کشف نحوه ریشه دواندن درختان به دنبال آب

توانایی گیاهان برای احساس اطراف و سازگاری با طیف وسیعی از شرایط رطوبتی خاک در حال حاضر بیش از هر زمان دیگری مهم است و دانشمندان اکنون چگونگی فرآیند ریشه دواندن درختان در پی آب را دریافته‌اند.

به گزارش ایسنا و نقل از کانورسیشن، گیاهان اکثریت قریب به اتفاق سطح زمین را مستعمره کرده‌اند، اما رمز موفقیت آن‌ها چیست؟

مردم اغلب، گیاهان را اشکالی ساده و بی احساس و معنی در زندگی می‌دانند. آن‌ها ممکن است در یک مکان ریشه داشته و ثابت باشند، اما هر چه دانشمندان بیشتر در مورد گیاهان مطالعه می‌کنند، آن‌ها پیچیده‌تر می‌شوند. آن‌ها در انطباق با شرایط محلی عالی هستند و می‌توان گفت که گیاهان در این امر، متخصص هستند و از چیز‌های که در نزدیکی محل جوانه‌زنی آن‌ها است، نهایت استفاده را می‌برند.

با این حال، یادگیری در مورد پیچیدگی‌های زندگی گیاهان چیزی بیش از الهام بخشیدن و شگفتی است. مطالعه گیاهان حصول اطمینان از اینکه هنوز هم می‌توانیم محصولات کشاورزی بهتری را در آینده پرورش دهیم، ممکن می‌کند، به خصوص این که تغییرات اقلیمی، آب و هوای ما را دچار تغییر می‌کند.

سیگنال‌های محیطی، رشد و نمو گیاهان را شکل می‌دهند. به عنوان مثال، بسیاری از گیاهان از طول روز به عنوان نشانه برای شروع گل‌دهی استفاده می‌کنند. نیمه پنهان گیاهان، یعنی ریشه‌ها نیز از نشانه‌هایی از محیط اطراف خود استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند که شکل آن‌ها برای جذب آب و مواد مغذی بهینه است.

ریشه‌ها با تطبیق شکل خود، مثلاً برای افزایش سطح به منظور یافتن آب بیشتر، خود را از تنش‌هایی مانند خشکی محافظت می‌کنند. اما تا همین اواخر ما نمی‌دانستیم که ریشه‌ها چگونه احساس می‌کنند که آیا آب در خاک اطراف وجود دارد یا خیر که به طرف آن ریشه بدوانند.

آب مهم‌ترین مولکول روی زمین است. مقدار زیاد یا خیلی کم آن می‌تواند یک اکوسیستم را از بین ببرد. تأثیر مخرب تغییرات آب و هوایی همانطور که اخیراً در اروپا و شرق آفریقا دیده شده است، سیل و خشکسالی را بیشتر می‌کند. از آنجایی که تغییرات آب و هوایی الگو‌های بارندگی را به طور فزاینده‌ای نامنظم می‌کنند، یادگیری نحوه واکنش گیاهان به کمبود آب برای انعطاف پذیری بیشتر محصولات، حیاتی است.

ریشه دواندن

مالکوم بنت استاد علوم گیاهی و پونام مهرا دانشجوی فوق دکترا در علوم زیستی از دانشگاه ناتینگهام به تازگی کشف کرده‌اند که ریشه‌های گیاهان چگونه شکل خود را برای به حداکثر رساندن جذب آب تطبیق می‌دهند.

ریشه‌ها معمولاً به صورت افقی منشعب می‌شوند، اما زمانی که تماس خود را با آب از دست می‌دهند (مانند رشد در یک شکاف پر از هوا در خاک) انشعاب آن‌ها متوقف می‌شود و ریشه‌ها تنها پس از اتصال مجدد به خاک مرطوب، انشعاب خود را از سر می‌گیرند.

پژوهشگران می‌گویند، ما دریافتیم که گیاهان از سیستمی به نام هیدروسیگنالینگ (Hydrosignalling) برای مدیریت محل انشعاب ریشه‌ها در پاسخ به دسترسی به آب در خاک استفاده می‌کنند.

هیدروسیگنالینگ روشی است که گیاهان با آن متوجه مکان حضور آب می‌شوند، نه با اندازه‌گیری سطوح رطوبت به طور مستقیم، بلکه با سنجش سایر مولکول‌های محلول که همراه با آب در گیاهان حرکت می‌کنند. این تنها به این دلیل امکان‌پذیر است که برخلاف سلول‌های حیوانی، سلول‌های گیاهی توسط منافذ کوچکی به یکدیگر متصل هستند. این منافذ آب و مولکول‌های کوچک محلول (از جمله هورمون‌ها) را قادر می‌سازد تا بین سلول‌های ریشه و بافت‌ها حرکت کنند؛ بنابراین هنگامی که آب توسط ریشه گیاه جذب می‌شود، از بیرونی‌ترین سلول‌های اپیدرمی عبور می‌کند.

