Vědci ze společnosti Salk zjistili, že vysoce konzervovaná etylenová signální dráha může být použita k řízení směru růstu kořenů, což zase vytváří hlubší kořenové systémy, které sekvestrují uhlík a odstraňují oxid uhličitý z atmosféry.
Home – Salk News – Řízení směru růstu kořenů může pomoci zachránit plodiny a zmírnit dopady změny klimatu.
Salk News
14 2024 февраля
Řízení směru růstu kořenů může pomoci zachránit plodiny a zmírnit dopady změny klimatu.
Vědci ze společnosti Salk zjistili, že vysoce konzervovaná etylenová signální dráha může být použita k řízení směru růstu kořenů, což zase vytváří hlubší kořenové systémy, které sekvestrují uhlík a odstraňují oxid uhličitý z atmosféry.
14 2024 февраля
LA JOLLA – Nad zemí rostliny dosahují ke slunci. V podzemí rostliny vytvářejí tunely skrz půdu. Jak kořeny absorbují vodu a živiny z okolní půdy, rostou a roztahují se a vytvářejí různé architektury kořenového systému. Architektura kořenového systému určuje, zda kořeny zůstanou v mělkých vrstvách půdy, nebo budou strmější a zasahují do hlubších vrstev půdy. Kořenový systém hraje ústřední roli v přežití a produktivitě rostlin, určuje přístup rostliny k živinám a vodě, a tím i schopnost rostliny odolávat vyčerpání živin a extrémním povětrnostním podmínkám, jako je sucho.
Nyní vědci ze Salku zjistili, proč je dobře známý rostlinný hormon rozhodující pro kontrolu úhlu růstu kořenů. Výzkum publikovaný v Zprávy Cell 13. února 2024 bylo poprvé prokázáno, že hormon zvaný etylen se podílí na regulaci bočních úhlů kořenů, které tvoří kořenový systém, díky čemuž jsou tato zjištění zjevením pro vědce zabývající se rostlinami, kteří optimalizují kořenové systémy.
Výzkumníci z iniciativy Salk Plant Utilization Initiative nyní plánují zaměřit se na ethylenovou signální dráhu ve svém úsilí vytvořit rostliny a plodiny, které dokážou odolat environmentálním stresům spojeným se změnou klimatu a suchem, a také odstraňovat oxid uhličitý z atmosféry a ukládat jej hluboko pod zem. pomoci zmírnit změnu klimatu.
“Hluboké kořeny vedou k delšímu ukládání uhlíku v půdě a mohou způsobit, že rostliny jsou odolnější vůči suchu, takže schopnost řídit růst hlubokých kořenů je opravdu vzrušující pro vědce, kteří chtějí vytvořit lepší kořenové systémy,” říká hlavní autor. Wolfgang Busch, profesor, výkonný ředitel Iniciativy pro využívání rostlin a předseda katedry rostlinných věd v Salku. “Jsme obzvláště potěšeni, že cesta, kterou jsme objevili, je zachována u mnoha typů rostlin, což znamená, že naše poznatky lze široce použít k optimalizaci kořenové architektury u všech suchozemských rostlin, včetně potravin, krmiv a paliv.”
Faktory prostředí, jako jsou průměrné srážky nebo množství určitých živin, mohou ovlivnit tvar kořenového systému rostliny. Úhel, pod kterým kořeny rostou, vytváří různé výsledky v celkové kořenové architektuře: horizontální kořenové úhly vytvářejí mělčí kořenový systém, zatímco vertikální kořenové úhly vytvářejí hlubší kořenový systém. Ale vědci plně nechápali, jak byly tyto kořenové úhly určeny na molekulární úrovni.
Rostlinné hormony, jako je auxin a cytokinin, byly v minulosti spojovány s úhlem růstu kořenů, ale mechanismy za tímto vztahem zůstaly špatně pochopeny. Tým provedl genetický screening, aby hledal molekuly a cesty, které se podílejí na určování úhlu růstu kořene. Arabidopsis thaliana– malý kvetoucí plevel z čeledi hořčice – v důsledku změn v kořenovém systému v reakci na tisíce molekul.
