Σε δύο δημοσιεύσεις, οι βιολόγοι της Ουτρέχτης και διεθνείς συνάδελφοι περιγράφουν διαδικασίες που χρησιμοποιούνται από τα φυτά για να προσαρμοστούν στη ζεστασιά. Οι ανακαλύψεις παρέχουν πληροφορίες για το πώς τα φυτά λειτουργούν βέλτιστα σε χαμηλές βέλτιστες θερμοκρασίες. Θα μπορούσε επίσης να αποτελέσει ένα βήμα για τον έλεγχο της ανάπτυξης των φυτών και να τα καταστήσει πιο ανθεκτικά στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Οι ερευνητές δημοσιεύουν τα αποτελέσματά τους στο The Plant Journal and Nature Communications.
Πολικές αρκούδες στην έρημο
Ωστόσο, πολλά είδη φυτών έχουν αναπτύξει τρόπους αντιμετώπισης υψηλότερων θερμοκρασιών. «Σε αντίθεση με τα ζώα, πολλά φυτά μπορούν να προσαρμόσουν το σχήμα του σώματός τους σε απόκριση στη ζεστασιά και άλλους περιβαλλοντικούς παράγοντες», λέει ο ερευνητής Martijn van Zanten, ο οποίος συνδέεται με το Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης και συνέβαλε και στις δύο εκδόσεις. «Τα ζώα είναι μια εντελώς διαφορετική ιστορία. Με απλά λόγια, εάν τοποθετήσετε μια πολική αρκούδα στην έρημο, θα εξακολουθεί να μοιάζει με πολική αρκούδα με παχύ γούνινο παλτό. Αλλά αν ένα φυτό μεγαλώνει σε θερμότερες συνθήκες, θα προσαρμόσει ανάλογα το σχήμα του σώματός του. Με αυτόν τον τρόπο, το εργοστάσιο προσπαθεί να λειτουργεί βέλτιστα κάτω από αυτές τις λιγότερο ευνοϊκές συνθήκες. "
Από συμπαγή έως ανοιχτή μορφή φυτού
Πολλά είδη φυτών μπορούν να προσαρμόσουν το σχήμα των στελεχών και των φύλλων τους για να τα κάνουν πιο ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό ισχύει επίσης για το κάρδαμο thale (Arabidopsis thaliana), που θεωρείται από πολλούς βιολόγους φυτών ως το αγαπημένο τους φυτικό μοντέλο. Σε ψυχρές συνθήκες, αυτά τα φυτά είναι συμπαγή και έχουν τα φύλλα τους κοντά στο έδαφος. Όταν αυξάνονται οι θερμοκρασίες, παίρνουν μια πιο ανοιχτή στάση. Τα φύλλα, για παράδειγμα, γίνονται πιο όρθια. Αυτό μειώνει σημαντικά την άμεση ακτινοβολία από τον ήλιο. Επιπλέον, οι μίσχοι των φύλλων θα τεντωθούν, επιτρέποντας περισσότερο αέρα να περάσει τα φύλλα και να διαλύσει τη θερμότητα.
Επιθυμητό και ανεπιθύμητο τέντωμα
Ωστόσο, σε καλλιέργειες και (κομμένα) λουλούδια, αυτό το είδος τεντώματος είναι συχνά ανεπιθύμητο. Οι καλλιεργητές θέλουν να ελέγξουν αυτές τις αλλαγές καθώς το τέντωμα μπορεί να εμποδίσει την ποιότητα του προϊόντος. «Ωστόσο, ταυτόχρονα, απαιτείται προσαρμογή για να καταστούν οι καλλιέργειες πιο ανθεκτικές στις υψηλότερες θερμοκρασίες που προκύπτουν από την κλιματική αλλαγή. Αυτό είναι απαραίτητο για να διατηρηθεί η παραγωγή μακροπρόθεσμα », λέει ο Van Zanten.
