النباتات لها استعمرت الغالبية العظمى من سطح الأرض. إذن ما هو مفتاح نجاحهم؟
غالبًا ما يفكر الناس في النباتات على أنها أشكال حياة بسيطة لا معنى لها. قد يعيشون متجذرين في مكان واحد ، ولكن كلما تعلم العلماء أكثر عن النباتات ، الأكثر تعقيدًا واستجابة نحن ندرك أنهم كذلك. إنها ممتازة في التكيف مع الظروف المحلية. النباتات متخصصة في تحقيق أقصى استفادة مما هو قريب من حيث تنبت.
إن التعرف على تعقيدات الحياة النباتية هو أكثر من مجرد إلهام العجائب لدى الناس. دراسة النباتات تتعلق أيضًا بالتأكد لا يزال بإمكاننا زراعة المحاصيل في المستقبل حيث يؤدي تغير المناخ إلى زيادة قسوة الطقس.
تشكل الإشارات البيئية نمو النباتات وتطورها. على سبيل المثال ، تستخدم العديد من النباتات طول اليوم كإشارة لتحفيز الإزهار. يستخدم النصف المخفي للنباتات ، الجذور ، أيضًا علامات من محيطها لضمان تحسين شكلها لتغذية المياه والمغذيات.
تحمي الجذور نباتاتها من الضغوط مثل الجفاف عن طريق تكييف شكلها (المتفرعة لزيادة حجمها مساحة السطح، على سبيل المثال) للعثور على المزيد من الماء. لكن حتى وقت قريب ، لم نفهم كيف تشعر الجذور بوجود الماء في التربة المحيطة.
الماء هو أهم جزيء على وجه الأرض. الكثير أو القليل جدًا يمكن أن يدمر النظام البيئي. التأثير المدمر لتغير المناخ (كما شوهد مؤخرًا في أوروبا وشرق إفريقيا) يحدث كل من الفيضانات والجفاف أكثر شيوعًا. منذ تغير المناخ is صنع أنماط هطول الأمطار على نحو متزايد غير منتظم ، وتعلم كيفية استجابة النباتات نقص في المياه أمر حيوي لجعل المحاصيل أكثر مرونة.
فريقنا من علماء النبات والتربة وعلماء الرياضيات اكتشف مؤخرا كيف جذور النباتات تكييف شكلها لتعظيم امتصاص الماء. تتفرع الجذور عادة أفقيا. لكنها تتوقف مؤقتًا عن التفرع عندما تفقد الاتصال بالماء (مثل النمو من خلال فجوة مملوءة بالهواء في التربة) وتستأنف الجذور التفرع فقط بمجرد إعادة الاتصال بالتربة الرطبة.
وجد فريقنا أن النباتات تستخدم نظامًا يسمى الإشارة المائية لإدارة حيث تتفرع الجذور ردا على توافر المياه في التربة.
الإشارة المائية هي الطريقة التي تستشعر بها النباتات مكان وجود الماء ، ليس عن طريق قياس مستويات الرطوبة بشكل مباشر ولكن عن طريق استشعار الجزيئات القابلة للذوبان الأخرى التي تتحرك مع الماء داخل النباتات. هذا ممكن فقط لأن (على عكس الخلايا الحيوانية) ترتبط الخلايا النباتية ببعضها البعض بواسطة المسام الصغيرة.
تمكّن هذه المسام الماء والجزيئات الصغيرة القابلة للذوبان (بما في ذلك الهرمونات) من التحرك معًا جذر الخلايا والأنسجة. عندما يمتص جذر النبات الماء ، فإنه ينتقل عبر خلايا البشرة الخارجية.
تحتوي خلايا الجذر الخارجية أيضًا على ملف الهرمون الذي يشجع على التفرع يسمى أوكسين. يؤدي امتصاص الماء إلى التفرع عن طريق تحريك الأكسين إلى الداخل إلى أنسجة الجذر الداخلية. عندما لا يكون الماء متاحًا خارجيًا ، على سبيل المثال عندما ينمو الجذر من خلال فجوة مملوءة بالهواء ، فإن طرف الجذر لا يزال بحاجة إلى الماء لينمو.
لذلك عندما لا تستطيع الجذور امتصاص الماء من التربة ، يتعين عليها الاعتماد على الماء من عروقها في أعماق الجذور. يغير هذا اتجاه حركة الماء ، مما يجعله يتحرك الآن للخارج ، مما يعطل تدفق هرمون الأوكسين المتفرع.
المصنع أيضا يجعل هرمون مضاد للتفرع يسمى ABA في عروقها الجذرية. يتحرك ABA مع تدفق الماء أيضًا ، في الاتجاه المعاكس لـ auxin. لذلك عندما تتساقط الجذور على الماء من عروق النباتات ، تقوم الجذور أيضًا بجذب الهرمون المضاد للتفرع تجاه نفسها.
توقف ABA تفرع الجذر عن طريق إغلاق جميع المسام الصغيرة التي تربط الخلايا الجذرية - تشبه إلى حد ما أبواب الانفجار على متن السفينة. هذا يغلق الخلايا الجذرية من بعضها البعض ويوقف حركة الأكسين بحرية مع الماء ، مما يمنع تفرع الجذر. يسمح هذا النظام البسيط لجذور النباتات بضبط شكلها وفقًا لظروف المياه المحلية. إنه يسمى xerobranching (وضوحا zerobranching).
وجدت دراستنا أيضًا أن جذور النبات تستخدم نظامًا مشابهًا لتقليل فقد الماء مثل براعمها. توقف الأوراق عن فقدان الماء خلال ظروف الجفاف عن طريق إغلاق المسام الدقيقة التي تسمى الثغور على أسطحها. يتم أيضًا تشغيل إغلاق الثغور بواسطة هرمون ABA. وبالمثل ، في الجذور ينخفض ABA خسارة الماء عن طريق إغلاق المسام النانوية المسماة plasmodesmata التي تربط كل خلية جذر معًا.
تستجيب جذور الطماطم والرشاد والذرة والقمح والشعير للرطوبة بهذه الطريقة ، على الرغم من التطور في مختلف أنواع التربة والمناخات. علي سبيل المثال، نشأت الطماطم في صحراء أمريكا الجنوبية، بينما الرشاد يأتي من المناطق المعتدلة في آسيا الوسطى. يشير هذا إلى أن xerobranching هي سمة شائعة في النباتات المزهرة ، والتي يزيد عمرها عن 200 مليون سنة من النباتات غير المزهرة مثل السراخس.
لا تستجيب جذور السرخس ، وهي أحد أنواع النباتات البرية التي نشأت مبكرًا ، للماء بهذه الطريقة. تنمو جذورهم بشكل موحد. يشير هذا إلى أن الأنواع المزهرة أفضل في التكيف معها ماء الإجهاد من النباتات البرية السابقة مثل السرخس.
يمكن للنباتات المزهرة أن تستعمر مجموعة واسعة من النظم البيئية والبيئات أكثر من الأنواع غير المزهرة. نظرا للتغيرات السريعة في أنماط هطول الأمطار في جميع أنحاء العالم ، فإن قدرة النباتات للاستشعار والتكيف مع مجموعة واسعة من ظروف رطوبة التربة أكثر أهمية الآن من أي وقت مضى.