Planten hebben koloniseerde de overgrote meerderheid van het aardoppervlak. Dus wat is de sleutel tot hun succes?
Mensen zien planten vaak als eenvoudige, zinloze levensvormen. Ze kunnen op één plek geworteld zijn, maar hoe meer wetenschappers over planten leren, hoe complexer en responsiever we beseffen dat ze dat zijn. Ze zijn uitstekend in staat zich aan te passen aan lokale omstandigheden. Planten zijn specialisten, ze halen het meeste uit wat dichtbij is waar ze ontkiemen.
Leren over de fijne kneepjes van het plantenleven gaat echter over meer dan het inspireren van verwondering bij mensen. Planten bestuderen gaat ook over zeker weten we kunnen nog steeds gewassen verbouwen in de toekomst, aangezien de klimaatverandering ons weer steeds extremer maakt.
Omgevingssignalen geven vorm aan de groei en ontwikkeling van planten. Veel planten gebruiken bijvoorbeeld daglengte als richtsnoer om de bloei op gang te brengen. De verborgen helft van planten, de wortels, gebruiken ook tekens uit hun omgeving om ervoor te zorgen dat hun vorm is geoptimaliseerd om te foerageren naar water en voedingsstoffen.
Wortels beschermen hun planten tegen stress zoals droogte door hun vorm aan te passen (vertakking om hun groei te vergroten). oppervlakte, bijvoorbeeld) om meer water te vinden. Maar tot voor kort begrepen we niet hoe wortels voelen of er water beschikbaar is in de omringende grond.
Water is het belangrijkste molecuul op aarde. Te veel of te weinig kan een ecosysteem vernietigen. De verwoestende impact van de klimaatverandering (zoals recentelijk gezien in Europa en Oost-Afrika) maakt zowel overstromingen als droogte komen vaker voor. Sinds klimaatverandering is neerslagpatronen maken steeds grilliger, leren hoe planten reageren watertekort is essentieel om gewassen weerbaarder te maken.
Ons team van planten- en bodemwetenschappers en wiskundigen Recent ontdekt hoe plantenwortels passen hun vorm aan om de wateropname te maximaliseren. Wortels vertakken zich normaal gesproken horizontaal. Maar ze pauzeren met vertakken wanneer ze het contact met water verliezen (zoals groeien door een met lucht gevulde opening in de grond) en wortels hervatten pas met vertakken zodra ze weer contact maken met vochtige grond.
Ons team ontdekte dat planten een systeem gebruiken genaamd hydrosignalering beheren waar de wortels zich vertakken als reactie op de beschikbaarheid van water in de grond.
Hydrosignalering is de manier waarop planten voelen waar water is, niet door het vochtgehalte rechtstreeks te meten, maar door andere oplosbare moleculen te detecteren die met het water in planten meebewegen. Dit is alleen mogelijk omdat (in tegenstelling tot dierlijke cellen) plantencellen zijn met elkaar verbonden door kleine poriën.
Deze poriën zorgen ervoor dat water en kleine oplosbare moleculen (inclusief hormonen) samen kunnen bewegen wortel cellen en weefsels. Wanneer water wordt opgenomen door de plantenwortel, gaat het door de buitenste epidermale cellen.
De buitenste wortelcellen bevatten ook een hormoon dat vertakking bevordert, auxine genaamd. Wateropname veroorzaakt vertakking door auxine naar binnen te mobiliseren naar binnenste wortelweefsels. Als er extern geen water meer beschikbaar is, bijvoorbeeld wanneer een wortel door een met lucht gevulde opening groeit, heeft de wortelpunt nog steeds water nodig om te groeien.
Dus als wortels geen water uit de grond kunnen opnemen, zijn ze aangewezen op water uit hun eigen aderen diep in de wortel. Dit verandert de richting van de waterbeweging, waardoor het nu naar buiten beweegt, wat de stroom van het vertakkingshormoon auxine verstoort.
De plant maakt ook een anti-vertakkingshormoon genaamd ABA in zijn worteladeren. ABA beweegt ook mee met de waterstroom, in de tegenovergestelde richting van auxine. Dus wanneer de wortels water uit de aderen van de plant halen, trekken de wortels ook het anti-vertakkingshormoon naar zich toe.
ABA stopt wortelvertakking door alle kleine poriën te sluiten die wortelcellen met elkaar verbinden, een beetje zoals explosiedeuren op een schip. Dit sluit de wortelcellen van elkaar af en stopt de vrije beweging van auxine met water, waardoor wortelvertakking wordt geblokkeerd. Met dit eenvoudige systeem kunnen plantenwortels hun vorm afstemmen op de lokale watercondities. Zijn xerobranching genoemd (uitgesproken als zerobranching).
Onze studie toonde ook aan dat de wortels van een plant een soortgelijk systeem gebruiken om waterverlies te verminderen als de scheuten. Bladeren stoppen waterverlies tijdens droogte door microporiën, huidmondjes genaamd, op hun oppervlak te sluiten. Huidmondjes sluiten wordt ook veroorzaakt door het ABA-hormoon. Evenzo vermindert ABA in wortels water verlies door nanoporiën, plasmodesmata genaamd, te sluiten die elke wortelcel met elkaar verbinden.
Wortels van tomaat, zandraket, maïs, tarwe en gerst reageren allemaal op deze manier op vocht, ondanks dat ze in verschillende bodems en klimaten zijn geëvolueerd. Bijvoorbeeld, tomaten zijn ontstaan in een Zuid-Amerikaanse woestijn, terwijl zandraket komt uit Centraal-Aziatische gematigde streken. Dit suggereert dat xerobranching een veel voorkomend kenmerk is van bloeiende planten, die meer dan 200 miljoen jaar jonger zijn dan niet-bloeiende planten zoals varens.
Wortels van varens, een vroeg evoluerende landplantensoort, reageren niet op deze manier op water. Hun wortels groeien gelijkmatiger. Dit suggereert dat bloeiende soorten zich beter kunnen aanpassen water stress dan eerdere landplanten zoals varens.
Bloeiende planten kunnen een breder scala aan ecosystemen en omgevingen koloniseren dan niet-bloeiende soorten. Gezien de snelle veranderingen in neerslagpatronen over de hele wereld, is het vermogen van planten het is nu belangrijker dan ooit om een breed scala aan bodemvochtcondities te voelen en aan te passen.