Planter har koloniserede langt de fleste af jordens overflade. Så hvad er nøglen til deres succes?
Folk tænker ofte på planter som simple, meningsløse livsformer. De lever måske forankret ét sted, men jo mere videnskabsmænd lærer om planter, jo mere komplekse og lydhøre vi ved, at de er. De er fremragende til at tilpasse sig lokale forhold. Planter er specialister, der får mest muligt ud af det, der er tæt på, hvor de spirer.
At lære om plantelivets forviklinger handler om mere end at inspirere mennesker til undren. At studere planter handler også om at sikre sig vi kan stadig dyrke afgrøder i fremtiden, da klimaforandringerne gør vores vejr mere og mere ekstremt.
Miljøsignaler former planters vækst og udvikling. For eksempel bruger mange planter dagslængde som stikord at udløse blomstring. Den skjulte halvdel af planter, rødderne, bruger også tegn fra deres omgivelser for at sikre, at deres form er optimeret til at fouragere efter vand og næringsstoffer.
Rødder beskytter deres planter mod stress såsom tørke ved at tilpasse deres form (forgrening for at øge deres overfladearealfor eksempel) for at finde mere vand. Men indtil for nylig forstod vi ikke, hvordan rødder fornemmer, om der er vand tilgængeligt i den omgivende jord.
Vand er det vigtigste molekyle på Jorden. For meget eller for lidt kan ødelægge et økosystem. De ødelæggende virkninger af klimaændringer (som for nylig set i Europa og Østafrika) gør sig gældende både oversvømmelser og tørke er mere almindelige. Da klima forandring is lave nedbørsmønstre stadig mere uberegnelig, lærer, hvordan planter reagerer på vandmangel er afgørende for at gøre afgrøder mere modstandsdygtige.
Vores team af plante- og jordforskere og matematikere for nylig opdaget hvordan planterødder tilpasse deres form for at maksimere vandoptagelsen. Rødder forgrener sig normalt vandret. Men de stopper forgrening, når de mister kontakt med vand (såsom vokser gennem et luftfyldt hul i jorden), og rødder genoptager først forgrening, når de igen forbindes med fugtig jord.
Vores team fandt ud af, at planter bruger et system kaldet hydrosignalering at styre, hvor rødder forgrener sig som svar på vand tilgængelighed i jorden.
Hydrosignalering er måden, hvorpå planter fornemmer, hvor vand er, ikke ved at måle fugtniveauer direkte, men ved at registrere andre opløselige molekyler, der bevæger sig med vandet i planter. Dette er kun muligt, fordi (i modsætning til dyreceller) planteceller er forbundet med hinanden ved små porer.
Disse porer gør det muligt for vand og små opløselige molekyler (inklusive hormoner) at bevæge sig sammen mellem dem rod celler og væv. Når vand optages af planteroden, bevæger det sig gennem de yderste epidermale celler.
De ydre rodceller indeholder også en hormon, der fremmer forgrening kaldet auxin. Vandoptagelse udløser forgrening ved at mobilisere auxin indad til det indre rodvæv. Når vand ikke længere er tilgængeligt eksternt, f.eks. når en rod vokser gennem et luftfyldt hul, har rodspidsen stadig brug for vand for at vokse.
Så når rødder ikke kan suge vand fra jorden, må de stole på vand fra deres egne årer dybt inde i roden. Dette ændrer vandets bevægelsesretning, så det nu bevæger sig udad, hvilket forstyrrer strømmen af forgreningshormonet auxin.
Planten laver også en anti-forgrenende hormon kaldet ABA i dens rodårer. ABA bevæger sig også med vandstrømmen i modsat retning af auxin. Så når rødderne trækker ned på vand fra planternes årer, trækker rødderne også det anti-forgrenende hormon mod sig selv.
ABA stopper rodforgrening ved at lukke alle de små porer, der forbinder rodceller - lidt ligesom sprængningsdøre på et skib. Dette forsegler rodceller fra hinanden og forhindrer auxin i at bevæge sig frit med vand, hvilket blokerer rodforgrening. Dette enkle system giver planterødder mulighed for at finjustere deres form til lokale vandforhold. Det er kaldet xerobranching (udtales nulforgrening).
Vores undersøgelse fandt også, at en plantes rødder bruger et lignende system til at reducere vandtab som dens skud. Blade stopper vandtab under tørkeforhold ved at lukke mikroporer kaldet stomata på deres overflader. Stomatalukning udløses også af ABA-hormonet. Tilsvarende reducerer ABA i rødder vandtab ved at lukke nano-porer kaldet plasmodesmata, der forbinder hver rodcelle sammen.
Rødder fra tomat, thalekarse, majs, hvede og byg reagerer alle på fugt på denne måde, på trods af at de udvikler sig i forskellige jorde og klimaer. For eksempel, tomater stammer fra en sydamerikansk ørken, mens thale karse kommer fra centralasiatiske tempererede områder. Dette tyder på, at xerobranching er et almindeligt træk hos blomstrende planter, som er over 200 millioner år yngre end ikke-blomstrende planter såsom bregner.
Rødder fra bregner, en landplanteart i tidlig udvikling, reagerer ikke på vand på denne måde. Deres rødder vokser mere ensartet. Dette tyder på, at blomstrende arter er bedre til at tilpasse sig vand stress end tidligere landplanter som bregner.
Blomstrende planter kan kolonisere en bredere vifte af økosystemer og miljøer end ikke-blomstrende arter. I betragtning af de hurtige ændringer i nedbørsmønstre over hele kloden, er evnen til planter at mærke og tilpasse sig en bred vifte af jordfugtighedsforhold er vigtigere nu end nogensinde.