaptatie kan de sleutel zijn tot het succes van veel woestijnplanten, waaronder cactussen, waarvan bekend is dat ze rotspartijen bewonen of groeien als epifyten in de luifels van bomen in tropische gebieden, hoewel deze grote geslachten een veel uitgebreidere analyse vereisen, zei hij. .
Rotsmadeliefjes, waarvan er vele in gespecialiseerde habitats leven waardoor ze kwetsbaar zijn voor uitsterven, benadrukken het belang van het behoud van ogenschijnlijk nichesoorten.
"Veel van de rotsmadeliefjes zijn erg gespecialiseerd en hebben de neiging erg smal te zijn in hun verspreiding en kunnen worden gezien als minder belangrijk voor het overleven van het ecosysteem als geheel. In de evolutionaire biologie en in de conservatiebiologie worden gespecialiseerde organismen met een smal geografisch bereik vaak beschouwd als kwetsbare afstammingslijnen en soms zelfs evolutionaire doodlopende wegen genoemd, "zei hij. "Een belangrijke implicatie hier is dat een groep ecologische specialisten die op verspreide kliffen in tropische habitats groeien, deze grote straling in de woestijn heeft veroorzaakt. Het laat dus eigenlijk zien dat specialisten niet alleen deze kwetsbare geslachten zijn die op de rand van uitsterven staan. Ze zouden wel eens heel belangrijke bronnen kunnen zijn voor innovatie in de evolutie.”
Lichter-Marck breidt momenteel zijn studie uit planten die groeien op rotspartijen naar Hawai'i, waar veel zeldzame endemische soorten alleen op de flanken van steile bergen leven. In plaats van gevaarlijke kliffen te beklimmen om zeldzame exemplaren te bereiken, hoopt hij echter drones te gebruiken.