En biologisk mekanism som är bekant för människor som snabbt hjälper växtrötter att växa sig starka. Upptäckten av forskare från Köpenhamns universitet ger ett svar på en länge obesvarad fråga och en djupare förståelse för växternas "munnar" som kan hjälpa till att utveckla klimattåliga grödor.
Föreställ dig att äta med fötterna och ha halva kroppen under jorden. Sådant är livet för de flesta växter, med rötter som munnar genom vilka de äter och dricker. Rötter tjänar också till att förankra växter och hålla dem säkra i vind och regn. Faktum är att rötter är avgörande för en växts liv.
Men många saker är fortfarande okända om växternas liv. Hur de växer sina rötter stora och starka har länge varit en fråga och det saknas nyckelbitar i pusslet.
I en ny studie publicerad nyligen delar forskare från Köpenhamns universitets biologiavdelning sin upptäckt av hur växter kontrollerar rottillväxt.
Det visar sig att en välgörande saneringsmekanism i växtceller som kallas autofagi spelar en nyckelroll. Samma mekanism finns hos människor och är en del av en populär hälsotrend.
"Fasta har blivit populärt då det verkar ha en rad hälsofrämjande effekter hos människor, eftersom perioder utan mat får kroppen att aktivera en saneringsprocess för att göra sig av med olika slaggprodukter i cellerna. I vår studie har vi bevisat att samma mekanism, som även finns i växtriket, spelar en avgörande roll för växtrötternas förmåga att växa och absorbera vatten och näring för resten av växten”, förklarar biträdande professor Eleazar Rodriguez från biologiska institutionen, som ledde studien.
Det har länge varit känt att auxin, ett växthormon, kontrollerar växttillväxt, inklusive rottillväxt. Auxin är ett bränsle för ett slags "hjärtslag" som slår i varje rotspets på en växt. Ungefär var fjärde till var sjätte timme når auxinnivåerna och hjärtslag i en växts rötter ett maximum som får nya rötter att växa.
"Rörelsen av en rot är nästan som att se en orm som glider fram på jakt efter vatten och näring i jorden. Och vi kan se att hjärtslag är starkast varje gång roten slingrar sig fram", säger Rodriguez.
Men hur växter styr sina hjärtslag för att optimera rottillväxten har förblivit en obesvarad fråga. Det är här anläggningens inre saneringsmekanism kommer in i bilden.
"I våra experiment inaktiverade vi saneringsmekanismen för att förstå dess betydelse. Tänk om varje sophämtare i Köpenhamn gick ut i strejk — det skulle inte dröja länge innan skräpet fyllde gatorna. Samma sak hände i växtcellerna, som hjärtslagen som driver rottillväxten blev mycket svagare och gick ur synkronisering", förklarar Rodriguez.
Genom att göra detta kunde forskarna dra slutsatsen att rensningsmekanismen hjälper till att hålla nivåerna av olika biokemiska komponenter i perfekt balans för att ge den mest effektiva rottillväxten.
Kan hjälpa till att gro nya klimattåliga grödor
Enligt forskarna kan den nya kunskapen om växtrötter visa sig viktig i kampen mot klimatförändringarna. Längre perioder av torka och översvämningar är en ny normal som ställer större krav på livsmedelssäkerhet. Som sådan, rötterna till grödorna, som måste kunna växa även under dessa svåra förhållanden.
"Det finns många metoder för att förändra växters genetiska egenskaper idag. Dessa kan användas för att få växter att utveckla längre rötter, snabbare och på så sätt bli mer motståndskraftiga mot torka eller översvämningar. En av metoderna tar hjälp av bakterier som lever i symbios med växten och kan få växten att ändra sitt växtmönster. Flera företag i Danmark arbetar med detta just nu, förklarar Ph.D. student Jeppe Ansbøl som var medförfattare till studien.
Den nya kunskapen gäller alla blommande växter och kanske fler, enligt forskaren. I princip kan grödor som tomater, potatis, ris, vete och majs ändras för att växa mer och tätare rötter, eftersom vi nu vet hur växter får sina rötter att växa.
"Ju fler rötter växterna har desto mer vatten och näring kan de ta, så växterna växer bättre snabbare. Vi är starkt beroende av växter eftersom de matar oss, extraherar CO2 från atmosfären och producerar det syre vi andas. Som sådan är det oerhört viktigt att förstå dem till fullo, för vilket ändamål vi just har tagit ett stort steg framåt", avslutar Rodriguez.
Autofagi betyder "självätande" och är en nyckelmekanism när växter utvecklar rötter. För att undersöka betydelsen av autofagi utvecklade forskarna en mutant Arabidopsis (talkrasse) växt där dess autofagi var inaktiverad.
Samtidigt gjorde de proteinet ARF7 självlysande, som är det protein som styr auxinsvaren och som växtcellens sophämtare städar upp för att ge optimal rottillväxt. Anläggningens sophämtare samlar in avfall från celler och transporterar det till en slags återvinningsstation i anläggningen som kallas vakuol.
"När vi störde anläggningens autofagi fanns det avfall överallt, och vi kunde detektera ARF7-proteinet bland avfallet", säger Rodriguez.
Mer information: Elise Ebstrup et al, NBR1-medierad selektiv autofagi av ARF7 modulerar rotförgrening, EMBO Reports (2024). DOI:10.1038/s44319-024-00142-5
Journalinformation: EMBO-rapporter
Tillhandahålls av Köpenhamns universitet