“Všimli jsme si, že tato molekula zvaná mebendazol způsobuje, že kořeny rostou horizontálněji,” říká první autor Wenrong He, bývalý postdoktorand v laboratoři Bush. “Když jsme se podívali na to, s jakými cílovými proteiny nebo cestami mebendazol interagoval, aby vyvolal tento efekt, zjistili jsme, že to byla ethylenová signalizace a ethylen, který hraje tak důležitou roli v architektuře kořenového systému, byl opravdu zajímavý.”
Tým pozoroval, že geny v ethylenové signální dráze byly aktivovány v reakci na mebendazol, a tato dráha zase způsobila výsledné změny v růstu kořenů. Biochemická studie tohoto vztahu ukázala, že mebendazol inhibuje aktivitu proteinkinázy CTR1. Tento enzym negativně reguluje ethylenovou signalizaci, což zase podporuje mělkou tvorbu kořenů.
Arabidopsis thaliana kořenové špičky obsahují fluorescenční reportérový gen pro ethylenovou signalizaci po ošetření mebendazolem, jehož aktivita aktivuje ethylenovou signální dráhu.
Kredit: Salk Institute.
“Vzhledem k tomu, že etylenová signalizace je široce konzervovaný proces v pozemních rostlinách, zacílení na etylenovou dráhu je velmi slibnou metodou pro inženýrství kořenového systému,” říká Busch. “Doufáme, že nyní můžeme tento nástroj použít k tomu, aby byly druhy plodin odolnější a vytvořily ideální rostliny Salk®, které sekvestrují více uhlíku v podzemí, aby pomohly v boji proti změně klimatu.”
Nový význam etylenu v architektuře kořenového systému vyvolává nové otázky, včetně toho, zda existuje další molekula, která na rozdíl od mebendazolu prohlubuje kořenový systém, nebo zda existují specifické geny v již dobře katalogizované ethylenové signální dráze, které ovlivňují to, co nejvíce účinně ovlivnit. podporují hlubší zakořenění plodin a ideální rostliny Salk.
Mezi další autory patří Hai An Truong, Lin Zhang, Ming Cao a Kaizhen Zhong ze Salku; Neil Arakawa z Kalifornské univerzity v San Diegu; Yao Xiao z The Scripps Research Institute; a Yingnan Hou z University of California, Riverside a Shanghai Jiao Tong University v Číně.
Práce byla podpořena Salk Plant Utilization Initiative, Salk Special Award for Women and Science, Pioneer Foundation Postdoctoral Fellow Award, National Institutes of Health (NIH-NCI CCSG: P30 CA01495, NIH-NIA San Diego Nathan Schock Center P30 AG068635). , Chapman Foundation a Helmsley Charitable Trust.
Kořenové systémy. Kořen je jedním z hlavních vegetativních orgánů vyšších rostlin. Kořen plní funkci vstřebávání vody a živin a jejich přesun do nadzemních orgánů. Pevně ukotví rostlinu v půdě. U některých rostlin slouží kořen jako nádoba na rezervní živiny (ředkvička, tuřín). U rostlin rašících kořeny (maliny, šeříky, osiky) se vegetativní množení provádí pomocí kořenů.
Když semeno vyklíčí, nejprve se vyvine embryonální kořen. Nachází se blíže k otvoru v semínku, kudy proniká voda. Embryonální kořen se mění v hlava kořen, ze kterého vyrůstají strana. Kořeny vyrůstající ze stonku se nazývají vedlejší věty.
Kořenový systém, který má dobře vyvinutý hlavní kořen (je delší a tlustší než ostatní) a z něj vybíhající postranní kořeny, se nazývá tzv. stěžejní.
