گیاهان برای بقا در شرایط سخت به طرز شگفت‌انگیزی انعطاف‌پذیر هستند. آنها می‌توانند با محیط‌های چالش‌برانگیز مختلفی، از جمله مناطقی با سطوح بالای نمک و دماهای گرم، سازگار شوند.
این موضوع برای مدت طولانی برای دانشمندان یک راز بوده است، اما یک مطالعه اخیر از دانشگاه واگنینگن برخی از راه‌های قابل‌توجهی را که گیاهان برای زنده‌ماندن ساختار ریشه خود را تغییر می‌دهند، نشان داده است.
ریشه‌های جانبی گیاهان برای جذب آب و مواد مغذی از خاک به‌شدت به ریشه‌های جانبی خود تکیه می‌کنند. ریشه‌ها منشعب می‌شوند، دامنه ریشه را گسترش می‌دهند و به گیاه اجازه می‌دهند تا به منابع از مناطق و اعماق مختلف دسترسی داشته باشد.
این انعطاف‌پذیری برای گیاهان برای سازگاری با شرایط در حال تغییر در خاک، مانند تغییرات در دسترسی به آب یا سطوح مواد مغذی، بسیار مهم است.
شوری بالا محققان بررسی کردند که چگونه گیاهان سیستم ریشه خود را در خاک شور تطبیق می‌دهند. آنها روی ژنی به نام LBD16 و چگونگی فعال‌شدن آن بدون هورمون گیاهی معمول، اکسین، تمرکز کردند.
دکتر کریستا تسترینک، همکار نویسنده این مطالعه، توضیح داد: «گیاهان برای جذب آب و مواد مغذی به ریشه‌های جانبی نیاز دارند. هورمونی که رشد ریشه‌های جانبی را تنظیم می‌کند، اکسین نامیده می‌شود. نمک توانایی گیاه را برای تشخیص سیگنال‌هایی که این هورمون منتشر می‌کند، مختل می‌کند و باعث می‌شود رشد ریشه‌های جانبی کاهش یابد و ریشه‌های جانبی کمتر به معنای کاهش سلامت کلی گیاه است.»
این تیم برای این مطالعه از یک گیاه گل‌دار کوچک به نام Arabidopsis thaliana استفاده کرد. آنها ژن‌های گیاه را تغییر دادند تا ببینند این تغییرات چگونه بر ریشه‌ها در شرایط شور تأثیر می‌گذارد.
گیاهان چگونه با استرس کنار می‌آیند محققان دریافتند که LBD16 نقش حیاتی در رشد ریشه‌های جانبی دارد. این امر به‌ویژه زمانی که گیاه با سطوح بالای نمک در محیط خود مواجه است، اهمیت دارد. LBD16 به گیاه در تنظیم نحوه رشد ریشه‌هایش کمک می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا در این شرایط استرس‌زا به طور مؤثرتر آب و مواد مغذی را جذب کند.
جالب اینجاست که در شرایط شوری بالا، LBD16 از طریق مسیر متفاوتی که شامل اکسین نمی‌شود، فعال می‌شود. این نشان می‌دهد که گیاهان راه‌های جایگزینی برای مدیریت استرس، مستقل از روش‌های معمول سیگنال‌دهی هورمونی، دارند.
کارشناسان مولکولی به نام ZAT6 را کشف کردند که نقش اساسی در پاسخ گیاهان به استرس نمک، مستقل از روش معمول شامل اکسین دارد. ZAT6 مانند یک کلید عمل می‌کند، ژن LBD16 را روشن می‌کند. این به نوبه خود باعث ایجاد تغییراتی در دیواره سلولی گیاه می‌شود و به ریشه‌ها اجازه می‌دهد حتی در شرایط شور به رشد خود ادامه دهند.
