Nogle planter bliver større – og slemmere – når de klippes, undersøgelse finder

Nogle planter opfører sig som det mytiske monster Hydra:Skær deres hoveder af, og de vokser ud igen, større og bedre end før. En ny undersøgelse viser, at disse "overkompensatorer, "som de hedder, også øge deres defensive kemi - tænk på plantegift - når de klippes.

Klipning fjerner den primære stilk og simulerer, hvad pattedyr gør, når de spiser planter i naturen.

Studiet, rapporteret i journalen Økologi , er den første til at finde dette link og spore det til tre indbyrdes forbundne molekylære veje. Opdagelsen kan føre til udvikling af nye metoder til at øge plantevæksten og samtidig reducere behovet for insekticider, sagde forskerne.

"Man skulle tro, at en plante enten ville producere en masse defensive kemikalier for at forhindre den i at blive spist, eller at den ville bruge sin energi på at vokse igen efter at være blevet spist - men ikke begge dele, på grund af dens begrænsede energi, " sagde kandidatstuderende Miles Mesa, der ledede forskningen sammen med professor i dyrebiologi ved University of Illinois, Ken Paige/. "Men vi fandt ud af, at de planter, der overkompenserede - med større reproduktionssucces efter at være blevet beskadiget - også producerede mere defensive kemikalier i deres væv."

Omkring 90 procent af urteagtige blomstrende planter engagerer sig i en proces kaldet endoreduplication - duplikerer alt det genetiske materiale i deres celler uden celledeling, sagde forskerne. Denne proces øger cellestørrelsen, giver planterne mulighed for hurtigt at komme tilbage fra skader.

Hver runde af endoreduplikation fordobler en celles output. At have dobbelt så mange aktive gener betyder, at cellen kan pumpe flere proteiner ud, der er nødvendige for at udføre cellulære opgaver.

Nogle planter formerer deres genom igen og igen som reaktion på at blive gennemset. Et eksempel er scarlet gilia, en rødblomstret plante, der vokser i det vestlige Nordamerika og gennemses af elg og muldyr. Paige studerer sine reaktioner på at blive spist.

"Vi ser to og tre gange stigninger i udbyttet, efter at det er blevet skåret ned - i samme sæson, " han sagde.

Paige opdagede overkompensation og rapporterede om det i 1987, men han sagde, at næsten ingen af ​​hans jævnaldrende inden for plantebiologi troede på det. Ideen om, at det at blive gennemset kan øge nogle planters reproduktive succes er kontraintuitiv, sagde Paige. Det tog mere end et årti for forskersamfundet at acceptere videnskaben; selv i dag, næsten ingen andre inden for plantebiologi studerer overkompensationens molekylære biologi.

Den nye undersøgelse fokuserede på Arabidopsis thaliana, et medlem af sennepsfamilien, der ofte bruges i forskning. Paige og hans kolleger havde allerede identificeret den molekylære vej, der fremmer endoreduplication i denne plante, sammen med en vigtig regulator af endoredupliceringsvejen, et molekyle kaldet ILP1.

Forskerne opdagede, at ved at øge ekspressionen af ​​ILP1-genet, de kunne øge endoreduplication i genetiske varianter af A. thaliana, der normalt ikke overkompenserer. Dette førte til større frøproduktion i de ændrede planter og øget ekspression af defensive forbindelser i plantevæv, sagde forskerne.

Dette er muligt, fordi den molekylære vej, der inducerer endoreduplicering, også fødes ind i to andre veje:den oxidative pentosephosphatvej, for primært stofskifte, og shikimate-vejen, som øger plantekemiske forsvar, sagde Paige.

"Der er en positiv feedback-loop, " sagde han. "Når du øger antallet af kromosomer gennem endoreduplicering, du øger genekspression, hvilket øger plantens evne til at producere mere defensive forbindelser og nukleotider til DNA-produktion for at endoruplikere igen."

De nye resultater kan føre til fremskridt i landbrugsudbyttet og reduktioner i brugen af ​​pesticider, sagde Paige.