Augiem ir kolonizēja lielāko daļu no Zemes virsmas. Tātad, kas ir viņu panākumu atslēga?
Cilvēki bieži domā par augiem kā par vienkāršām, bezjēdzīgām dzīvības formām. Viņi var dzīvot iesakņojušies vienuviet, bet jo vairāk zinātnieki uzzina par augiem, jo sarežģītāks un atsaucīgāks mēs saprotam, ka viņi ir. Viņi lieliski pielāgojas vietējiem apstākļiem. Augi ir speciālisti, kas maksimāli izmanto to, kas atrodas netālu no to dīgšanas vietas.
Mācīšanās par augu dzīves sarežģītību tomēr ir vairāk nekā cilvēku brīnumu iedvesma. Augu izpēte ir arī par to, lai pārliecinātos mēs joprojām varam audzēt labību nākotnē, jo klimata pārmaiņas padara mūsu laika apstākļus arvien ekstrēmākus.
Vides signāli ietekmē augu augšanu un attīstību. Piemēram, daudzi augi izmanto dienas garums kā norāde lai izraisītu ziedēšanu. Slēptā augu puse, saknes, arī izmanto zīmes no apkārtnes, lai nodrošinātu, ka to forma ir optimizēta, lai iegūtu ūdeni un barības vielas.
Saknes aizsargā augus no spriedzes, piemēram, sausuma, pielāgojot to formu (zarojoties, lai palielinātu to virsmas laukumspiemēram), lai atrastu vairāk ūdens. Bet vēl nesen mēs nesapratām, kā saknes jūt, vai apkārtējā augsnē ir pieejams ūdens.
Ūdens ir vissvarīgākā molekula uz Zemes. Pārāk daudz vai pārāk maz var iznīcināt ekosistēmu. Klimata pārmaiņu postošā ietekme (kā tas nesen tika novērots Eiropā un Austrumāfrikā). biežāk sastopami gan plūdi, gan sausums. Kopš klimata pārmaiņas is lietus modeļu veidošana arvien nepastāvīgāka, mācoties, kā augi reaģē uz ūdens trūkums ir ļoti svarīgi, lai kultūraugi kļūtu izturīgāki.
Mūsu augu un augsnes zinātnieku un matemātiķu komanda nesen atklāja cik augu saknes pielāgot to formu, lai maksimāli palielinātu ūdens uzņemšanu. Saknes parasti zarojas horizontāli. Bet tie pārtrauc zarošanos, kad zaudē kontaktu ar ūdeni (piemēram, aug caur gaisa piepildītu spraugu augsnē), un saknes atsāk zarot tikai tad, kad tās atkal savienojas ar mitru augsni.
Mūsu komanda atklāja, ka augi izmanto sistēmu, ko sauc hidrosignalizācija lai pārvaldītu, kur saknes zarojas, reaģējot uz ūdens pieejamība augsnē.
Hidrosignalizācija ir veids, kā augi sajūt, kur atrodas ūdens, nevis tieši mērot mitruma līmeni, bet gan uztverot citas šķīstošās molekulas, kas augos pārvietojas kopā ar ūdeni. Tas ir iespējams tikai tāpēc, ka (atšķirībā no dzīvnieku šūnas) augu šūnas ir savienotas viena ar otru ar mazām porām.
Šīs poras nodrošina ūdens un mazo šķīstošo molekulu (tostarp hormonu) kustību kopā sakne šūnas un audi. Kad augu sakne uzņem ūdeni, tas pārvietojas pa visattālākajām epidermas šūnām.
Ārējās sakņu šūnas satur arī a hormons, kas veicina zarošanos, ko sauc par auksīnu. Ūdens uzņemšana izraisa zarošanos, mobilizējot auksīnu iekšpuses sakņu audos. Kad ūdens vairs nav pieejams ārēji, piemēram, kad sakne izaug cauri gaisa piepildītai spraugai, saknes galam joprojām ir nepieciešams ūdens, lai augtu.
Tātad, kad saknes nevar uzņemt ūdeni no augsnes, tām ir jāpaļaujas uz ūdeni no savām vēnām dziļi saknes iekšienē. Tas maina ūdens kustības virzienu, liekot tam tagad virzīties uz āru, kas traucē sazarojošā hormona auksīna plūsmu.
Augs arī veido an hormons pret atzarojumu, ko sauc par ABA tās sakņu dzīslās. ABA pārvietojas arī ar ūdens plūsmu pretējā virzienā auksīnam. Tātad, kad saknes velk ūdeni no augu vēnām, saknes velk arī pretzaru hormonu pret sevi.
ABA aptur sakņu zarošanos, aizverot visas mazās poras, kas savieno sakņu šūnas — mazliet kā sprādziena durvis uz kuģa. Tas noslēdz sakņu šūnas vienu no otras un aptur auksīna brīvu kustību kopā ar ūdeni, bloķējot sakņu zarošanos. Šī vienkāršā sistēma ļauj augu saknēm precīzi pielāgot savu formu vietējiem ūdens apstākļiem. Tas ir sauc par xerobranching (izrunā nulles atzarošana).
Mūsu pētījums arī atklāja, ka auga saknes izmanto līdzīgu sistēmu, lai samazinātu ūdens zudumu kā tā dzinumi. Lapas aptur ūdens zudumu sausuma apstākļos, uz to virsmām aizverot mikroporas, ko sauc par stomatām. Stoma slēgšanu izraisa arī ABA hormons. Tāpat saknēs ABA samazinās ūdens zudums aizverot nanoporas, ko sauc par plazmodesmām, kas saista kopā katru saknes šūnu.
Tomātu, kreslās, kukurūzas, kviešu un miežu saknes šādi reaģē uz mitrumu, neskatoties uz to, ka tās attīstās dažādās augsnēs un klimatiskajos apstākļos. Piemēram, tomāti radās Dienvidamerikas tuksnesī, turpretim tāls kreses nāk no Vidusāzijas mērenajiem reģioniem. Tas liek domāt, ka kserozaru veidošanās ir izplatīta iezīme ziedos augos, kas ir vairāk nekā 200 miljonus gadu jaunāki par neziedošiem augiem, piemēram, papardes.
Saknes no papardes, agrīni attīstās sauszemes augu sugas, šādā veidā nereaģē uz ūdeni. Viņu saknes aug vienmērīgāk. Tas liecina, ka ziedošās sugas labāk pielāgojas ūdens stresa nekā agrāk zemes augi, piemēram, papardes.
Ziedoši augi var kolonizēt plašāku ekosistēmu un vides klāstu nekā neziedošās sugas. Ņemot vērā straujās nokrišņu daudzuma izmaiņas visā pasaulē, spēja augi izjust un pielāgoties dažādiem augsnes mitruma apstākļiem šobrīd ir svarīgāk nekā jebkad agrāk.