Hvordan lys og temperatur arbejder sammen for at påvirke plantevæksten

Planter forlænges og bøjes for at sikre adgang til sollys. På trods af at have observeret dette fænomen i århundreder, forstår videnskabsmænd det ikke fuldt ud. Nu har Salk-forskere opdaget, at to plantefaktorer - proteinet PIF7 og væksthormonet auxin - er de triggere, der fremskynder væksten, når planter skygges af baldakin og udsættes for varme temperaturer på samme tid.

Resultaterne, offentliggjort i Nature Communications den 29. august 2022, vil hjælpe videnskabsmænd med at forudsige, hvordan planter vil reagere på klimaændringer – og øge afgrødeproduktiviteten på trods af den udbytteskadelige globale temperaturstigning.

"Lige nu dyrker vi afgrøder i visse tætheder, men vores resultater indikerer, at vi bliver nødt til at sænke disse tætheder for at optimere væksten i takt med vores klimaændringer," siger seniorforfatter professor Joanne Chory, direktør for Salks Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory og Howard Hughes Medical Institute efterforsker. "Ved at forstå det molekylære grundlag for, hvordan planter reagerer på lys og temperatur, vil vi kunne finjustere afgrødetætheden på en specifik måde, der fører til det bedste udbytte."

Under spiring forlænger frøplanter hurtigt deres stilke for at bryde gennem den dækkende jord for at fange sollys så hurtigt som muligt. Normalt bremser stænglen sin vækst efter udsættelse for sollys. Men stilken kan forlænges hurtigt igen, hvis planten konkurrerer med omgivende planter om sollys, eller som reaktion på varme temperaturer for at øge afstanden mellem den varme jord og plantens blade. Mens begge miljøforhold – baldakinskygge og varme temperaturer – inducerer stængelvækst, reducerer de også udbyttet.

I denne undersøgelse sammenlignede forskerne planter, der voksede i baldakinskygge og varme temperaturer på samme tid - en tilstand, der efterligner høj afgrødetæthed og klimaændringer. Forskerne brugte modelplanten Arabidopsis thaliana, samt tomat og en nær slægtning til tobak, fordi de var interesserede i at se, om alle tre plantearter blev påvirket på samme måde af denne miljøtilstand.

På tværs af alle tre arter fandt holdet ud af, at planterne voksede ekstremt høje, når de samtidig forsøgte at undgå skyggen skabt af naboplanter og at blive udsat for varmere temperaturer. På et molekylært niveau opdagede forskerne, at transkriptionsfaktor PIF7, et protein, der hjælper med at tænde og "slukke" gener, var den dominerende aktør, der drev den øgede hurtige vækst. De fandt også, at væksthormonet auxin steg, når afgrøderne opdagede naboplanter, hvilket fremmede vækst som reaktion på samtidige varmere temperaturer. Denne synergistiske PIF7-auxin-vej gjorde det muligt for planterne at reagere på deres miljøer og tilpasse sig for at søge de bedste vækstbetingelser.

En relateret transkriptionsfaktor, PIF4, stimulerede også stammeforlængelse under varme temperaturer. Men når skygge og øgede temperaturer blev kombineret, spillede denne faktor ikke længere en vigtig rolle.

"Vi var overraskede over at finde ud af, at PIF4 ikke spillede en stor rolle, fordi tidligere undersøgelser har vist vigtigheden af ​​denne faktor i relaterede vækstsituationer," siger førsteforfatter Yogev Burko, en Salk-medarbejderforsker og adjunkt ved Agriculture Research Organisation ved Volcani Institute i Israel. "Det faktum, at PIF7 er den dominerende drivkraft bag denne plantevækst, var en virkelig overraskelse. Med denne nye viden håber vi at kunne finjustere denne vækstrespons i forskellige afgrødeplanter for at hjælpe dem med at tilpasse sig klimaændringer."

Forskerne mener, at der er en anden spiller, som endnu ikke er blevet opdaget, som øger effekten af ​​PIF7 og auxin. De håber at udforske denne ukendte faktor i fremtidige undersøgelser. Burkos laboratorium vil også undersøge, hvordan denne vej kan optimeres i afgrødeplanter.

"Globale temperaturer stiger, så vi har brug for fødevareafgrøder, der kan trives under disse nye forhold," siger Chory, der er medleder Salk's Harnessing Plants Initiative og besidder Howard H. og Maryam R. Newman-stolen i plantebiologi. "Vi har identificeret nøglefaktorer, der regulerer plantevækst under varme temperaturer, hvilket vil hjælpe os med at udvikle bedre ydende afgrøder til at brødføde fremtidige generationer."

Andre forfattere omfattede Björn Christopher Willige og Adam Seluzicki fra Salk; Ondřej Novák fra Palacký Universitet og Institut for Eksperimentel Botanik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi; og Karin Ljung fra Sveriges Landbrugsuniversitet. + Udforsk yderligere

Hvordan planter hurtigt tilpasser sig skiftende miljøforhold