Forskere fra University of California har opdaget genetiske data, der vil hjælpe fødevareafgrøder som tomater og ris med at overleve længere, mere intense tørkeperioder på vores opvarmende planet.
I løbet af det sidste årti forsøgte forskerholdet at skabe et molekylært atlas over afgrøderødder, hvor planter først opdager virkningerne af tørke og andre miljøtrusler. Derved afslørede de gener, som videnskabsmænd kan bruge til at beskytte planterne mod disse belastninger. Deres arbejde, offentliggjort 20. maj i tidsskriftet Cell, opnåede en høj grad af forståelse af rodfunktionerne, fordi den kombinerede genetiske data fra forskellige celler af tomatrødder dyrket både indendørs og udendørs.
"Ofte laver forskere laboratorie- og drivhuseksperimenter, men landmænd dyrker ting i marken, og disse data ser også på markprøver," sagde Neelima Sinha, en UC Davis professor i plantebiologi og papirets medforfatter. Dataene gav information om gener, der fortæller planten at lave tre vigtige ting.
Xylem er hule, rørlignende kar, der transporterer vand og næringsstoffer fra rødderne og helt op til skuddene. Uden transport i xylem kan planten ikke skabe sin egen føde via fotosyntese. "Xylem er meget vigtigt for at støtte planter mod tørke samt salt og andre belastninger," sagde hovedforfatter af undersøgelsen Siobhan Brady, professor i plantebiologi ved UC Davis.
Til gengæld ville mennesker og andre dyr uden plantemineraltransport i xylem have færre vitaminer og næringsstoffer, der er nødvendige for vores overlevelse. Ud over nogle typiske spillere, der er nødvendige for at danne xylem, blev der fundet nye og overraskende gener.
Det andet nøglesæt af gener er dem, der leder et ydre lag af roden til at producere lignin og suberin. Suberin er nøglestoffet i kork, og det omgiver planteceller i et tykt lag, der holder vandet under tørke. Afgrøder som tomater og ris har suberin i rødderne. Æblefrugter har suberin omkring deres ydre celler. Uanset hvor det forekommer, forhindrer det planten i at miste vand. Lignin vandtætter også celler og giver mekanisk støtte.
"Suberin og lignin er naturlige former for tørkebeskyttelse, og nu hvor generne, der koder for dem i dette meget specifikke lag af celler, er blevet identificeret, kan disse forbindelser forbedres," sagde studie medforfatter Julia Bailey-Serres, en UC Riverside professor i genetik. "Jeg er glad for, at vi har lært så meget om generne, der regulerer dette fugtbarrierelag. Det er så vigtigt for at kunne forbedre tørketolerancen for afgrøder,” sagde hun.
Gener, der koder for en plantes rodmeristem, viste sig også at være bemærkelsesværdigt ens mellem tomat, ris og Arabidopsis, en ukrudtslignende modelplante. Meristemet er den voksende spids af hver rod, og det er kilden til alle de celler, der udgør roden.
"Det er regionen, der kommer til at lave resten af roden, og fungerer som dens stamcelle-niche," sagde Bailey-Serres. »Det dikterer røddernes egenskaber, såsom hvor store de bliver. At have viden om det kan hjælpe os med at udvikle bedre rodsystemer."
Brady forklarede, at når landmænd er interesserede i en bestemt afgrøde, vælger de planter, der har funktioner, de kan se, såsom større, mere attraktive frugter. Meget sværere er det for forædlere at udvælge planter med egenskaber under jorden, de ikke kan se.
"Den 'skjulte halvdel' af en plante, under jorden, er afgørende for forædlere at overveje, om de ønsker at dyrke en plante med succes," sagde Brady. "At være i stand til at ændre meristem af en plantes rødder vil hjælpe os med at konstruere afgrøder med mere ønskværdige egenskaber."
Selvom denne undersøgelse kun analyserede tre planter, mener holdet, at resultaterne kan anvendes mere bredt. "Tomat og ris er adskilt af mere end 125 millioner års evolution, men vi ser stadig ligheder mellem de gener, der styrer nøglekarakteristika," sagde Bailey-Serres. "Det er sandsynligt, at disse ligheder også gælder for andre afgrøder."