At se i mørket - hvordan plantens rødder opfatter vand gennem vækst

Uden øjne, ører, eller et centralnervesystem, planter kan opfatte retningen af ​​miljømæssige signaler og reagere for at sikre deres overlevelse.

For eksempel, rødder skal strække sig gennem labyrinten af ​​kroge og kroge i jorden mod vandkilder og næringsstoffer. De forskellige måder, planterne leder denne forgrening på for at drage fordel af deres miljø, er af stor interesse for forskere og for mulig brug af landmænd, der har brug for afgrøder, der producerer mere mad med færre ressourcer.

Carnegie og Stanford Universitets biolog José Dinneny har brugt år på at studere, hvordan rodvækst reagerer på vand, især gennem et fænomen kaldet hydropatterning, som gør det muligt for planter at optimere rodforgrening for at maksimere vandoptagelsen.

Ligesom hvordan planter forgrener sig over jorden for at få adgang til sollys, planterødder danner et forgrenet underjordisk netværk, med laterale rødder, der vokser ud fra en hovedakse. Strukturen i disse rodsystemsnetværk skal reguleres på måder, der optimerer jordforskning, samtidig med at ekspansionen til vandfattige områder begrænses.

"Vi vidste, at planter gjorde dette - forgrenede mod vand - men ikke mekanismen for, hvordan planten opfattede og reagerede på dette miljøsignal, "Forklarede Dinneny.

Han og Stanford -kandidatstuderende Neil Robbins II satte sig for at afgøre, om en plantrods observerede evne til at tilskynde til forgrening mod fugt og afskrække forgrening i tør jord er lokaliseret til nogen del af roden, eller deles af hele rodstrukturen.

"Ved at forstå, hvor roden opfatter vand, kan vi få spor om, hvordan planten udfører denne bemærkelsesværdige opgave, "siger Dinneny.

Ved hjælp af både finskala mikrodissektion og matematiske modelleringsmetoder, de fandt ud af, at spidsen af ​​roden, hvor celleudvidelse driver vækst, på en unik måde er i stand til at opfatte og reagere på fugtindslag ved at forme den retning, som roden forgrener sig ud i jorden. Brugen af ​​matematisk modellering viste, at opfattelsen af ​​vand som observeret ved vandbevægelse ind i roden blev dramatisk påvirket af rodvæksthastigheden.

Hovedforfatter Robbins kommenterede:"Da rodvæksten aftog, rodens evne til at reagere på vandretningen blev stærkt reduceret. Dette arbejde indikerer, at den aktive proces med vandoptagelse ved roden er nødvendig for at se, hvor vandet er i jordvand og reagerer udviklingsmæssigt på denne centrale miljømæssige signal. "

For at placere dette værk i en kontekst, det er vigtigt at indse, at der ikke forstås lidt om, hvordan planter opfatter overflod af vand i miljøet, og det meste arbejde har fokuseret på de signalhændelser, der sker på mobilniveau.

Robbins og Dinnenys arbejde, udgivet i Procedurer fra National Academy of Sciences , viser, at selve vækstprocessen i sig selv fremkalder en fysisk tilstand i planten, der på en unik måde giver den mulighed for på organskalaen at opfatte retningen af ​​en tiltrængt ressource i sine omgivelser.

"Planten ser kun ud til at se vandretningen, når den prøver at udvinde den fra miljøet, "Sagde Dinneny." Når celleudvidelse ikke driver vækst, the ability to see the direction for water is reduced, and the root either can't see or doesn't care where water is and starts making branches in every direction."  

Using the flux of water as a key metric of water availability may provide an important way in which the plant can convert the outside picture of where water is in soil into an internal biophysical pattern that plants can then interpret. Understanding how plants optimize this process for particular soil environments may enable the production of more water-efficient plants. When it comes to the importance of water for plants, a picture can be worth a thousand words.