Les plantes tenen va colonitzar la gran majoria de la superfície terrestre. Aleshores, quina és la clau del seu èxit?
La gent sovint pensa en les plantes com a formes de vida simples i sense sentit. Poden viure arrelats en un sol lloc, però com més científics aprenen sobre les plantes, com més complex i sensible ens adonem que ho són. Són excel·lents per adaptar-se a les condicions locals. Les plantes són especialistes, aprofitant al màxim allò que hi ha a prop d'on germinen.
Tanmateix, aprendre sobre les complexitats de la vida vegetal és més que inspirar meravelles en les persones. Estudiar les plantes també és assegurar-se encara podem cultivar en el futur, ja que el canvi climàtic fa que el nostre temps sigui cada cop més extrem.
Els senyals ambientals configuren el creixement i el desenvolupament de les plantes. Per exemple, moltes plantes utilitzen durada del dia com a senyal per desencadenar la floració. La meitat oculta de les plantes, les arrels, també utilitzen signes del seu entorn per assegurar-se que la seva forma està optimitzada per buscar aigua i nutrients.
Les arrels protegeixen les seves plantes d'estrès com la sequera adaptant la seva forma (ramificació per augmentar la seva àrea de la superfície, per exemple) per trobar més aigua. Però fins fa poc, no enteníem com les arrels senten si hi ha aigua disponible al sòl circumdant.
L'aigua és la molècula més important de la Terra. Massa o massa poc pot destruir un ecosistema. L'impacte devastador del canvi climàtic (com s'ha vist recentment a Europa i l'Àfrica oriental) s'està produint més freqüents tant les inundacions com les sequeres. Des de llavors el canvi climàtic is fent patrons de pluja cada cop més erràtic, aprenent com responen les plantes l'escassetat d'aigua és vital per fer que els cultius siguin més resistents.
El nostre equip de matemàtics i científics de plantes i sòls descobert recentment com arrels vegetals adapten la seva forma per maximitzar l'absorció d'aigua. Les arrels normalment es ramifiquen horitzontalment. Però aturen la ramificació quan perden el contacte amb l'aigua (com ara creixent a través d'un buit ple d'aire al sòl) i les arrels només es tornen a ramificar un cop es reconnecten amb el sòl humit.
El nostre equip va trobar que les plantes utilitzen un sistema anomenat hidrosenyalització per gestionar on es ramifiquen les arrels en resposta a disponibilitat d'aigua al sòl.
La hidrosenyalització és la manera com les plantes senten on es troba l'aigua, no mesurant directament els nivells d'humitat, sinó detectant altres molècules solubles que es mouen amb l'aigua dins de les plantes. Això només és possible perquè (a diferència de cèl·lules animals) les cèl·lules vegetals estan connectades entre si per petits porus.
Aquests porus permeten que l'aigua i les petites molècules solubles (incloses les hormones) es moguin juntes entre elles root cèl·lules i teixits. Quan l'arrel de la planta absorbeix l'aigua, viatja a través de les cèl·lules epidèrmiques més externes.
Les cèl·lules arrels externes també contenen a hormona que promou la ramificació anomenada auxina. L'absorció d'aigua desencadena la ramificació mitjançant la mobilització de l'auxina cap a l'interior dels teixits radiculars. Quan l'aigua ja no està disponible externament, per exemple, quan una arrel creix a través d'un buit ple d'aire, la punta de l'arrel encara necessita aigua per créixer.
Així, quan les arrels no poden agafar aigua del sòl, han de dependre de l'aigua de les seves pròpies venes a l'interior de l'arrel. Això canvia la direcció del moviment de l'aigua, fent que ara es mogui cap a l'exterior, la qual cosa interromp el flux de l'hormona ramificada auxina.
La planta també fa un hormona anti-ramificació anomenada ABA a les seves venes arrels. L'ABA també es mou amb el flux d'aigua, en sentit contrari a l'auxina. Així, quan les arrels aflueixen l'aigua de les venes de les plantes, les arrels també atrauen l'hormona anti-ramificació cap a elles mateixes.
L'ABA atura la ramificació de les arrels tancant tots els petits porus que connecten les cèl·lules arrels, una mica com les portes d'explosió d'un vaixell. Això segella les cèl·lules arrels les unes de les altres i impedeix que l'auxina es mogui lliurement amb l'aigua, bloquejant la ramificació de les arrels. Aquest senzill sistema permet a les arrels de les plantes ajustar la seva forma a les condicions locals de l'aigua. És anomenada xeroramificació (pronunciat zerobranching).
El nostre estudi també va trobar que les arrels d'una planta utilitzen un sistema similar per reduir la pèrdua d'aigua que els seus brots. Les fulles frenen la pèrdua d'aigua durant condicions de sequera tancant micro-porus anomenats estomes a les seves superfícies. El tancament dels estomes també és provocat per l'hormona ABA. De la mateixa manera, a les arrels l'ABA es redueix pèrdua d’aigua tancant nanoporus anomenats plasmodesmes que uneixen totes les cèl·lules arrels.
Les arrels del tomàquet, el creixent, el blat de moro, el blat i l'ordi responen a la humitat d'aquesta manera, tot i evolucionar en diferents sòls i climes. Per exemple, els tomàquets es van originar en un desert sud-americà, mentre que creixent talle prové de les regions temperades d'Àsia central. Això suggereix que la xeroramificació és un tret comú a les plantes amb flor, que són més de 200 milions d'anys més joves que les plantes sense flor, com les falgueres.
Les arrels de les falgueres, una espècie vegetal terrestre en evolució primerenca, no responen a l'aigua d'aquesta manera. Les seves arrels creixen de manera més uniforme. Això suggereix que les espècies amb flors s'adapten millor aigua estrès que les plantes terrestres anteriors com les falgueres.
Les plantes amb flors poden colonitzar una gamma més àmplia d'ecosistemes i ambients que les espècies que no tenen flors. Tenint en compte els ràpids canvis en els patrons de pluja a tot el món, la capacitat de plantes percebre i adaptar-se a una àmplia gamma de condicions d'humitat del sòl és més important ara que mai.