Καθιστώντας τα φυτά πιο ανθεκτικά στο κλίμα
«Πολλές καλλιεργημένες καλλιέργειες έχουν χάσει την ικανότητα να ανταποκρίνονται καλά σε υψηλότερες θερμοκρασίες», λέει ο Van Zanten. "Σε διάφορες καλλιέργειες, εξαφανίστηκε κατά τη διαδικασία εξημέρωσης και αναπαραγωγής, καθώς οι κτηνοτρόφοι επικεντρώθηκαν κυρίως σε άλλα χαρακτηριστικά."
Με την κλιματική αλλαγή να αυξάνει τις θερμοκρασίες, ο Van Zanten λέει ότι υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη να καταστούν τα φυτά πιο ανθεκτικά στο κλίμα. Αυτό απαιτεί γνώση του τρόπου με τον οποίο τα φυτά αντιμετωπίζουν υψηλότερες θερμοκρασίες. Πώς μετατρέπουν τα σήματα θερμοκρασίας που λαμβάνουν σε προσαρμογές ανάπτυξης; Η έρευνα των μοριακών μηχανισμών με τους οποίους τα φυτά προσαρμόζονται σε μη βέλτιστη θερμοκρασία, επιτρέπει εργαλεία για την προσαρμογή της αρχιτεκτονικής των καλλιεργειών μέσω της αναπαραγωγής. "
Ο μοριακός μηχανισμός ενεργοποιεί τη στάση της θερμότητας
Τα φυτά κάρδαμου που δεν προσαρμόζονται πλέον σε υψηλότερες θερμοκρασίες εμφανίζονται μπορούν να ανακτήσουν αυτήν την ικανότητα όταν εκτίθενται σε ορισμένες χημικές ουσίες. Αυτό ανακαλύφθηκε από μια διεθνή ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Van Zanten. Η ομάδα δοκίμασε μεγάλο αριθμό ουσιών σε ένα μετάλλαγμα κάρδαμου thale που δεν προσαρμόζεται πλέον σε υψηλές θερμοκρασίες. Βρήκαν ένα μόριο που μπορεί να «ενεργοποιήσει» την προσαρμογή σε υψηλή θερμοκρασία σε νεαρά φυτά, ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Οι ερευνητές αποκαλούν αυτή την ένωση «Heatin». Με χημική τροποποίηση του μορίου και στη συνέχεια μελετώντας ποιες πρωτεΐνες μπορούν να συνδεθούν στη θέρμανση, βρήκαν μια ομάδα πρωτεϊνών που ονομάζονται νιτριλάσες. Η αναγνωρισμένη υποομάδα είναι γνωστό ότι εμφανίζεται μόνο σε λάχανα και συναφή είδη, συμπεριλαμβανομένου του κάρδαμου.
Μαζί με μια εταιρεία αναπαραγωγής φυτών, οι βιολόγοι ανακάλυψαν ότι πράγματι τα είδη λάχανου ανταποκρίνονται στη θέρμανση. Ανακάλυψαν επίσης ότι οι νιτριλάσες απαιτούνται για προσαρμογή σε υψηλή θερμοκρασία, πιθανώς επειδή επιτρέπουν την παραγωγή της γνωστής αυξητικής ορμόνης αυξίνης. Οι ερευνητές δημοσίευσαν αυτήν την ανακάλυψη στο The Plant Journal.
Νέα διαδρομή για προσαρμογή σε υψηλή θερμοκρασία
Η δημοσίευση των αποτελεσμάτων Heatin συμπίπτει με μια άλλη έκδοση, σήμερα στο Nature Communications. Την έρευνα αυτή οδήγησαν επιστήμονες στο ινστιτούτο VIB στο Βέλγιο, με τον Van Zanten να συμμετέχει επίσης. Η ομάδα ανακάλυψε μια προηγουμένως απαράδεκτη πρωτεΐνη που ρυθμίζει τον τρόπο προσαρμογής των φυτών σε ένα θερμότερο περιβάλλον. Η πρωτεΐνη ονομάστηκε MAP4K4 / TOT3, με TOT που σημαίνει Στόχος θερμοκρασίας.