Mezi modifikacemi kořenových systémů se rozlišují kuželovité (u mrkve) a cibulové (v ředkvičkách, řepě). U hlíznatých rostlin se zahušťují boční kořeny (kořenové hlízy u jiřin, chistyaca). Takové ztluštělé kořeny, ve kterých se ukládají živiny, se nazývají kořenová zelenina (Obr. 4).
Kořenový systém, skládající se z postranních a adventivních kořenů, se nazývá drobné systémy. Hlavní kořen v něm nelze rozeznat. Nevyvíjí se dostatečně nebo brzy zemře.
Kořenový systém dosahuje značných rozměrů a někdy několikanásobně přesahuje nadzemní část, proniká do hloubky půdy u pšenice až 2 m, u velbloudího trnu až 15 m. Kořenový systém roste také do šířky, např. u kukuřice až 2 m, a u dospělé jabloně až 15 m od kmene rostliny.
Kromě podzemí existují také nadzemní kořeny. Patří mezi ně vzdušné kořeny, které se tvoří na stoncích rostlin a visí ve vzduchu (monstra, orchidej atd.), chůdovité kořeny, které vybíhají z kmene a v kontaktu s půdou zakořeňují (mangrovové rostliny), houževnaté kořeny , s jehož pomocí se mnoho lián přichytí ke kmenům, skalám a stoupá ke zdroji světla (břečťan, vanilka atd.). Některé rostliny z tropických bažin mají dýchací kořeny, které stoupají nad povrch bažiny a poskytují vzduch hlubokému kořenovému systému.
Růst a struktura kořenů. Při setí se semena nacházejí v půdě v různých polohách, ale u všech sazenic jsou kořeny směřovány dolů a stonky s listy směřují nahoru. Takové růstové pohyby rostlin, způsobené jednostranně působícím podnětem (gravitace, světlo), se nazývají tropismy (z řeckého „tropos“ – obrat). Kořeny se vyznačují geotropismem – jednostranným růstem pod vlivem gravitace.
Kořen roste do délky od svého vrcholu, kde se nacházejí mladé buňky výchovného pletiva. Rostoucí část je zakrytá kořenový uzávěr, chránící kořen před poškozením.
Rostoucí část kořene, popř růstový bod, sestává z malých buněk, tenkostěnných, tvarem identických, vyplněných cytoplazmou. Díky jejich rozdělení kořen rychle zabírá nové oblasti v půdě.
Nad rostoucí částí kořene jsou umístěny kořenové vlásky, které absorbují vodu s rozpuštěnými minerálními solemi. Oblast s kořenovými vlásky se nazývá sací zóna kořene. Kořenové vlásky jsou vysoce protáhlé výrůstky vnějších buněk pokožky kořene. Jejich délka dosahuje 10 mm. Kořenové vlásky jsou krátkodobé. V některých rostlinách žijí ne více než jeden den v jabloni mohou žít 15-20 dní, v bavlníku – 14-18. Kořen neustále roste a vytváří stále více nových oblastí kořenových vlásků. Kořenové vlásky dokážou nejen absorbovat hotové roztoky látek, ale také rozpouštět některé půdní látky a absorbovat je v rozpuštěné formě.
Mezi sací zónou a stonkem je kořenová vodivá zóna, jejichž cévami se do stonku a listů dostává voda a rozpuštěné minerální soli z kořene a do kořene organické látky vznikající v listech.
Cévy, které vedou vodu, se skládají z mrtvých buněk. Prostřednictvím cév kořene vstupuje voda pod tlakem do stonku. Tento tlak se nazývá kořenový tlak. Kořenový tlak a odpařování vody z povrchu listů jsou hlavními hnacími silami, které zvedají vodu s rozpuštěnými minerálními solemi nahoru skrz nádoby.
Biologie. Referenční materiály / ed. DI. Traitaka. – M.: „Osvícení“, – 1983. – S. 9-10.