Plöntur hafa nýlendu yfirgnæfandi meirihluta af yfirborði jarðar. Svo hver er lykillinn að velgengni þeirra?
Fólk hugsar oft um plöntur sem einföld, tilgangslaus lífsform. Þeir búa kannski á einum stað, en því meira sem vísindamenn læra um plöntur, því flóknari og móttækilegri við gerum okkur grein fyrir að þeir eru það. Þeir eru frábærir í að laga sig að staðbundnum aðstæðum. Plöntur eru sérfræðingar og nýta það sem er nálægt því þar sem þær spíra.
Að læra um ranghala plöntulífs snýst þó um meira en að hvetja fólk til undrunar. Að læra plöntur snýst líka um að vera viss við getum enn ræktað uppskeru í framtíðinni þar sem loftslagsbreytingar gera veður okkar sífellt öfgakenndara.
Umhverfismerki móta vöxt og þroska plantna. Til dæmis nota margar plöntur dagslengd sem merki til að koma af stað flóru. Falinn helmingur plantna, ræturnar, notar einnig merki frá umhverfi sínu til að tryggja að lögun þeirra sé fínstillt til að leita að vatni og næringarefnum.
Rætur vernda plöntur sínar fyrir álagi eins og þurrka með því að laga lögun þeirra (greinir til að auka þær yfirborðssvæðitd) til að finna meira vatn. En þar til nýlega skildum við ekki hvernig rætur skynja hvort vatn sé til í nærliggjandi jarðvegi.
Vatn er mikilvægasta sameind jarðar. Of mikið eða of lítið getur eyðilagt vistkerfi. Hrikaleg áhrif loftslagsbreytinga (eins og nýlega sést í Evrópu og austur Afríku) eru að gera bæði flóð og þurrkar algengari. Síðan loftslagsbreytingar is gera úrkomumynstur sífellt óreglulegri, læra hvernig plöntur bregðast við vatnsskortur er lífsnauðsynlegt til að gera uppskeruna seigurri.
Lið okkar plöntu- og jarðvegsfræðinga og stærðfræðinga nýlega uppgötvað hvernig plönturætur aðlaga lögun sína til að hámarka vatnsupptöku. Rætur kvíslast venjulega lárétt. En þeir gera hlé á greiningu þegar þeir missa snertingu við vatn (svo sem að vaxa í gegnum loftfyllt skarð í jarðvegi) og rætur byrja aðeins að greinast aftur þegar þær tengjast aftur raka jarðvegi.
Lið okkar komst að því að plöntur nota kerfi sem kallast vatnsmerki að stjórna hvar rætur kvíslast til að bregðast við vatnsframboð í moldinni.
Vatnsmerki er hvernig plöntur skynja hvar vatn er, ekki með því að mæla rakastig beint heldur með því að skynja aðrar leysanlegar sameindir sem hreyfast með vatninu í plöntum. Þetta er aðeins mögulegt vegna þess að (ólíkt dýrafrumur) plöntufrumur tengjast hver annarri með litlum svitaholum.
Þessar svitaholur gera vatni og litlum leysanlegum sameindum (þar á meðal hormónum) kleift að fara saman á milli rót frumur og vefir. Þegar vatn er tekið upp af plönturótinni berst það í gegnum ystu húðþekjufrumur.
Ytri rótarfrumurnar innihalda einnig a hormón sem stuðlar að greiningu sem kallast auxin. Vatnsupptaka kemur af stað greiningu með því að virkja auxín inn á við í innri rótvef. Þegar vatn er ekki lengur fáanlegt að utan, segjum að þegar rót vex í gegnum loftfyllt bil, þarf rótaroddurinn enn vatn til að vaxa.
Þannig að þegar rætur geta ekki tekið við vatni úr jarðvegi verða þær að reiða sig á vatn úr eigin æðum djúpt inni í rótinni. Þetta breytir stefnu vatnshreyfingar, sem gerir það að verkum að það hreyfist nú út á við, sem truflar flæði kvíslhormónsins auxíns.
Álverið gerir einnig an hormón gegn greiningu sem kallast ABA í rótaræðum þess. ABA hreyfist líka með vatnsrennsli, í gagnstæða átt við auxín. Þannig að þegar ræturnar dragast niður á vatni úr æðum plantnanna, draga ræturnar líka hormónið gegn greiningu að sér.
ABA stöðvar rótargrein með því að loka öllum litlu svitaholunum sem tengja rótarfrumur - svolítið eins og sprengihurðir á skipi. Þetta lokar rótarfrumum hver frá annarri og kemur í veg fyrir að auxín hreyfist frjálslega með vatni og hindrar greiningu rótanna. Þetta einfalda kerfi gerir plönturótum kleift að fínstilla lögun sína að staðbundnum vatnsskilyrðum. Það er kallast xerobranching (áberandi núllgreinar).
Rannsókn okkar leiddi einnig í ljós að rætur plantna nota svipað kerfi til að draga úr vatnstapi og sprotar hennar. Blöð stöðva vatnstap við þurrka með því að loka örholum sem kallast munnhol á yfirborði þeirra. Lokun munnhola er einnig kveikt af ABA hormóninu. Á sama hátt, í rótum ABA minnkar vatnstap með því að loka nanóholum sem kallast plasmodesmata sem tengja hverja rótarfrumu saman.
Rætur úr tómötum, þalkarsa, maís, hveiti og byggi bregðast allar við raka á þennan hátt, þrátt fyrir að þróast í mismunandi jarðvegi og loftslagi. Til dæmis, tómatar eru upprunnar í suður-amerískri eyðimörk, en þalkarsa kemur frá tempruðum svæðum í Mið-Asíu. Þetta bendir til þess að útbreiðsla sé algengur eiginleiki í blómstrandi plöntum, sem eru yfir 200 milljón árum yngri en ekki blómstrandi plöntur eins og ferns.
Rætur frá fernum, landplöntutegund sem er snemma í þróun, bregðast ekki við vatni á þennan hátt. Rætur þeirra vaxa jafnari. Þetta bendir til þess að blómstrandi tegundir séu betri í að laga sig að vatn streitu en fyrri landplöntur eins og ferns.
Blómstrandi plöntur geta tekið upp fjölbreyttari vistkerfi og umhverfi en tegundir sem ekki blómstra. Í ljósi örra breytinga á úrkomumynstri um allan heim, getur getu plöntur að skynja og laga sig að margvíslegum aðstæðum í jarðvegi er mikilvægara nú en nokkru sinni fyrr.