Pflanzen haben die überwiegende Mehrheit kolonisiert der Erdoberfläche. Was ist also der Schlüssel zu ihrem Erfolg?
Menschen halten Pflanzen oft für einfache, sinnlose Lebensformen. Sie mögen verwurzelt an einem Ort leben, aber je mehr Wissenschaftler über Pflanzen lernen, desto komplexer und reaktionsschneller wir erkennen, dass sie es sind. Sie können sich hervorragend an die örtlichen Gegebenheiten anpassen. Pflanzen sind Spezialisten, die das Beste aus dem machen, was in ihrer Nähe ist, wo sie keimen.
Etwas über die Feinheiten des Pflanzenlebens zu lernen, bedeutet jedoch mehr, als Menschen zum Staunen zu bringen. Beim Studium von Pflanzen geht es auch darum, sich zu vergewissern Wir können immer noch Getreide anbauen in der Zukunft, da der Klimawandel unser Wetter immer extremer macht.
Umweltsignale prägen das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Zum Beispiel verwenden viele Pflanzen Tageslänge als Stichwort Blüte auslösen. Die verborgene Hälfte der Pflanzen, die Wurzeln, nutzen ebenfalls Zeichen aus ihrer Umgebung, um sicherzustellen, dass ihre Form für die Suche nach Wasser und Nährstoffen optimiert ist.
Wurzeln schützen ihre Pflanzen vor Stress wie Trockenheit, indem sie ihre Form anpassen (z. B. Verzweigungen zur Vergrößerung der Oberfläche), um mehr Wasser zu finden. Aber bis vor kurzem haben wir nicht verstanden, wie Wurzeln spüren, ob Wasser im umgebenden Boden vorhanden ist.
Wasser ist das wichtigste Molekül auf der Erde. Zu viel oder zu wenig kann ein Ökosystem zerstören. Die verheerenden Auswirkungen des Klimawandels (wie er kürzlich in Europa und Ostafrika zu beobachten war) machen sowohl Überschwemmungen als auch Dürren häufiger. Da ist der Klimawandel Niederschlagsmuster erstellen immer unberechenbarer wird, ist es wichtig zu lernen, wie Pflanzen auf Wasserknappheit reagieren, um Pflanzen widerstandsfähiger zu machen.
Wurzeln schlagen
Unser Team aus Pflanzen- und Bodenwissenschaftlern und Mathematikern kürzlich entdeckt wie Pflanzenwurzeln ihre Form anpassen, um die Wasseraufnahme zu maximieren. Wurzeln verzweigen sich normalerweise horizontal. Aber sie unterbrechen die Verzweigung, wenn sie den Kontakt mit Wasser verlieren (z. B. wenn sie durch eine luftgefüllte Lücke im Boden wachsen), und die Wurzeln nehmen die Verzweigung erst wieder auf, wenn sie sich wieder mit feuchter Erde verbinden.
Unser Team hat herausgefunden, dass Pflanzen ein System namens verwenden Hydrosignalisierung um zu verwalten, wo sich Wurzeln als Reaktion auf die Wasserverfügbarkeit im Boden verzweigen.
Hydrosignaling ist die Art und Weise, wie Pflanzen erkennen, wo sich Wasser befindet, nicht durch direktes Messen des Feuchtigkeitsgehalts, sondern durch Erfassen anderer löslicher Moleküle, die sich mit dem Wasser in Pflanzen bewegen. Dies ist nur möglich, weil Pflanzenzellen (anders als tierische Zellen) miteinander verbunden sind durch kleine Poren.
Diese Poren ermöglichen es Wasser und kleinen löslichen Molekülen (einschließlich Hormonen), sich gemeinsam zwischen Wurzelzellen und Geweben zu bewegen. Wenn Wasser von der Pflanzenwurzel aufgenommen wird, wandert es durch die äußersten Epidermiszellen.
Die äußeren Wurzelzellen enthalten auch a Hormon, das die Verzweigung fördert und Auxin genannt wird. Die Wasseraufnahme löst die Verzweigung aus, indem Auxin nach innen zum inneren Wurzelgewebe mobilisiert wird. Wenn von außen kein Wasser mehr zur Verfügung steht, etwa wenn eine Wurzel durch einen luftgefüllten Spalt wächst, braucht die Wurzelspitze immer noch Wasser zum Wachsen.
Wenn Wurzeln also kein Wasser aus dem Boden aufnehmen können, müssen sie sich auf Wasser aus ihren eigenen Adern tief im Inneren der Wurzel verlassen. Dadurch ändert sich die Richtung der Wasserbewegung, sodass es sich nun nach außen bewegt, was den Fluss des Verzweigungshormons Auxin stört.
Die Pflanze macht auch eine Anti-Branching-Hormon namens ABA in seinen Wurzeladern. ABA bewegt sich ebenfalls mit dem Wasserstrom, in die entgegengesetzte Richtung zu Auxin. Wenn also die Wurzeln Wasser aus den Adern der Pflanzen ziehen, ziehen die Wurzeln auch das Anti-Verzweigungs-Hormon zu sich.
ABA stoppt die Wurzelverzweigung, indem es alle kleinen Poren schließt, die Wurzelzellen verbinden – ein bisschen wie Sprengtüren auf einem Schiff. Dies dichtet Wurzelzellen voneinander ab und verhindert, dass sich Auxin frei mit Wasser bewegt, wodurch die Wurzelverzweigung blockiert wird. Dieses einfache System ermöglicht es Pflanzenwurzeln, ihre Form an die örtlichen Wasserbedingungen anzupassen. Es ist Xeroverzweigung genannt (ausgesprochen Nullverzweigung).
Flowerpower
Unsere Studie ergab auch, dass die Wurzeln einer Pflanze ein ähnliches System verwenden, um den Wasserverlust beim Austreiben zu reduzieren. Blätter stoppen den Wasserverlust während Dürrebedingungen, indem sie Mikroporen, sogenannte Stomata, auf ihren Oberflächen schließen. Stomata-Schließung wird auch durch das ABA-Hormon ausgelöst. In ähnlicher Weise reduziert ABA in Wurzeln den Wasserverlust, indem es Nanoporen, sogenannte Plasmodesmen, schließt, die jede Wurzelzelle miteinander verbinden.
Wurzeln von Tomaten, Ackerschmalwand, Mais, Weizen und Gerste reagieren alle auf diese Weise auf Feuchtigkeit, obwohl sie sich in unterschiedlichen Böden und Klimazonen entwickeln. Zum Beispiel, Tomaten stammen ursprünglich aus einer südamerikanischen Wüstewohingegen Ackerschmalwand stammt aus zentralasiatischen gemäßigten Regionen. Dies deutet darauf hin, dass die Xeroverzweigung ein häufiges Merkmal von Blütenpflanzen ist, die über 200 Millionen Jahre jünger sind als nicht blühende Pflanzen wie Farne.
Wurzeln von Farnen, einer sich früh entwickelnden Landpflanzenart, reagieren nicht auf diese Weise auf Wasser. Ihre Wurzeln wachsen gleichmäßiger. Dies deutet darauf hin, dass blühende Arten sich besser an Wasserstress anpassen können als frühere Landpflanzen wie Farne.
Blühende Pflanzen können ein breiteres Spektrum an Ökosystemen und Umgebungen besiedeln als nicht blühende Arten. Angesichts der schnellen Änderungen der Niederschlagsmuster auf der ganzen Welt ist die Fähigkeit von Pflanzen, ein breites Spektrum an Bodenfeuchtigkeitsbedingungen zu erkennen und sich an diese anzupassen, heute wichtiger denn je.
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