گیاهان دارند اکثریت قریب به اتفاق را مستعمره کرد از سطح زمین. پس رمز موفقیت آنها چیست؟
مردم اغلب گیاهان را اشکال ساده و بی معنی زندگی می دانند. آنها ممکن است ریشه در یک مکان زندگی کنند، اما هر چه دانشمندان بیشتر در مورد گیاهان بیاموزند، پیچیده تر و پاسخگوتر ما متوجه می شویم که آنها هستند. آنها در انطباق با شرایط محلی عالی هستند. گیاهان متخصص هستند و از چیزی که در نزدیکی محل جوانه زنی است نهایت استفاده را می برند.
با این حال، یادگیری در مورد پیچیدگی های زندگی گیاهان چیزی بیش از الهام بخشیدن به شگفتی در افراد است. مطالعه گیاهان نیز برای اطمینان است ما هنوز هم می توانیم محصولات کشاورزی کنیم در آینده، زیرا تغییرات آب و هوایی آب و هوای ما را به طور فزاینده ای شدید می کند.
سیگنال های محیطی رشد و نمو گیاهان را شکل می دهند. به عنوان مثال، بسیاری از گیاهان استفاده می کنند طول روز به عنوان نشانه برای شروع گلدهی نیمه پنهان گیاهان، یعنی ریشهها، همچنین از نشانههایی از محیط اطراف خود استفاده میکنند تا اطمینان حاصل کنند که شکل آنها برای جذب آب و مواد مغذی بهینه است.
ریشه ها با تطبیق شکل خود از گیاهان خود در برابر تنش هایی مانند خشکی محافظت می کنند (شاخه بندی برای افزایش آنها سطح زمینبه عنوان مثال) برای یافتن آب بیشتر. اما تا همین اواخر، ما نمیدانستیم که ریشهها چگونه احساس میکنند که آیا آب در خاک اطراف وجود دارد یا خیر.
آب مهمترین مولکول روی زمین است. مقدار زیاد یا خیلی کم می تواند یک اکوسیستم را نابود کند. تأثیر مخرب تغییرات آب و هوایی (همانطور که اخیراً در اروپا و شرق آفریقا دیده شده است) در حال ایجاد است هر دو سیل و خشکسالی شایع تر است. پس از تغییر آب و هوا is ساخت الگوهای بارندگی به طور فزاینده ای نامنظم، یادگیری نحوه واکنش گیاهان به آن کمبود آب برای انعطاف پذیری بیشتر محصولات حیاتی است.
تیم ما از دانشمندان و ریاضیدانان گیاه و خاک به تازگی کشف شده چگونه ریشه های گیاه شکل آنها را برای به حداکثر رساندن جذب آب تطبیق دهند. ریشه ها معمولاً به صورت افقی منشعب می شوند. اما زمانی که تماس خود را با آب از دست میدهند (مانند رشد از طریق شکاف پر از هوا در خاک) انشعاب را متوقف میکنند و ریشهها تنها پس از اتصال مجدد به خاک مرطوب، انشعاب خود را از سر میگیرند.
تیم ما دریافت که گیاهان از سیستمی به نام استفاده می کنند سیگنالینگ هیدرولیکی برای مدیریت جایی که ریشه ها در پاسخ به منشعب می شوند در دسترس بودن آب در خاک
Hydrosignalling روشی است که گیاهان متوجه مکان آب می شوند، نه با اندازه گیری سطوح رطوبت به طور مستقیم، بلکه با سنجش سایر مولکول های محلول که همراه با آب در گیاهان حرکت می کنند. این تنها به این دلیل امکان پذیر است که (بر خلاف سلولهای حیوانی) سلول های گیاهی به یکدیگر متصل هستند توسط منافذ کوچک.
این منافذ آب و مولکولهای کوچک محلول (از جمله هورمونها) را قادر میسازد تا با هم حرکت کنند ریشه سلول ها و بافت ها هنگامی که آب توسط ریشه گیاه جذب می شود، از بیرونی ترین سلول های اپیدرمی عبور می کند.
سلول های ریشه خارجی نیز حاوی یک هورمونی که باعث انشعاب به نام اکسین می شود. جذب آب با تحرک اکسین به سمت داخل به بافت های داخلی ریشه باعث انشعاب می شود. هنگامی که آب دیگر در خارج در دسترس نیست، مثلاً وقتی ریشه از شکاف پر از هوا رشد می کند، نوک ریشه هنوز برای رشد به آب نیاز دارد.
بنابراین وقتی ریشهها نمیتوانند آب را از خاک جذب کنند، باید به آب از رگهای خود در عمق ریشه تکیه کنند. این امر جهت حرکت آب را تغییر میدهد و باعث میشود که اکنون به سمت خارج حرکت کند که جریان هورمون انشعاب اکسین را مختل میکند.
این گیاه همچنین یک هورمون ضد انشعاب به نام ABA در رگ های ریشه اش ABA با جریان آب نیز در جهت مخالف اکسین حرکت می کند. بنابراین وقتی ریشهها از رگهای گیاهان از آب خارج میشوند، ریشهها نیز هورمون ضد انشعاب را به سمت خود میکشند.
ABA با بستن تمام منافذ کوچکی که سلولهای ریشه را به هم متصل میکنند، انشعاب ریشه را متوقف میکند - کمی شبیه درهای انفجاری در کشتی. این کار سلول های ریشه را از یکدیگر جدا می کند و مانع از حرکت آزادانه اکسین با آب می شود و انشعاب ریشه را مسدود می کند. این سیستم ساده به ریشه های گیاه اجازه می دهد تا شکل خود را با شرایط آب محلی تنظیم کنند. این است به نام xerobranching (تلفظ صفر شاخه).
مطالعه ما همچنین نشان داد که ریشه یک گیاه از سیستم مشابهی برای کاهش اتلاف آب به اندازه شاخه های آن استفاده می کند. برگها از دست دادن آب را متوقف می کنند در شرایط خشکسالی با بستن منافذ ریز به نام روزنه بر روی سطوح آنها. بسته شدن روزنه ها نیز توسط هورمون ABA تحریک می شود. به طور مشابه در ریشه ABA کاهش می یابد از دست دادن آب با بستن نانو منافذی به نام plasmodesmata که هر سلول ریشه را به هم متصل می کند.
ریشههای گوجهفرنگی، شاهی تال، ذرت، گندم و جو، علیرغم تکامل در خاکها و اقلیمهای مختلف، همگی به این طریق به رطوبت پاسخ میدهند. مثلا، منشا گوجه فرنگی در یک بیابان آمریکای جنوبی است، در حالیکه شاهی تال از مناطق معتدل آسیای مرکزی می آید. این نشان میدهد که گزروشاخهزنی یک ویژگی رایج در گیاهان گلدار است که بیش از 200 میلیون سال جوانتر از گیاهان غیرگلدار مانند سرخس هستند.
ریشههای سرخسها، یک گونه گیاهی در حال تکامل اولیه، به این شکل به آب واکنش نشان نمیدهند. ریشه های آنها یکنواخت تر رشد می کند. این نشان میدهد که گونههای گلدار بهتر در سازگاری با آنها هستند آب تنش نسبت به گیاهان زمینی قبلی مانند سرخس.
گیاهان گلدار می توانند طیف وسیع تری از اکوسیستم ها و محیط ها را نسبت به گونه های غیر گلدار مستعمره کنند. با توجه به تغییرات سریع الگوهای بارندگی در سراسر جهان، توانایی گیاهان درک و انطباق با طیف وسیعی از شرایط رطوبت خاک در حال حاضر بیش از هر زمان دیگری مهم است.