Hyönteiset vaikuttavat kasvien evoluutioon jo muutamassa vuodessa
Kasveja syövät hyönteiset voivat vaikuttaa kasvien evoluutioon paljon nopeammin kuin on aiemmin uskottu, paljastaa Turun yliopiston uusi tutkimus. Tutkimus julkaistiin arvostetussa Science-tiedelehdessä 5. lokakuuta.
Pitkään on spekuloitu sillä, että kasvien ja niitä syövien hyönteisten väliset vuorovaikutukset ovat paljolti syynä luonnossa tavattavaan lajirunsauteen. Toistaiseksi asian kokeellinen todistaminen on ollut vaikeaa.
Professori Juha-Pekka Salminen Turun yliopiston kemian laitokselta ja hänen kollegansa Cornellin, Toronton ja Montanan yliopistoista ovat osoittaneet, että hyönteisten ajama luonnonvalinta aiheuttaa evolutiivisia muutoksia kasvipopulaatioissa hämmästyttävän nopeasti.
Tutkijaryhmä perusti viisi vuotta sitten 16 kasvipalstaa Ithacaan, New Yorkiin. Jokaiselle palstalle istutettiin identtinen koostumus 18 erilaista iltahelokin (Oenothera biennis) genotyyppiä eli kloonia. Puolet palstoista vapautettiin hyönteisistä kahden viikon välein viiden vuoden ajan. Loput palstat saivat pitää luontaisen koostumuksensa hyönteisiä. Palstoja ei manipuloitu millään muulla tavoin. Viiden vuoden aikana tapahtuneen eri genotyyppien yleistymisen tai harvinaistumisen todettiin johtuneen hyönteisten suoraan tai epäsuorasti aiheuttamasta luonnonvalinnasta.
Iltahelokki suojautui hyönteisiä vastaan kemiallisesti
Tutkijaryhmä havaitsi palstojen eriytyvän geneettisesti jo yhden kahden iltahelokkisukupolven aikana. Havainnot selkiytyivät edelleen viisivuotisen kokeen loppua kohden. Hyönteisten ajama luonnonvalinta suosi genotyyppejä, jotka pystyivät kemiallisesti paremmin puolustautumaan hyönteisiä vastaan.
– Oli mielenkiintoista havaita, että luontaisen hyönteistason sisältäneillä palstoilla ylikorostuivat sellaiset genotyypit, jotka tuottivat hedelmiinsä monimutkaisempia tanniineja. Näiden tanniinien todettiin suojaavan iltahelokkien hedelmiä hyönteisiltä, jotka syövät hedelmien sisältämiä siemeniä, Salminen kertoo.
Samalla nämä genotyypit myös kukkivat myöhemmin, jolloin hedelmät ja siemenet olivat lyhyemmän aikaa alttiina siemeniä syöville herbivoreille.
Tutkijat havaitsivat, että hyönteisistä vapautetuilla palstoilla tilanne oli täysin päinvastainen. Hyönteisten aiheuttaman stressin puuttuessa iltahelokit aivan kuin ylirentoutuivat tuottamaan yksinkertaisempia tanniineja ja vastaavasti monimutkaisempia tanniineja tuottavat genotyypit harvinaistuivat.
Taistelu voikukkia vastaan muutti genotyyppikoostumusta
Hyönteisistä vapaiden palstojen iltahelokit joutuivat kuitenkin kamppailemaan toista uhkaa vastaan.
– Kun poistimme hyönteiset palstoilta, niin samalla tulimme poistaneeksi myös voikukkia luontaisesti syövät hyönteiset. Näin voikukkien lukumäärä kaksinkertaistui hyönteisistä vapautetuilla palstoilla. Iltahelokkien lukumäärä puolittui, kun kilpailu elintilasta kasvoi, kertoo professori Salminen.
Voikukkien aiheuttama kasvanut kilpailutilanne sai iltahelokkigenotyypit eriytymään kahdella tapaa: parhaimman kilpailukyvyn omaavat genotyypit yleistyivät, ja samalla ne pyrkivät varmistamaan siemententuottamiskykynsä aikaistamalla kukintaansa.
– Jos kasvien kohdalla voidaan puhua järkevästä toiminnasta, niin tämäntyyppinen evoluutio oli järkevää hyönteisten puuttuessa kuvasta. Valitettavasti aikaistettu kukinta yhdessä heikentyneen puolustusyhdistekoostumuksen kanssa altistaa iltahelokit enenevissä määrin hedelmiä ja siemeniä syöville hyönteisille. Tässä mielessä evoluutio ei edennyt oikeaan suuntaan hyönteisistä vapautetuilla palstoilla, Salminen huomauttaa.
Evoluution suunta saattaa vaihdella vuodesta toiseen
Tutkimus osoittaa, miksi iltahelokkipopulaatiot yleisesti koostuvat useista eri genotyypeistä. Luonnossa kasvit kohtaavat useita samanaikaisia stressitekijöitä. Periaatteessa kunkin stressitekijän kulloisestakin voimakkuudesta on kiinni mihin suuntaan luonnonvalinta ohjaa populaatioiden genotyyppikoostumusta.
Jos yhtenä vuonna tapahtuvaa kilpailua kasvutilasta seuraa seuraavana vuonna voimakas hyönteisstressi, ei genotyyppien eriytyminen ole välttämättä pysyvää. Eriytymisen suunta voi vaihdella vuodesta toiseen.
Heikoimmat genotyypit voivat kuitenkin kuolla paikallisesti sukupuuttoon, kuten kävi kahdelle genotyypille nyt julkaistun viisivuotisen kokeen aikana. Vahvimmat genotyypit voivat samalla yleistyä. Toisaalta pitkäaikainen samaan suuntaan etenevä eriytyminen voi lopulta johtaa jopa uuden lajin syntyyn.
Tutkimuksen suomalaisesta rahoituksesta vastasi Suomen Akatemia.
Teksti: Hannu Aaltonen ja Juha-Pekka Salminen
Kuva: Anurag Agrawal ja Juha-Pekka Salminen