Forskere fra University of California har oppdaget genetiske data som vil hjelpe matvekster som tomater og ris til å overleve lengre, mer intense tørkeperioder på vår varmere planet.
I løpet av det siste tiåret søkte forskerteamet å lage et molekylært atlas over avlingerøtter, der planter først oppdager effekten av tørke og andre miljøtrusler. På den måten avdekket de gener som forskere kan bruke for å beskytte plantene mot disse påkjenningene. Arbeidet deres, publisert 20. mai i tidsskriftet Cell, oppnådde en høy grad av forståelse av rotfunksjonene fordi den kombinerte genetiske data fra forskjellige celler av tomatrøtter dyrket både innendørs og utendørs.
"Ofte gjør forskere laboratorie- og drivhuseksperimenter, men bønder dyrker ting i felten, og disse dataene ser også på feltprøver," sa Neelima Sinha, professor i plantebiologi ved UC Davis og medforfatter av papiret. Dataene ga informasjon om gener som forteller planten å lage tre viktige ting.
Xylem er hule, rørlignende kar som transporterer vann og næring fra røttene og helt opp til skuddene. Uten transport i xylem kan ikke planten skape sin egen mat via fotosyntese. "Xylem er veldig viktig for å støtte planter mot tørke så vel som salt og andre påkjenninger," sa hovedforfatter av studien Siobhan Brady, professor i plantebiologi ved UC Davis.
I sin tur, uten plantemineraltransport i xylem, ville mennesker og andre dyr ha færre vitaminer og næringsstoffer som er avgjørende for vår overlevelse. I tillegg til noen typiske spillere som trengs for å danne xylem, ble nye og overraskende gener funnet.
Det andre nøkkelsettet med gener er de som leder et ytre lag av roten til å produsere lignin og suberin. Suberin er nøkkelstoffet i kork, og det omgir planteceller i et tykt lag, og holder på vann under tørke. Avlinger som tomater og ris har suberin i røttene. Eplefrukter har suberin rundt sine ytre celler. Hvor som helst det forekommer, forhindrer det at planten mister vann. Lignin gjør også vanntette celler og gir mekanisk støtte.
"Suberin og lignin er naturlige former for tørkebeskyttelse, og nå som genene som koder for dem i dette svært spesifikke laget av celler er identifisert, kan disse forbindelsene forbedres," sa studiemedforfatter Julia Bailey-Serres, en UC Riverside professor i genetikk. "Jeg er glad for at vi har lært så mye om genene som regulerer dette fuktighetsbarrierelaget. Det er så viktig for å kunne forbedre tørketoleransen for avlinger, sa hun.
Gener som koder for en plantes rotmeristem viste seg også å være bemerkelsesverdig like mellom tomat, ris og Arabidopsis, en ugresslignende modellplante. Meristemet er den voksende spissen av hver rot, og det er kilden til alle cellene som utgjør roten.
"Det er regionen som kommer til å lage resten av roten, og fungerer som dens stamcelle-nisje," sa Bailey-Serres. "Det dikterer egenskapene til røttene selv, for eksempel hvor store de blir. Å ha kunnskap om det kan hjelpe oss med å utvikle bedre rotsystemer."
Brady forklarte at når bønder er interessert i en bestemt avling, velger de planter som har egenskaper de kan se, for eksempel større, mer attraktive frukter. Mye vanskeligere er det for oppdrettere å velge planter med egenskaper under bakken de ikke kan se.
"Den 'skjulte halvdelen' av en plante, under bakken, er avgjørende for oppdrettere å vurdere om de ønsker å dyrke en plante vellykket," sa Brady. "Å være i stand til å modifisere meristem av en plantes røtter vil hjelpe oss å konstruere avlinger med mer ønskelige egenskaper."
Selv om denne studien bare analyserte tre planter, mener teamet at funnene kan brukes bredere. "Tomat og ris er adskilt av mer enn 125 millioner år med evolusjon, men vi ser fortsatt likheter mellom genene som kontrollerer nøkkelegenskaper," sa Bailey-Serres. "Det er sannsynlig at disse likhetene gjelder for andre avlinger også."