رشد تحت استرس در یک مطالعه مرتبط، محققان همچنین بررسی کردند که چگونه دمای گرم و کمبود آب (استرس آبی ملایم) باعث رشد طولانی‌تر ریشه‌های Arabidopsis thaliana می‌شود. آنها آزمایشاتی را انجام دادند که در آن گیاهان را تحت ترکیبات مختلف شرایط آب و دما پرورش دادند تا ببینند رشد ریشه چگونه تغییر می‌کند.
کارشناسان به طور خاص نحوه تأثیرگذاری ژن‌های خاص و پروتئین‌هایی به نام SnRK2.2، SnRK2.3 و COP1 بر مولکولی به نام HY5 در سلول‌های ریشه و چگونگی تأثیر آن بر ثبات HY5 را بررسی کردند.
پاسخ به استرس یافته‌ها نشان داد که Arabidopsis thaliana در شرایط گرم با کمبود کمی آب، ریشه‌های بلندتری ایجاد می‌کند. دانشمندان کشف کردند که SnRK2 و COP1 در نحوه پاسخ گیاهان به این شرایط نقش دارند.
SnRK2 ها برای مسیر پاسخ به استرس مهم هستند، درحالی‌که COP1 به تنظیم ثبات مولکول دیگری به نام HY5 کمک می‌کند. جالب اینجاست که COP1 و SnRK2s بسته به وجود استرس آبی ملایم، تأثیرات متضادی بر ثبات HY5 دارند.
ثبات HY5
زمانی که هوا گرم و کمی خشک است، سطح COP1 کاهش می‌یابد و به HY5 اجازه می‌دهد تا پایدار بماند. این HY5 پایدار برای رشد اضافی ریشه که در این شرایط مشاهده می‌شود، ضروری است. این مطالعه نشان می‌دهد که ترکیب دمای گرم و استرس آبی ملایم برای کاهش COP1، تثبیت HY5 و در نهایت ترویج کشیدگی ریشه با هم کار می‌کنند.
پیامدهای گسترده‌تر
دکتر تسترینک گفت: «این پروتئین (LBD16) نقش تنظیم‌کننده اکسین را به عهده می‌گیرد. این کشف پایه‌ای حیاتی برای مطالعات بیشتر در مورد شبکه‌های مولکولی محلی مشابه در ریشه‌های جانبی که به گیاهان کمک می‌کند تا در شرایط استرس‌زا عمل کنند، فراهم می‌کند. نه فقط در شرایط شور، بلکه در زمان خشکسالی یا گرما. این می‌تواند به پرورش‌دهندگان گیاهان کمک کند تا رشد ریشه گیاهان را برای ایجاد گونه‌های مقاوم‌تر تغییر دهند.»
در نهایت، این تحقیق پتانسیل حل مشکلات امنیت غذایی جهانی را با ایجاد محصولاتی که می‌توانند در شرایط سخت مانند خاک شور، خشک یا گرم رشد کنند، دارد. این امر به‌ویژه باتوجه‌به اینکه تغییرات آب‌وهوایی، افزایش سطح دریا و تخریب زمین، تهدیدات فزاینده‌ای برای منابع غذایی ما ایجاد می‌کنند، از اهمیت بالایی برخوردار است.
جهت‌گیری‌های آینده
این تیم با سایر سازمان‌ها در زمینه کشاورزی برای یافتن راه‌حل‌های عملی برای چالش‌هایی که تغییرات آب‌وهوایی برای کشاورزی ایجاد می‌کند، همکاری می‌کند.
دکتر تسترینک گفت: «ما چندین فاکتور مولکولی را که نقش دارند کشف کردیم. اما برای پیش‌بینی نحوه مدیریت گیاهان این ترکیب از عوامل استرس، به مطالعه گسترده‌تری نیاز است. در پنج سال اول پروژه CropXR، ما بر روی Arabidopsis تمرکز خواهیم کرد.»
“در طول پنج سال آینده، ما دانش به‌دست‌آمده را در مورد محصولات غذایی به کار خواهیم برد. امیدواریم این امر ما را قادر به ایجاد راه‌حل‌های عملی در همکاری با شرکای این زمینه کند.”
مطالعه در مجله The Plant Cell منتشر شده است.