سلول‌های خارجی ریشه نیز حاوی هورمونی موسوم به اکسین (auxin) هستند که ریشه دوانی را تقویت می‌کند. جذب آب با تحرک اکسین به سمت داخل به بافت‌های داخلی ریشه باعث انشعاب ریشه می‌شود. هنگامی که آب دیگر در خارج در دسترس نیست، مثلاً وقتی ریشه در شکافی پر از هوا رشد می‌کند، نوک ریشه هنوز برای رشد به آب نیاز دارد؛ بنابراین وقتی گیاهان نمی‌توانند آب را از خاک جذب کنند، باید به یافتن و جذب آب از رگه‌های عمیق ریشه‌ی خود تکیه کنند. این امر جهت حرکت آب را تغییر می‌دهد و باعث می‌شود که اکنون به سمت خارج حرکت کند که در نتیجه، جریان انشعاب هورمون اکسین را مختل می‌کند.

گیاه همچنین در رگه‌های ریشه خود هورمونی ضد انشعاب به نام ABA می‌سازد. هورمون ABA با جریان آب در جهت مخالف اکسین حرکت می‌کند؛ بنابراین وقتی رگه‌های ریشه از آب تهی می‌شود، ریشه‌ها نیز هورمون ضد انشعاب را به سمت خود می‌کشند.

هورمون ABA با بستن تمام منافذ کوچکی که سلول‌های ریشه را به هم متصل می‌کنند، انشعاب ریشه را متوقف می‌کند. این کار، سلول‌های ریشه را از یکدیگر جدا می‌کند و مانع از حرکت آزادانه اکسین با آب می‌شود و انشعاب ریشه را مسدود می‌کند. این سیستم ساده به ریشه‌های گیاه اجازه می‌دهد تا شکل خود را با شرایط آب محلی تنظیم کند که به آن زیروبرنچینگ (xerobranching) می‌گویند.

قدرت گل

پژوهشگران می‌گویند، مطالعه ما همچنین نشان داد که ریشه‌های یک گیاه از سیستم مشابهی برای کاهش اتلاف آب مانند شاخه‌های آن استفاده می‌کنند. برگ‌ها با بستن منافذ ریز به نام روزنه هوایی (stomata) بر روی سطح خود، از کاهش آب در شرایط خشکسالی جلوگیری می‌کنند. بسته شدن روزنه‌ها نیز توسط هورمون ABA تحریک می‌شود. به طور مشابه، ABA در ریشه با بستن نانو منافذی به نام پلاسمودسم (plasmodesmata) که هر سلول ریشه را به هم متصل می‌کند، از دست رفتن آب را کاهش می‌دهد.

پلاسمودسم‌ها کانال‌های میکروسکوپی هستند که در عرض دیواره سلولی سلول‌های گیاهی و برخی جلبک‌ها قرار دارند و موجب برقراری ارتباط بین سلول‌ها می‌گردند.

ریشه‌های گوجه‌فرنگی، رشادی گوش‌موشی، ذرت، گندم و جو، به رغم تکامل در خاک‌ها و اقلیم‌های مختلف، به این طریق به رطوبت واکنش می‌دهند. به عنوان مثال، گوجه فرنگی از صحرا‌های آمریکای جنوبی منشاء می‌گیرد، در حالی که رشادی گوش‌موشی از مناطق معتدل آسیای مرکزی می‌آید. این نشان می‌دهد که زیروبرنچینگ یک ویژگی رایج در گیاهان گلدار است که بیش از ۲۰۰ میلیون سال جوان‌تر از گیاهان غیرگل‌دار مانند سرخس هستند.

ریشه‌های سرخس که یک گونه گیاهی در حال تکامل اولیه است، به این شکل به آب واکنش نشان نمی‌دهد. ریشه‌های آن‌ها یکنواخت‌تر رشد می‌کند. این نشان می‌دهد که گونه‌های گل‌دار نسبت به گیاهان قبلی مانند سرخس در سازگاری با تنش آبی بهتر عمل می‌کنند.

گیاهان گل‌دار می‌توانند طیف وسیع‌تری از اکوسیستم‌ها و محیط‌ها را نسبت به گونه‌های غیر گل‌دار تصاحب کنند.

دانشمندان در پایان می‌گویند با توجه به تغییرات سریع الگو‌های بارندگی در سراسر جهان، توانایی گیاهان برای احساس و انطباق با طیف وسیعی از شرایط رطوبت خاک در حال حاضر بیش از هر زمان دیگری مهم است.