植物有 殖民了絕大多數 地球表面。那麼他們成功的關鍵是什麼?
人們通常認為植物是簡單、無意義的生命形式。它們可能紮根於一個地方,但科學家對植物了解得越多, 越複雜、反應越靈敏 我們意識到他們是。他們非常善於因地制宜。植物是專家,充分利用它們發芽地附近的資源。
了解植物生命的複雜性不僅僅是激發人們的好奇心。研究植物還在確保 我們仍然可以種植農作物 未來,隨著氣候變遷使我們的天氣變得越來越極端。
環境訊號塑造植物的生長和發育。例如,許多植物使用 以白天長度為線索 以觸髮開花。植物隱藏的一半,即根部,也利用周圍環境的訊號來確保其形狀得到最佳化,以獲取水分和養分。
根部透過調整其形狀(分枝以增加其根部)來保護植物免受乾旱等壓力 表面積,例如)尋找更多的水。但直到最近,我們還不明白根系如何感知周圍土壤中是否有水。
水是地球上最重要的分子。太多或太少都會破壞生態系統。氣候變遷的破壞性影響(正如最近在歐洲和東非所看到的那樣)正在使 洪水和乾旱都比較常見。 以來 氣候變化 is 製作降雨模式 越來越不穩定,學習植物如何反應 缺水 對於提高作物的抗逆能力至關重要。
我們的植物和土壤科學家和數學家團隊 最近發現 如何 植物根 調整它們的形狀以最大限度地吸收水分。根通常水平分枝。但是,當它們失去與水的接觸時(例如透過土壤中充滿空氣的間隙生長),它們會停止分枝,並且根只有在與潮濕的土壤重新連接後才會恢復分枝。
我們的團隊發現植物使用一個稱為 水文訊號傳輸 管理根部分支的回應 水供應 在土壤中。
水訊號傳遞是植物感知水所在位置的方式,不是透過直接測量濕度水平,而是透過感知植物內隨水移動的其他可溶性分子。這是可能的,因為(與 動物細胞)植物細胞彼此相連 通過小毛孔.
這些孔隙使水和可溶性小分子(包括荷爾蒙)能夠在細胞之間一起移動。 根 細胞和組織。當水被植物根部吸收時,它會穿過最外層的表皮細胞。
外根細胞還含有 促進分支的荷爾蒙稱為生長素。吸水透過向內根組織動員生長素來觸發分枝。當外部不再有水時,例如當根通過充滿空氣的間隙生長時,根尖仍然需要水才能生長。
因此,當根部無法從土壤中吸收水分時,它們必須依靠根部深處自己的靜脈中的水分。這改變了水運動的方向,使其向外移動,從而擾亂了分支激素生長素的流動。
該工廠也生產 抗分支激素 ABA 在其根脈中。 ABA 也會隨著水流移動,與生長素的方向相反。因此,當根部從植物的靜脈吸取水分時,根部也會將抗分枝激素吸向自己。
ABA 透過關閉所有連接根細胞的小孔來阻止根分枝——有點像船上的防爆門。這將根細胞彼此隔離,並阻止生長素隨水自由移動,阻止根分枝。這個簡單的系統允許植物根部根據當地的水條件微調其形狀。它是 稱為乾燥分支 (發音為零分支)。
我們的研究還發現,植物的根部使用與芽相似的系統來減少水分流失。 葉子阻止水分流失 在乾旱條件下,透過關閉其表面稱為氣孔的微孔。氣孔關閉也是由 ABA 激素觸發的。同樣,在根中 ABA 減少 失水 透過關閉稱為胞間連絲的奈米孔,將每個根細胞連接在一起。
番茄、擬南芥、玉米、小麥和大麥的根都會以這種方式對水分做出反應,儘管它們在不同的土壤和氣候中進化。例如, 番茄起源於南美洲沙漠,而 擬南芥 來自中亞溫帶地區。這顯示異分枝是開花植物的常見特徵,開花植物比蕨類植物等非開花植物年輕 200 億年以上。
蕨類植物是一種早期進化的陸地植物,其根不會以這種方式對水做出反應。它們的根生長得更均勻。這顯示開花物種更能適應 水 比早期的陸地植物(如蕨類植物)承受更大的壓力。
與非開花植物相比,開花植物可以在更廣泛的生態系統和環境中定居。鑑於全球降雨模式的快速變化, 植物 感知和適應各種土壤濕度條件現在比以往任何時候都更重要。