พืชมี ตกเป็นอาณานิคมของคนส่วนใหญ่ ของพื้นผิวโลก แล้วอะไรคือกุญแจสู่ความสำเร็จของพวกเขา?
ผู้คนมักคิดว่าพืชเป็นรูปแบบชีวิตที่เรียบง่ายและไร้เหตุผล พวกมันอาจอาศัยอยู่ที่รากในที่เดียว แต่ยิ่งนักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เกี่ยวกับพืชมากเท่าไร ยิ่งซับซ้อนและตอบสนอง เราตระหนักดีว่าพวกเขาเป็น พวกมันปรับตัวเข้ากับสภาพท้องถิ่นได้ดีเยี่ยม พืชเป็นผู้เชี่ยวชาญ ใช้ประโยชน์สูงสุดจากสิ่งที่อยู่ใกล้กับจุดที่มันงอก
การเรียนรู้เกี่ยวกับความซับซ้อนของชีวิตพืชเป็นมากกว่าการสร้างแรงบันดาลใจให้กับผู้คน การศึกษาพืชเป็นเรื่องเกี่ยวกับการตรวจสอบ เรายังปลูกพืชได้ ในอนาคตเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศทำให้สภาพอากาศของเรารุนแรงขึ้น
สัญญาณสิ่งแวดล้อมเป็นตัวกำหนดการเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืช ตัวอย่างเช่นพืชหลายชนิดใช้ ความยาววันเป็นคิว เพื่อกระตุ้นการออกดอก รากของพืชที่ซ่อนอยู่ครึ่งหนึ่งยังใช้สัญญาณจากสภาพแวดล้อมเพื่อให้แน่ใจว่ารูปร่างของมันเหมาะสมที่สุดสำหรับการหาน้ำและสารอาหาร
รากปกป้องพืชจากความเครียด เช่น ความแห้งแล้ง โดยการปรับรูปร่าง (แตกกิ่งเพื่อเพิ่ม พื้นที่ผิวตัวอย่างเช่น) เพื่อหาน้ำเพิ่ม แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ เราไม่เข้าใจว่ารากรับรู้ได้อย่างไรว่ามีน้ำอยู่ในดินโดยรอบหรือไม่
น้ำเป็นโมเลกุลที่สำคัญที่สุดบนโลก มากเกินไปหรือน้อยเกินไปสามารถทำลายระบบนิเวศได้ ผลกระทบร้ายแรงจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (อย่างที่เห็นในยุโรปและแอฟริกาตะวันออกเมื่อเร็วๆ นี้) กำลังก่อตัวขึ้น ทั้งน้ำท่วมและน้ำแล้งมากขึ้น. ตั้งแต่ อากาศเปลี่ยนแปลง is ทำรูปแบบปริมาณน้ำฝน เอาแน่เอานอนไม่ได้มากขึ้น เรียนรู้ว่าพืชตอบสนองอย่างไร ปัญหาการขาดแคลนน้ำ มีความสำคัญต่อการทำให้พืชผลมีความยืดหยุ่นมากขึ้น
ทีมนักวิทยาศาสตร์ด้านพืชและดินและนักคณิตศาสตร์ของเรา เพิ่งค้นพบ อย่างไร รากพืช ปรับรูปร่างเพื่อเพิ่มการดูดซึมน้ำสูงสุด รากมักจะแตกแขนงในแนวนอน แต่จะหยุดการแตกแขนงชั่วคราวเมื่อขาดการสัมผัสกับน้ำ (เช่น การเจริญเติบโตผ่านช่องว่างที่มีอากาศอยู่ในดิน) และรากจะกลับมาแตกแขนงอีกครั้งเมื่อเชื่อมต่อกับดินชื้นอีกครั้ง
ทีมงานของเราพบว่าพืชใช้ระบบที่เรียกว่า ไฮโดรซิกแนลลิ่ง เพื่อจัดการที่รากแตกแขนงเพื่อตอบสนอง ความพร้อมของน้ำ ในดิน
Hydrosignalling เป็นวิธีที่พืชรับรู้ได้ว่าน้ำอยู่ที่ไหน ไม่ใช่โดยการวัดระดับความชื้นโดยตรง แต่โดยการตรวจจับโมเลกุลที่ละลายน้ำได้อื่นๆ ที่เคลื่อนที่ไปกับน้ำภายในพืช สิ่งนี้เป็นไปได้เพราะ (ไม่เหมือน เซลล์สัตว์) เซลล์พืชเชื่อมต่อกัน ตามรูขุมขนเล็กๆ.
