Le piante lo hanno colonizzarono la stragrande maggioranza della superficie terrestre. Allora qual è la chiave del loro successo?
Le persone spesso pensano alle piante come a forme di vita semplici e insensate. Possono vivere radicati in un posto, ma più gli scienziati imparano sulle piante, tanto più complesso e reattivo ci rendiamo conto che lo sono. Sono eccellenti nell'adattarsi alle condizioni locali. Le piante sono specializzate e sfruttano al massimo ciò che si trova vicino a dove germinano.
Tuttavia, apprendere le complessità della vita vegetale è qualcosa di più che ispirare meraviglia nelle persone. Studiare le piante significa anche accertarsene possiamo ancora coltivare i raccolti in futuro poiché il cambiamento climatico rende il nostro clima sempre più estremo.
I segnali ambientali modellano la crescita e lo sviluppo delle piante. Ad esempio, molte piante usano la durata del giorno come spunto per innescare la fioritura. Anche la metà nascosta delle piante, le radici, utilizza i segni dell'ambiente circostante per garantire che la loro forma sia ottimizzata per procurarsi acqua e sostanze nutritive.
Le radici proteggono le piante da stress come la siccità adattando la loro forma (ramificandosi per aumentare la loro superficie, ad esempio) per trovare più acqua. Ma fino a poco tempo fa non capivamo come le radici percepissero se l’acqua era disponibile nel terreno circostante.
L’acqua è la molecola più importante sulla Terra. Troppo o troppo poco possono distruggere un ecosistema. L’impatto devastante del cambiamento climatico (come osservato di recente in Europa e Africa orientale) si sta facendo sentire sia le inondazioni che la siccità sono più comuni. Da cambiamento climatico is creare schemi di precipitazione sempre più irregolare, imparando come rispondono le piante mancanza d'acqua è vitale per rendere le colture più resilienti.
Il nostro team di scienziati e matematici delle piante e del suolo Recentemente scoperto come radici delle piante adattare la loro forma per massimizzare l'assorbimento di acqua. Le radici normalmente si ramificano orizzontalmente. Ma interrompono la ramificazione quando perdono il contatto con l'acqua (come quando crescono attraverso uno spazio pieno d'aria nel terreno) e le radici riprendono a ramificarsi solo quando si riconnettono al terreno umido.
Il nostro team ha scoperto che le piante utilizzano un sistema chiamato segnalazione idraulica per gestire dove le radici si ramificano in risposta a disponibilità di acqua nel terreno
L’idrosegnalazione è il modo in cui le piante percepiscono dove si trova l’acqua, non misurando direttamente i livelli di umidità ma rilevando altre molecole solubili che si muovono con l’acqua all’interno delle piante. Questo è possibile solo perché (a differenza cellule animali) le cellule vegetali sono collegate tra loro da piccoli pori.
Questi pori consentono all'acqua e alle piccole molecole solubili (compresi gli ormoni) di muoversi insieme radice cellule e tessuti. Quando l'acqua viene assorbita dalla radice della pianta, viaggia attraverso le cellule epidermiche più esterne.
Le cellule della radice esterna contengono anche a ormone che promuove la ramificazione chiamato auxina. L'assorbimento di acqua innesca la ramificazione mobilitando l'auxina verso l'interno dei tessuti radicali interni. Quando l'acqua non è più disponibile esternamente, ad esempio quando una radice cresce attraverso uno spazio pieno d'aria, la punta della radice ha ancora bisogno di acqua per crescere.
Quindi, quando le radici non possono assorbire l'acqua dal terreno, devono fare affidamento sull'acqua proveniente dalle loro stesse vene profonde all'interno della radice. Ciò cambia la direzione del movimento dell'acqua, facendola muovere verso l'esterno, interrompendo il flusso dell'ormone ramificato auxina.
La pianta fa anche un ormone anti-ramificazione chiamato ABA nelle sue vene radicali. Anche l'ABA si muove con il flusso dell'acqua, nella direzione opposta all'auxina. Quindi, quando le radici attingono l'acqua dalle vene delle piante, attirano verso di sé anche l'ormone antiramificazione.
L’ABA blocca la ramificazione delle radici chiudendo tutti i piccoli pori che collegano le cellule radicali, un po’ come le porte anti-esplosione su una nave. Questo isola le cellule radicali le une dalle altre e impedisce all’auxina di muoversi liberamente con l’acqua, bloccando la ramificazione delle radici. Questo semplice sistema consente alle radici delle piante di adattare la loro forma alle condizioni idriche locali. Suo chiamato xeroramificazione (pronunciato zerobranching).
Il nostro studio ha anche scoperto che le radici di una pianta utilizzano un sistema simile a quello dei germogli per ridurre la perdita d'acqua. Le foglie fermano la perdita d'acqua durante condizioni di siccità chiudendo micropori chiamati stomi sulla loro superficie. La chiusura degli stomi è innescata anche dall'ormone ABA. Allo stesso modo, nelle radici l'ABA si riduce perdita d'acqua chiudendo nano-pori chiamati plasmodesmi che collegano insieme ogni cellula della radice.
Le radici del pomodoro, del crescione, del mais, del grano e dell'orzo rispondono tutte in questo modo all'umidità, nonostante si evolvano in terreni e climi diversi. Per esempio, i pomodori sono originari del deserto del Sud America, mentre crescione proviene dalle regioni temperate dell'Asia centrale. Ciò suggerisce che la xeroramificazione è una caratteristica comune nelle piante da fiore, che sono più giovani di oltre 200 milioni di anni rispetto alle piante non fiorite come le felci.
Le radici delle felci, una specie di piante terrestri in evoluzione precoce, non rispondono all'acqua in questo modo. Le loro radici crescono in modo più uniforme. Ciò suggerisce che le specie da fiore si adattano meglio acqua stress rispetto alle piante terrestri precedenti come le felci.
Le piante da fiore possono colonizzare una gamma più ampia di ecosistemi e ambienti rispetto alle specie non fiorite. Dati i rapidi cambiamenti nei modelli delle precipitazioni in tutto il mondo, la capacità di piante percepire e adattarsi a un’ampia gamma di condizioni di umidità del suolo è ora più importante che mai.