Kasveilla on asutti valtaosan maan pinnasta. Mikä sitten on heidän menestyksensä avain?
Ihmiset ajattelevat usein kasveja yksinkertaisina, järjettöminä elämänmuotoina. Ne voivat elää juurtuneena yhdessä paikassa, mutta mitä enemmän tiedemiehet oppivat kasveista, sitä monimutkaisempi ja reagoivampi ymmärrämme, että ne ovat. Ne sopeutuvat erinomaisesti paikallisiin olosuhteisiin. Kasvit ovat asiantuntijoita, jotka hyödyntävät mahdollisimman paljon itämispaikkaansa.
Kasvien monimutkaisuudesta oppiminen on kuitenkin enemmän kuin inspiroivaa ihmettelyä ihmisissä. Kasvien tutkiminen on myös varmistamista voimme silti kasvattaa satoa tulevaisuudessa, kun ilmastonmuutos tekee säästämme yhä äärimmäisempiä.
Ympäristösignaalit muokkaavat kasvien kasvua ja kehitystä. Esimerkiksi monet kasvit käyttävät päivän pituus vihjeenä kukinnan käynnistämiseksi. Kasvien piilossa oleva puolisko, juuret, hyödyntää myös ympäristöstään tulevia merkkejä varmistaakseen, että niiden muoto on optimoitu veden ja ravinteiden saamiseen.
Juuret suojaavat kasvejaan rasituksilta, kuten kuivuudesta, mukauttamalla niiden muotoa (oksaamalla niiden lisäämiseksi pinta-alaesimerkiksi) löytääksesi lisää vettä. Mutta viime aikoihin asti emme ymmärtäneet, kuinka juuret havaitsevat, onko vettä saatavilla ympäröivässä maaperässä.
Vesi on maapallon tärkein molekyyli. Liian paljon tai liian vähän voi tuhota ekosysteemin. Ilmastonmuutoksen tuhoisat vaikutukset (kuten äskettäin on nähty Euroopassa ja Itä-Afrikassa) tekevät sekä tulvat että kuivuus ovat yleisempiä. Siitä asti kun ilmastonmuutos is sadekuvioiden tekeminen yhä epävakaampi, oppien kuinka kasvit reagoivat vesipula on elintärkeää viljelykasvien kestävyyden parantamiseksi.
Tiimimme kasvien ja maaperän tutkijoista ja matemaatikoista Äskettäin löydetty miten kasvien juuret mukauttaa niiden muotoa maksimoidaksesi veden oton. Juuret haarautuvat yleensä vaakasuunnassa. Mutta ne keskeyttävät haarautumisen, kun ne menettävät kosketuksen veteen (kuten kasvavat ilmatäytteisen raon läpi maaperässä), ja juuret jatkavat haarautumista vasta, kun ne yhdistyvät uudelleen kosteaan maaperään.
Tiimimme havaitsi, että kasvit käyttävät järjestelmää nimeltä hydrosignalointi hallita, missä juuret haarautuvat vastauksena veden saatavuus maaperässä.
Hydrosignalointi on tapa, jolla kasvit havaitsevat, missä vesi on, ei mittaamalla suoraan kosteustasoa, vaan aistimalla muita liukoisia molekyylejä, jotka liikkuvat veden mukana kasveissa. Tämä on mahdollista vain koska (toisin kuin eläinsolut) kasvisolut ovat yhteydessä toisiinsa pienten huokosten kautta.
Nämä huokoset mahdollistavat veden ja pienten liukoisten molekyylien (mukaan lukien hormonien) liikkumisen yhdessä välillä juuri soluja ja kudoksia. Kun kasvin juuri imee vettä, se kulkee uloimpien orvaskeden solujen läpi.
Ulommat juurisolut sisältävät myös a Haaroittumista edistävä hormoni, jota kutsutaan auksiiniksi. Vedenotto laukaisee haarautumisen mobilisoimalla auksiinin sisäänpäin juuren sisäkudoksiin. Kun vettä ei ole enää saatavilla ulkopuolelta, esimerkiksi kun juuri kasvaa ilmatäytteisen raon läpi, juurenkärki tarvitsee vielä vettä kasvaakseen.
Joten kun juuret eivät voi ottaa vettä maaperästä, niiden on turvauduttava omien suoniensa veteen syvällä juuren sisällä. Tämä muuttaa veden liikkeen suuntaa, jolloin se liikkuu nyt ulospäin, mikä häiritsee haarautuvan hormonin auksiinin virtausta.
Kasvi tekee myös an haaroittumista estävä hormoni nimeltä ABA sen juurisuonissa. ABA liikkuu myös veden virtauksen mukana, vastakkaiseen suuntaan kuin auksiin. Joten kun juuret imevät vettä kasvien suonista, juuret vetävät myös haaroittumista estävää hormonia itseään kohti.
ABA pysäyttää juuren haarautumisen sulkemalla kaikki pienet huokoset, jotka yhdistävät juurisoluja – vähän kuin laivan räjäytysovet. Tämä sulkee juurisolut toisistaan ja estää auksiinin liikkumisen vapaasti veden mukana, mikä estää juuren haarautumisen. Tämän yksinkertaisen järjestelmän avulla kasvien juuret voivat hienosäätää muotonsa paikallisten vesiolosuhteiden mukaan. Sen kutsutaan xerobranchingiksi (lausutaan nollahaarautuminen).
Tutkimuksemme havaitsi myös, että kasvin juuret käyttävät samanlaista järjestelmää vedenhukan vähentämiseksi kuin sen versot. Lehdet estävät veden haihtumisen kuivuuden aikana sulkemalla niiden pinnoilla olevia mikrohuokosia, joita kutsutaan stomataiksi. ABA-hormoni laukaisee myös avaimen sulkeutumisen. Samoin juurissa ABA vähenee veden menetys sulkemalla nanohuokoset, joita kutsutaan plasmodesmaiksi ja jotka yhdistävät jokaisen juurisolun yhteen.
Tomaatin, taalikrassin, maissin, vehnän ja ohran juuret reagoivat kosteuteen tällä tavalla, vaikka ne kehittyvät eri maaperässä ja ilmastossa. Esimerkiksi, tomaatit ovat peräisin Etelä-Amerikan autiomaasta, kun taas thale krassi tulee Keski-Aasian lauhkealta alueelta. Tämä viittaa siihen, että kserohaarautuminen on yleinen piirre kukkivissa kasveissa, jotka ovat yli 200 miljoonaa vuotta nuorempia kuin ei-kukkivat kasvit, kuten saniaiset.
Saniaisten, varhain kehittyvien maakasvien, juuret eivät reagoi veteen tällä tavalla. Niiden juuret kasvavat tasaisemmin. Tämä viittaa siihen, että kukkivat lajit sopeutuvat paremmin vesi stressiä kuin aikaisemmat maakasvit, kuten saniaiset.
Kukkivat kasvit voivat kolonisoida laajemman valikoiman ekosysteemejä ja ympäristöjä kuin ei-kukkivat lajit. Kun otetaan huomioon nopeat muutokset sademäärissä eri puolilla maailmaa, kyky kasvit tuntea ja sopeutua monenlaisiin maaperän kosteusolosuhteisiin on nyt tärkeämpää kuin koskaan.