Rośliny mają skolonizował zdecydowaną większość powierzchni Ziemi. Co jest zatem kluczem do ich sukcesu?
Ludzie często myślą o roślinach jako o prostych, bezsensownych formach życia. Mogą żyć zakorzenione w jednym miejscu, ale im więcej naukowcy dowiadują się o roślinach, bardziej złożone i responsywne zdajemy sobie sprawę, że są. Doskonale przystosowują się do lokalnych warunków. Rośliny są specjalistami, wykorzystującymi w pełni to, co znajduje się w pobliżu miejsca, w którym kiełkują.
Poznawanie zawiłości życia roślin to coś więcej niż inspirowanie ludzi do zachwytu. Badanie roślin to także upewnienie się nadal możemy uprawiać rośliny w przyszłości, ponieważ zmiany klimatyczne powodują, że nasza pogoda staje się coraz bardziej ekstremalna.
Sygnały środowiskowe kształtują wzrost i rozwój roślin. Na przykład wiele roślin używa długość dnia jako wskazówka aby wywołać kwitnienie. Ukryta połowa roślin, korzenie, również wykorzystuje znaki z otoczenia, aby upewnić się, że ich kształt jest zoptymalizowany do pobierania wody i składników odżywczych.
Korzenie chronią rośliny przed stresem, takim jak susza, dostosowując ich kształt (rozgałęzienia w celu zwiększenia ich powierzchnia, na przykład), aby znaleźć więcej wody. Ale do niedawna nie rozumieliśmy, w jaki sposób korzenie wyczuwają, czy w otaczającej glebie jest dostępna woda.
Woda jest najważniejszą cząsteczką na Ziemi. Zbyt dużo lub zbyt mało może zniszczyć ekosystem. Niszczycielski wpływ zmian klimatu (jak ostatnio zaobserwowano w Europie i Afryce Wschodniej) jest widoczny częściej występują zarówno powodzie, jak i susze. Od zmiany klimatyczne is tworzenie wzorców opadów coraz bardziej niekonsekwentny, ucząc się, jak rośliny reagują na niedobór wody ma zasadnicze znaczenie dla zwiększenia odporności upraw.
Nasz zespół naukowców zajmujących się roślinami i glebą oraz matematyków niedawno odkryte w jaki sposób korzenie roślin dostosować ich kształt, aby zmaksymalizować wchłanianie wody. Korzenie zwykle rozgałęziają się poziomo. Ale wstrzymują rozgałęzianie, gdy tracą kontakt z wodą (na przykład rosnąc przez wypełnioną powietrzem szczelinę w glebie), a korzenie wznawiają rozgałęzianie dopiero po ponownym połączeniu się z wilgotną glebą.
Nasz zespół odkrył, że rośliny używają systemu tzw hydrosygnalizacja zarządzać, gdzie korzenie rozgałęziają się w odpowiedzi na dostępność wody w glebie.
Hydrosygnalizacja to sposób, w jaki rośliny wyczuwają, gdzie jest woda, nie poprzez bezpośredni pomiar poziomu wilgoci, ale poprzez wykrywanie innych rozpuszczalnych cząsteczek, które poruszają się wraz z wodą w roślinach. Jest to możliwe tylko dlatego, że (w przeciwieństwie do komórki zwierzęce) komórki roślinne są ze sobą połączone przez małe pory.
Pory te umożliwiają wzajemne przemieszczanie się wody i małych rozpuszczalnych cząsteczek (w tym hormonów). korzeń komórki i tkanki. Kiedy woda jest pobierana przez korzeń rośliny, przemieszcza się ona przez najbardziej zewnętrzne komórki naskórka.
Zewnętrzne komórki korzenia zawierają również a hormon promujący rozgałęzienia zwany auksyną. Pobieranie wody wyzwala rozgałęzienia poprzez mobilizację auksyny do wewnątrz, do wewnętrznych tkanek korzenia. Kiedy woda nie jest już dostępna z zewnątrz, powiedzmy, gdy korzeń rośnie przez szczelinę wypełnioną powietrzem, wierzchołek korzenia nadal potrzebuje wody do wzrostu.
Więc kiedy korzenie nie mogą pobierać wody z gleby, muszą polegać na wodzie z własnych żył głęboko w korzeniu. Zmienia to kierunek ruchu wody, powodując jej przemieszczanie się na zewnątrz, co zakłóca przepływ auksyny hormonu rozgałęziającego.
Roślina wytwarza również hormon zapobiegający rozgałęzianiu zwany ABA w jego żyłach korzeniowych. ABA również porusza się z prądem wody, w kierunku przeciwnym do auksyny. Więc kiedy korzenie pobierają wodę z żył roślin, korzenie również przyciągają do siebie hormon zapobiegający rozgałęzianiu.
ABA zatrzymuje rozgałęzienia korzeni, zamykając wszystkie małe pory, które łączą komórki korzeniowe - trochę jak drzwi przeciwwybuchowe na statku. To uszczelnia komórki korzenia od siebie i zapobiega swobodnemu przemieszczaniu się auksyny z wodą, blokując rozgałęzienia korzenia. Ten prosty system pozwala korzeniom roślin dostosować swój kształt do lokalnych warunków wodnych. Jego zwany kserobranchingiem (wymawiane zerobranching).
Nasze badanie wykazało również, że korzenie rośliny wykorzystują podobny system do zmniejszania utraty wody jak jej pędy. Liście zatrzymują utratę wody w warunkach suszy poprzez zamykanie na ich powierzchni mikroporów zwanych aparatami szparkowymi. Zamknięcie szparek jest również wyzwalane przez hormon ABA. Podobnie w korzeniach ABA redukuje utrata wody poprzez zamykanie nanoporów zwanych plazmodesmatami, które łączą ze sobą każdą komórkę korzenia.
Korzenie pomidora, rzeżuchy, kukurydzy, pszenicy i jęczmienia reagują w ten sposób na wilgoć, pomimo ewolucji w różnych glebach i klimatach. Na przykład, pomidory pochodzą z południowoamerykańskiej pustyni, natomiast rzeżucha tajska pochodzi z umiarkowanych regionów Azji Środkowej. Sugeruje to, że xerobranching jest powszechną cechą roślin kwitnących, które są o ponad 200 milionów lat młodsze niż rośliny nie kwitnące, takie jak paprocie.
Korzenie paproci, wcześnie ewoluującego gatunku rośliny lądowej, nie reagują w ten sposób na wodę. Ich korzenie rosną bardziej równomiernie. Sugeruje to, że gatunki kwitnące lepiej się dostosowują woda stres niż wcześniejsze rośliny lądowe, takie jak paprocie.
Rośliny kwitnące mogą kolonizować szerszy zakres ekosystemów i środowisk niż gatunki niekwitnące. Biorąc pod uwagę szybkie zmiany wzorców opadów na całym świecie, zdolność Rośliny wykrywanie i dostosowywanie się do szerokiego zakresu warunków wilgotności gleby jest teraz ważniejsze niż kiedykolwiek.