Rastline so kolonizirali veliko večino zemeljskega površja. Kaj je torej ključ do njihovega uspeha?
Ljudje pogosto mislijo, da so rastline preproste, nesmiselne oblike življenja. Morda živijo zakoreninjeni na enem mestu, a bolj ko znanstveniki spoznavajo rastline, bolj kompleksen in odziven zavedamo se, da so. Odlično se prilagajajo lokalnim razmeram. Rastline so specialisti, ki najbolje izkoristijo tisto, kar je blizu mesta, kjer vzklijejo.
Spoznavanje zapletenosti rastlinskega življenja pa je pri ljudeh več kot navdihujoče čudenje. Preučevanje rastlin je tudi zagotavljanje lahko še pridelamo pridelke v prihodnosti, saj bo vreme zaradi podnebnih sprememb vse bolj ekstremno.
Okoljski signali oblikujejo rast in razvoj rastlin. Na primer, številne rastline uporabljajo dolžina dneva kot iztočnica da sprožijo cvetenje. Skrita polovica rastlin, korenine, prav tako uporablja znake iz okolice, da zagotovi, da je njihova oblika optimizirana za iskanje vode in hranil.
Korenine ščitijo svoje rastline pred stresi, kot je suša, tako da prilagodijo svojo obliko (razvejajo se za povečanje površina, na primer), da bi našli več vode. Toda do nedavnega nismo razumeli, kako korenine zaznavajo, ali je voda na voljo v okoliški zemlji.
Voda je najpomembnejša molekula na Zemlji. Preveč ali premalo lahko uniči ekosistem. Uničujoče posledice podnebnih sprememb (kot so bile nedavno vidne v Evropi in vzhodni Afriki) postajajo vse močnejše tako poplave kot suše pogostejše. Od leta sprememba podnebja is izdelava vzorcev padavin vedno bolj nestalen, učenje, kako se rastline odzivajo pomanjkanje vode je ključnega pomena za večjo odpornost pridelkov.
Naša ekipa raziskovalcev rastlin in tal ter matematikov nedavno odkrita kako rastlinske korenine prilagodijo svojo obliko, da povečajo absorpcijo vode. Korenine se običajno razvejajo vodoravno. Toda prenehajo se razvejati, ko izgubijo stik z vodo (na primer, ko rastejo skozi z zrakom napolnjeno vrzel v tleh), korenine pa nadaljujejo z razvejanjem šele, ko se ponovno povežejo z vlažno zemljo.
Naša ekipa je ugotovila, da rastline uporabljajo sistem, imenovan hidrosignalizacija upravljati, kje se korenine razvejajo kot odziv na razpoložljivost vode v tleh.
Hidrosignalizacija je način, na katerega rastline zaznavajo, kje je voda, ne z neposrednim merjenjem ravni vlage, temveč z zaznavanjem drugih topnih molekul, ki se premikajo z vodo znotraj rastlin. To je mogoče samo zato, ker (za razliko od živalske celice) rastlinske celice so med seboj povezane po majhnih porah.
Te pore omogočajo, da se voda in majhne topne molekule (vključno s hormoni) premikajo skupaj koren celice in tkiva. Ko korenina rastline sprejme vodo, potuje skozi najbolj oddaljene celice povrhnjice.
Zunanje koreninske celice vsebujejo tudi a hormon, ki spodbuja razvejanje, imenovan avksin. Vsrkavanje vode sproži razvejanje z mobilizacijo avksina navznoter do notranjih koreninskih tkiv. Ko vode ni več na voljo od zunaj, recimo ko korenina raste skozi z zrakom napolnjeno vrzel, koreninska konica še vedno potrebuje vodo za rast.
Če torej korenine ne morejo črpati vode iz zemlje, se morajo zanašati na vodo iz lastnih žil globoko v korenini. S tem se spremeni smer gibanja vode, zaradi česar se zdaj premika navzven, kar moti pretok razvejanega hormona avksina.
Rastlina tvori tudi hormon proti razvejanju, imenovan ABA v njegovih koreninskih žilah. Tudi ABA se premika s tokom vode, v nasprotni smeri kot avksin. Torej, ko korenine črpajo vodo iz rastlinskih žil, korenine k sebi črpajo tudi hormon proti razvejanju.
ABA ustavi razvejanje korenin tako, da zapre vse majhne pore, ki povezujejo koreninske celice – podobno kot protipožarna vrata na ladji. To zapre koreninske celice med seboj in prepreči prosto gibanje avksina z vodo, kar blokira razvejanje korenin. Ta preprost sistem omogoča koreninam rastlin, da natančno prilagodijo svojo obliko lokalnim vodnim razmeram. je imenovano xerobranching (izrazito zerobranching).
Naša študija je tudi pokazala, da korenine rastline uporabljajo podoben sistem za zmanjšanje izgube vode kot njeni poganjki. Listi ustavijo izgubo vode v sušnih razmerah z zapiranjem mikropor, imenovanih stomati na njihovi površini. Zapiranje ustja sproži tudi hormon ABA. Podobno se ABA v koreninah zmanjša izguba vode z zapiranjem nanopor, imenovanih plazmodezmati, ki povezujejo vsako koreninsko celico.
Korenine paradižnika, kreše, koruze, pšenice in ječmena se vse odzivajo na vlago na ta način, čeprav so se razvijale v različnih tleh in podnebjih. na primer paradižnik izvira iz južnoameriške puščave, medtem ko thale kreša prihaja iz srednjeazijskih zmernih regij. To nakazuje, da je kserorazvejanje pogosta lastnost cvetočih rastlin, ki so več kot 200 milijonov let mlajše od necvetočih rastlin, kot so praproti.
Korenine praproti, zgodnje razvijajoče se kopenske rastlinske vrste, se na vodo ne odzivajo na ta način. Njihove korenine rastejo bolj enakomerno. To nakazuje, da se cvetoče vrste bolje prilagajajo vode stres kot prejšnje kopenske rastline, kot so praproti.
Cvetoče rastline lahko kolonizirajo širši spekter ekosistemov in okolij kot necvetoče vrste. Glede na hitre spremembe v vzorcih padavin po vsem svetu je sposobnost rastline zaznavanje in prilagajanje širokemu spektru pogojev vlažnosti tal je zdaj pomembnejše kot kdaj koli prej.