Thực vật có thuộc địa hóa phần lớn của bề mặt Trái đất. Vậy bí quyết thành công của họ là gì?
Mọi người thường nghĩ thực vật là những dạng sống đơn giản, vô tri. Chúng có thể sống bám rễ ở một nơi, nhưng càng có nhiều nhà khoa học tìm hiểu về thực vật, càng phức tạp và phản ứng nhanh chúng tôi nhận ra họ là như vậy. Họ rất giỏi trong việc thích nghi với điều kiện địa phương. Thực vật là những chuyên gia, tận dụng tối đa những gì ở gần nơi chúng nảy mầm.
Tuy nhiên, việc tìm hiểu về sự phức tạp của đời sống thực vật không chỉ là truyền cảm hứng cho con người về sự ngạc nhiên. Nghiên cứu thực vật cũng nhằm đảm bảo chúng ta vẫn có thể trồng trọt trong tương lai khi biến đổi khí hậu khiến thời tiết của chúng ta ngày càng khắc nghiệt.
Các tín hiệu môi trường quyết định sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Ví dụ, nhiều nhà máy sử dụng độ dài ngày làm dấu hiệu để kích hoạt sự ra hoa. Nửa ẩn của thực vật, tức là rễ, cũng sử dụng các tín hiệu từ môi trường xung quanh để đảm bảo hình dạng của chúng được tối ưu hóa để tìm kiếm nước và chất dinh dưỡng.
Rễ bảo vệ cây khỏi những căng thẳng như hạn hán bằng cách thích nghi với hình dạng của chúng (phân nhánh để tăng khả năng sinh trưởng). diện tích bề mặt, chẳng hạn) để tìm thêm nước. Nhưng cho đến gần đây, chúng ta vẫn chưa hiểu được rễ cây cảm nhận như thế nào khi đất xung quanh có nước.
Nước là phân tử quan trọng nhất trên Trái đất. Quá nhiều hoặc quá ít đều có thể phá hủy một hệ sinh thái. Tác động tàn khốc của biến đổi khí hậu (như đã thấy gần đây ở Châu Âu và Đông Phi) đang khiến lũ lụt và hạn hán xảy ra thường xuyên hơn. Kể từ biến đổi khí hậu is tạo mô hình lượng mưa ngày càng thất thường, tìm hiểu cách thực vật phản ứng với thiếu nước là rất quan trọng để làm cho cây trồng có khả năng phục hồi tốt hơn.
Đội ngũ các nhà khoa học và nhà toán học về cây trồng và đất đai của chúng tôi Mới phát hiện ra làm thế nào rễ thực vật điều chỉnh hình dạng của chúng để tối đa hóa sự hấp thụ nước. Rễ thường phân nhánh theo chiều ngang. Nhưng chúng tạm dừng phân nhánh khi mất tiếp xúc với nước (chẳng hạn như phát triển qua khoảng trống chứa đầy không khí trong đất) và rễ chỉ tiếp tục phân nhánh khi chúng kết nối lại với đất ẩm.
Nhóm của chúng tôi phát hiện ra rằng thực vật sử dụng một hệ thống gọi là truyền tín hiệu thủy lực để quản lý nơi rễ nhánh để đáp ứng nước có sẵn trong đất
Tín hiệu thủy lực là cách thực vật cảm nhận được vị trí của nước, không phải bằng cách đo trực tiếp độ ẩm mà bằng cách cảm nhận các phân tử hòa tan khác di chuyển cùng với nước trong thực vật. Điều này chỉ có thể thực hiện được bởi vì (không giống như tế bào động vật) tế bào thực vật được kết nối với nhau bởi lỗ chân lông nhỏ.
Những lỗ chân lông này cho phép nước và các phân tử nhỏ hòa tan (bao gồm cả hormone) di chuyển cùng nhau giữa nguồn gốc tế bào và mô. Khi rễ cây hấp thụ nước, nó sẽ di chuyển qua các tế bào biểu bì ngoài cùng.
Các tế bào rễ bên ngoài cũng chứa hormone thúc đẩy sự phân nhánh gọi là auxin. Sự hấp thụ nước kích hoạt sự phân nhánh bằng cách huy động auxin vào bên trong các mô rễ. Khi không còn nước ở bên ngoài, chẳng hạn như khi rễ mọc qua khe hở chứa đầy không khí, chóp rễ vẫn cần nước để phát triển.
Vì vậy, khi rễ cây không thể lấy nước từ đất, chúng phải dựa vào nước từ các mạch máu nằm sâu bên trong rễ. Điều này làm thay đổi hướng chuyển động của nước, khiến nó di chuyển ra ngoài, làm gián đoạn dòng chảy của hormone phân nhánh auxin.
Nhà máy cũng tạo ra một hormone chống phân nhánh gọi là ABA trong tĩnh mạch rễ của nó. ABA cũng di chuyển theo dòng nước, ngược hướng với auxin. Vì vậy, khi rễ hút nước từ gân cây xuống, rễ cũng hút hormone chống phân nhánh về phía mình.
ABA ngăn chặn sự phân nhánh của rễ bằng cách đóng tất cả các lỗ nhỏ kết nối các tế bào rễ—giống như cửa nổ trên một con tàu. Điều này làm kín các tế bào rễ khỏi nhau và ngăn auxin di chuyển tự do với nước, ngăn chặn sự phân nhánh của rễ. Hệ thống đơn giản này cho phép rễ cây điều chỉnh hình dạng phù hợp với điều kiện nước địa phương. Của nó gọi là xerobranching (phát âm là zerobranching).
Nghiên cứu của chúng tôi cũng phát hiện ra rằng rễ cây sử dụng một hệ thống tương tự để giảm sự mất nước như chồi của nó. Lá ngăn mất nước trong điều kiện khô hạn bằng cách đóng các lỗ siêu nhỏ gọi là khí khổng trên bề mặt của chúng. Việc đóng khí khổng cũng được kích hoạt bởi hormone ABA. Tương tự, ở rễ ABA làm giảm Mất nước bằng cách đóng các lỗ nano gọi là plasmodesmata liên kết mọi tế bào rễ lại với nhau.
Rễ của cà chua, cải xoong, ngô, lúa mì và lúa mạch đều phản ứng với độ ẩm theo cách này, mặc dù phát triển ở các loại đất và khí hậu khác nhau. Ví dụ, cà chua có nguồn gốc ở sa mạc Nam Mỹ, trong khi cải xoong đến từ vùng ôn đới Trung Á. Điều này cho thấy xerobbraching là một đặc điểm phổ biến ở thực vật có hoa, trẻ hơn 200 triệu năm so với thực vật không có hoa như dương xỉ.
Rễ của cây dương xỉ, một loài thực vật trên cạn phát triển sớm, không phản ứng với nước theo cách này. Rễ của chúng phát triển đồng đều hơn. Điều này cho thấy các loài có hoa thích nghi tốt hơn với nước căng thẳng hơn so với các loài thực vật trên cạn trước đó như dương xỉ.
Thực vật có hoa có thể xâm chiếm phạm vi hệ sinh thái và môi trường rộng hơn so với các loài không có hoa. Với những thay đổi nhanh chóng về lượng mưa trên toàn cầu, khả năng nhà máy Hiện nay, việc cảm nhận và thích ứng với nhiều điều kiện độ ẩm của đất trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.