Είναι αξιοσημείωτο ότι η διαδικασία που βασίζεται στο TOT3 είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητη από όλες τις άλλες οδούς σηματοδότησης που οι βιολόγοι έχουν μέχρι τώρα συνδεθεί με την προσαρμογή της θερμότητας στα φυτά. Επιπλέον, οι προσαρμογές του TOT3 δεν φαίνεται να εξαρτώνται από την ποσότητα και τη σύνθεση του φωτός που λάμπει σε ένα φυτό.
Van Zanten: «Υπάρχει μεγάλη επικάλυψη στους μοριακούς μηχανισμούς με τους οποίους τα φυτά προσαρμόζουν την ανάπτυξη στην μεταβαλλόμενη σύνθεση φωτός και σε υψηλή θερμοκρασία. Με το TOT3, έχουμε τώρα έναν παράγοντα με τον οποίο μπορούμε να ελέγξουμε την ανάπτυξη σε υψηλές θερμοκρασίες, χωρίς να παρεμβαίνουμε στον τρόπο με τον οποίο το εργοστάσιο αντιμετωπίζει το φως. "
Ευρείες εφαρμογές
«Αυτό που το κάνει ακόμα πιο ενδιαφέρον», λέει ο Van Zanten, «είναι ότι το TOT3 παίζει παρόμοιο ρόλο στην προσαρμογή της ανάπτυξης κάτω από υψηλή θερμοκρασία τόσο στο κάρδαμο όσο και στο σιτάρι. Αυτά τα δύο είδη είναι γενετικά αρκετά διαχωρισμένα μεταξύ τους. Έτσι προσφέρει μεγάλες δυνατότητες για ευρείες εφαρμογές. "
Εναλλακτική λύση στους αναστολείς της ανάπτυξης
Τελικά, οι ανακαλύψεις του TOT3 και ο ρόλος των νιτριλασών μπορούν να βοηθήσουν στη συνέχιση της καλλιέργειας επαρκών καλλιεργειών, ακόμη και όταν οι θερμοκρασίες αυξάνονται λόγω της κλιματικής αλλαγής. Οι ανακαλύψεις προσφέρουν επίσης ευκαιρίες για την ανάπτυξη εναλλακτικών ουσιών έναντι των χημικών που χρησιμοποιούνται συχνά για την αναστολή της ανάπτυξης των φυτών. Για παράδειγμα, ο Van Zanten αναφέρει κομμένα λουλούδια, τα οποία ανταποκρίνονται πολύ έντονα στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Στην ανθοκομία, επομένως, πολλοί αναστολείς ανάπτυξης χρησιμοποιούνται για να διατηρήσουν τα φυτά ωραία και συμπαγή.
«Τη στιγμή που αγοράζεις τουλίπες, για παράδειγμα, έχουν ακόμα ένα ωραίο κοντό στέλεχος», λέει ο Van Zanten. «Αλλά μετά από λίγες μέρες στο σπίτι σου, αρχίζουν να κρέμονται πάνω από την άκρη του αγγείου. Οι υψηλότερες εσωτερικές θερμοκρασίες αναγκάζουν τα φυτά να τεντωθούν, οδηγώντας τους τελικά να χαλαρώσουν και να κάμψουν. Ελπίζουμε ότι η νέα γνώση θα συμβάλει στην επιλογή νέων ποικιλιών λουλουδιών που εκτείνονται λιγότερο κάτω από υψηλές θερμοκρασίες. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να μειώσουμε τη χρήση επιβλαβών αναστολέων ανάπτυξης. "
Για περισσότερες πληροφορίες:
Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης
www.uu.nl