Växter förlängs och böjs för att säkra tillgång till solljus. Trots att de observerat detta fenomen i århundraden förstår forskare det inte helt. Nu har Salk-forskare upptäckt att två växtfaktorer - proteinet PIF7 och tillväxthormonet auxin - är de utlösare som påskyndar tillväxten när växter skuggas av baldakin och samtidigt utsätts för varma temperaturer.

Resultaten, publicerade i Nature Communications den 29 augusti 2022, kommer att hjälpa forskare att förutsäga hur växter kommer att reagera på klimatförändringar – och öka grödans produktivitet trots den skördeskadande globala temperaturökningen.

"Just nu odlar vi grödor i vissa tätheter, men våra resultat tyder på att vi kommer att behöva sänka dessa tätheter för att optimera tillväxten när vårt klimat förändras", säger seniorförfattaren professor Joanne Chory, chef för Salks växtmolekylära och cellulära biologilaboratorium och Howard Hughes Medical Institute utredare. "Att förstå den molekylära grunden för hur växter reagerar på ljus och temperatur kommer att tillåta oss att finjustera grödansiteten på ett specifikt sätt som leder till de bästa skördarna."

Under groning förlänger plantor snabbt sina stjälkar för att bryta igenom den täckande jorden för att fånga solljus så snabbt som möjligt. Normalt saktar stammen sin tillväxt efter exponering för solljus. Men stammen kan förlängas snabbt igen om växten konkurrerar med omgivande växter om solljus, eller som svar på varma temperaturer för att öka avståndet mellan den varma marken och växtens blad. Även om båda miljöförhållandena – skugga på baldakin och varma temperaturer – inducerar stamtillväxt, minskar de också avkastningen.

I den här studien jämförde forskarna växter som växer i baldakinskugga och varma temperaturer på samma gång - ett tillstånd som efterliknar hög skördetäthet och klimatförändringar. Forskarna använde modellväxten Arabidopsis thaliana, samt tomat och en nära släkting till tobak, eftersom de var intresserade av att se om alla tre växtarterna påverkades på liknande sätt av detta miljötillstånd.

För alla tre arterna fann teamet att växterna blev extremt höga när de samtidigt försökte undvika skuggan som skapades av närliggande växter och utsättas för varmare temperaturer. På molekylär nivå upptäckte forskarna att transkriptionsfaktorn PIF7, ett protein som hjälper till att slå på och "av" gener, var den dominerande aktören som driver den ökade snabba tillväxten. De fann också att tillväxthormonet auxin ökade när grödorna upptäckte närliggande växter, vilket främjade tillväxt som svar på samtidiga varmare temperaturer. Denna synergistiska PIF7-auxin-väg tillät växterna att reagera på sina miljöer och anpassa sig för att söka de bästa odlingsförhållandena.

En relaterad transkriptionsfaktor, PIF4, stimulerade också stamförlängning under varma temperaturer. Men när skugga och ökade temperaturer kombinerades spelade denna faktor inte längre någon viktig roll.

"Vi blev förvånade över att finna att PIF4 inte spelade någon större roll eftersom tidigare studier har visat vikten av denna faktor i relaterade tillväxtsituationer", säger första författaren Yogev Burko, en Salk-personalforskare och biträdande professor vid Agriculture Research Organization vid Volcani Institute i Israel. "Det faktum att PIF7 är den dominerande drivkraften bakom denna växttillväxt var en riktig överraskning. Med denna nya kunskap hoppas vi kunna finjustera denna tillväxtrespons hos olika växtväxter för att hjälpa dem att anpassa sig till klimatförändringarna."

Forskarna tror att det finns en annan spelare som ännu inte har upptäckts, som ökar effekten av PIF7 och auxin. De hoppas kunna utforska denna okända faktor i framtida studier. Burkos labb kommer också att studera hur denna väg kan optimeras i växter.

"De globala temperaturerna ökar, så vi behöver matgrödor som kan frodas under dessa nya förhållanden", säger Chory, som är medledare för Salks Harnessing Plants Initiative och innehar Howard H. och Maryam R. Newmans ordförande i växtbiologi. "Vi har identifierat nyckelfaktorer som reglerar växternas tillväxt under varma temperaturer, vilket kommer att hjälpa oss att utveckla bättre presterande grödor för att föda framtida generationer."

Andra författare inkluderade Björn Christopher Willige och Adam Seluzicki från Salk; Ondřej Novák från Palacký University och Institutet för experimentell botanik vid Tjeckiska vetenskapsakademin; och Karin Ljung från Sveriges Lantbruksuniversitet. + Utforska vidare

Hur växter snabbt anpassar sig till skiftande miljöförhållanden