Hvordan gamle planter begyndte at bruge vand, da de gik videre til land

"Planter, uanset om de er enorme eller mikroskopiske, er grundlaget for alt liv, inklusive os selv." Dette var David Attenboroughs introduktion til The Green Planet, den seneste BBCs naturhistorieserie.

I løbet af de sidste 500 millioner år er planter blevet vævet ind i alle aspekter af vores liv. Planter understøtter alt andet liv på Jorden i dag. De giver den ilt, folk trækker vejret, samt renser luften og afkøler jordens temperatur. Men uden vand ville planter ikke overleve. Oprindeligt fundet i vandmiljøer, anslås der at være omkring 500.000 landplantearter, der opstod fra en enkelt forfader, der flød gennem vandet.

I vores seneste papir, offentliggjort i New Phytologist , undersøger vi, på det genetiske niveau, hvordan planter har lært at bruge og manipulere vand – fra de første små moslignende planter, der levede på land i den kambriske periode (omkring 500 millioner år siden) til de gigantiske træer, der danner kompleks skov nutidens økosystemer.

Hvordan planter udviklede sig

Ved at sammenligne mere end 500 genomer (en organismes DNA), viser vores resultater, at forskellige dele af planteanatomier involveret i transporten af ​​vand - porer (stomata), vaskulært væv, rødder - var forbundet med forskellige metoder til genudvikling. Dette er vigtigt, fordi det fortæller os, hvordan og hvorfor planter har udviklet sig på forskellige tidspunkter i deres historie.

Planters forhold til vand har ændret sig dramatisk i løbet af de sidste 500 millioner år. Forfædre til landplanter havde en meget begrænset evne til at regulere vand, men efterkommere af landplanter har tilpasset sig til at leve i tørrere miljøer. Da planter først koloniserede land, havde de brug for en ny måde at få adgang til næringsstoffer og vand på uden at blive nedsænket i det. Den næste udfordring var at øge størrelse og statur. Til sidst udviklede planter sig til at leve i tørre miljøer såsom ørkener. Udviklingen af ​​disse gener var afgørende for at sætte planter i stand til at overleve, men hvordan hjalp de planterne først med at tilpasse sig og derefter trives på land?

Stomata, de små porer i overfladen af ​​blade og stængler, åbner sig for at tillade optagelse af kuldioxid og lukker for at minimere vandtab. Vores undersøgelse viste, at generne involveret i udviklingen af ​​stomata var i de første landplanter. Dette indikerer, at de første landplanter havde de genetiske værktøjer til at bygge stomata, en vigtig tilpasning til livet på land.

Den hastighed, hvormed stomata reagerer, varierer mellem arterne. For eksempel lukker en tusindfryds stomata hurtigere end hos en bregne. Vores undersøgelse tyder på, at stomata af de første landplanter lukkede sig, men denne evne accelererede over tid takket være genduplikation, efterhånden som arter reproducerede sig. Genduplikation fører til to kopier af et gen, hvilket giver den ene mulighed for at udføre sin oprindelige funktion og den anden til at udvikle en ny funktion. Med disse nye gener var stomata af planter, der vokser fra frø (snarere reproducerende via sporer), i stand til at lukke og åbne hurtigere, hvilket gør dem i stand til at være mere tilpasningsdygtige til miljøforhold.

Gamle gener og nye tricks

Karvæv er en plantes VVS-system, der gør det muligt for den at transportere vand internt og vokse i størrelse og statur. Hvis du nogensinde har set ringene af et hugget træ, er dette resterne af væksten af ​​vaskulært væv.

Vi fandt ud af, at i stedet for at udvikle sig af nye gener, opstod vaskulært væv gennem en proces med genetisk manipulation. Her blev gamle gener genbrugt for at få nye funktioner. Dette viser, at evolution ikke altid sker med nye gener, men at gamle gener kan lære nye tricks.

Før flytningen til land blev planter fundet i ferskvands- og marinehabitater, såsom algegruppen Spirogyra . De flød og absorberede vandet omkring dem. Udviklingen af ​​rødder gjorde det muligt for planterne at få adgang til vand fra dybere nede i jorden såvel som forankring. Vi fandt ud af, at et par nye nøglegener dukkede op i forfaderen til planter, der lever på land og planter med frø, svarende til udviklingen af ​​rodhår og rødder. Dette viser vigtigheden af ​​et komplekst rodsystem, som giver gamle planter adgang til tidligere utilgængeligt vand.

Udviklingen af ​​disse egenskaber ved hvert større trin i planternes historie fremhæver vigtigheden af ​​vand som drivkraft for planteudvikling. Vores analyser kaster nyt lys over det genetiske grundlag for planetens grønnere og fremhæver de forskellige metoder til genudvikling i diversificeringen af ​​planteriget.

Planter for fremtiden

Ud over at hjælpe os med at forstå fortiden, er dette arbejde vigtigt for fremtiden. Ved at forstå, hvordan planter har udviklet sig, kan vi begynde at forstå de begrænsende faktorer for deres vækst. Hvis forskerne kan identificere funktionen af ​​disse nøglegener, kan de begynde at forbedre vandforbruget og modstandsdygtigheden over for tørke hos afgrødearter. Dette har særlig betydning for fødevaresikkerheden.

Planter kan også have nøglen til at løse nogle af de mest presserende spørgsmål, som menneskeheden står over for, såsom at reducere vores afhængighed af kemisk gødning, forbedre bæredygtigheden af ​​vores fødevarer og reducere vores drivhusgasemissioner.

Ved at identificere de mekanismer, der styrer plantevækst, kan forskere begynde at udvikle mere modstandsdygtige, effektive afgrødearter. Disse afgrøder ville kræve mindre plads, vand og næringsstoffer og ville være mere bæredygtige og pålidelige. Med naturen i tilbagegang er det afgørende at finde måder at leve mere harmonisk på vores grønne planet.