รูพรุนเหล่านี้ช่วยให้น้ำและโมเลกุลขนาดเล็กที่ละลายน้ำได้ (รวมถึงฮอร์โมน) สามารถเคลื่อนที่ไปด้วยกันได้ ราก เซลล์และเนื้อเยื่อ เมื่อรากพืชดูดน้ำ น้ำจะเดินทางผ่านเซลล์ผิวหนังชั้นนอกสุด
เซลล์รากชั้นนอกประกอบด้วย ฮอร์โมนที่ส่งเสริมการแตกแขนงที่เรียกว่าออกซิน. การดูดซับน้ำทำให้เกิดการแตกแขนงโดยการระดมออกซินเข้าสู่เนื้อเยื่อรากด้านใน เมื่อไม่มีน้ำจากภายนอกอีกต่อไป เช่น เมื่อรากงอกผ่านช่องว่างที่มีอากาศอยู่ ปลายรากก็ยังต้องการน้ำเพื่อเติบโต
ดังนั้นเมื่อรากไม่สามารถดูดน้ำจากดินได้ ก็ต้องอาศัยน้ำจากเส้นเลือดของพวกมันเองที่อยู่ลึกลงไปในราก สิ่งนี้เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของน้ำ ทำให้ตอนนี้มันเคลื่อนที่ออกไปด้านนอก ซึ่งขัดขวางการไหลของฮอร์โมนที่แตกกิ่งออกซิน
โรงงานแห่งนี้ยังทำให้ ฮอร์โมนต่อต้านการแตกแขนงที่เรียกว่า ABA ในหลอดเลือดดำของราก ABA เคลื่อนที่ตามการไหลของน้ำเช่นกัน ในทิศทางตรงกันข้ามกับออกซิน ดังนั้นเมื่อรากดูดน้ำจากเส้นเลือดของพืช รากก็จะดึงฮอร์โมนต้านการแตกแขนงเข้าหาตัวเองด้วย
ABA หยุดการแตกแขนงของรูตโดยการปิดรูพรุนเล็กๆ ทั้งหมดที่เชื่อมต่อรูทเซลล์—คล้ายกับประตูระเบิดบนเรือ สิ่งนี้จะผนึกเซลล์รากออกจากกันและหยุดออกซินที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระด้วยน้ำ ปิดกั้นการแตกแขนงของราก ระบบที่เรียบง่ายนี้ช่วยให้รากพืชสามารถปรับรูปร่างให้เข้ากับสภาพน้ำในท้องถิ่นได้ มันคือ เรียกว่า xerobranching (ออกเสียงเป็นศูนย์)
การศึกษาของเรายังพบว่ารากของพืชใช้ระบบที่คล้ายกันเพื่อลดการสูญเสียน้ำเมื่อแตกยอด ใบหยุดการสูญเสียน้ำ ในช่วงฤดูแล้งโดยการปิดรูพรุนขนาดเล็กที่เรียกว่าปากใบบนพื้นผิวของมัน การปิดปากใบยังกระตุ้นโดยฮอร์โมน ABA ในทำนองเดียวกัน ABA จะลดลงในราก การสูญเสียน้ำ โดยการปิดรูพรุนระดับนาโนที่เรียกว่า พลาสโมเดสมาตา ซึ่งเชื่อมโยงทุกเซลล์รากเข้าด้วยกัน
รากของมะเขือเทศ สาหร่ายเกลียวทอง ข้าวโพด ข้าวสาลี และข้าวบาร์เลย์ล้วนตอบสนองต่อความชื้นด้วยวิธีนี้ แม้ว่าจะเติบโตในดินและสภาพอากาศที่แตกต่างกันก็ตาม ตัวอย่างเช่น, มะเขือเทศมีถิ่นกำเนิดในทะเลทรายอเมริกาใต้, ในขณะที่ ทะเลเครส มาจากเขตอบอุ่นของเอเชียกลาง สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าการแตกกิ่งก้านสาขาเป็นลักษณะทั่วไปในพืชมีดอกซึ่งมีอายุน้อยกว่าพืชไม่มีดอกเช่นเฟิร์นกว่า 200 ล้านปี
รากจากเฟิร์นซึ่งเป็นพืชบกที่วิวัฒนาการในระยะแรกไม่ตอบสนองต่อน้ำด้วยวิธีนี้ รากของพวกมันเติบโตอย่างสม่ำเสมอ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าสายพันธุ์ที่ออกดอกนั้นปรับตัวได้ดีกว่า น้ำ เครียดกว่าพืชบกยุคก่อนเช่นเฟิน
พืชมีดอกสามารถตั้งรกรากในระบบนิเวศและสภาพแวดล้อมได้หลากหลายกว่าชนิดที่ไม่มีดอก จากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของรูปแบบปริมาณน้ำฝนทั่วโลก ความสามารถของ พืช การรับรู้และปรับให้เข้ากับสภาพความชื้นในดินที่หลากหลายมีความสำคัญมากกว่าที่เคย