Sådan bruger planter ingeniørprincipper til at trænge gennem hård jord

Det er et voksende problem rundt om på kloden. Tunge køretøjer og maskiner i moderne landbrug presser jorden så meget sammen, at afgrøderne har svært ved at vokse. Fænomenet kendes også som traktose eller jordpakning. Og flere og flere steder forværres problemet af den tørke, som klimaforandringerne bringer med sig.

Men måske kan planterne selv løse det problem – med hjælp fra os mennesker. Vi ved nemlig, at når jorden bliver hård og tæt, kan planter reagere ved at gøre deres rødder tykkere, så de bedre kan trænge igennem jorden. Hidtil har man dog ikke vidst, hvordan planterne gør det – kun at plantehormonet ethylen på en eller anden måde spiller en central rolle.

Nu har forskere fra bl.a. Københavns Universitet, Shanghai Jiao Tong University og University of Nottingham samlet brikkerne og fundet forklaringen. Resultaterne er udgivet i det højtestimerede tidsskrift Nature.

”Fordi vi nu ved, hvordan planter kan ’tune’ deres rødder, når de støder på kompakt jord, kan vi aktivere dem til at gøre det mere effektivt,” siger Staffan Persson, professor på Københavns Universitet og sidsteforfatter på studiet.

Biologisk kile i jorden

Forskerne har opdaget, at når jorden er kompakt, og hormonet ethylen ophober sig rundt om roden, aktiverer hormonet et gen ved navn OsARF1. Og dette gen sørger for at dæmpe produktionen af cellulose i visse af rodens celler. Dette gør cellevæggene i røddernes midterste lag tyndere og blødere og dermed mere fleksible, så rødderne får plads til at svulme op og udvide sig. Samtidig bliver det yderste lag af rødderne (epidermis) tykkere og stivere.

”Vi kan altså se, at rødderne ændrer deres struktur på en måde, der følger et basalt ingeniørprincip: Jo større et rør er i diameter, og jo stærkere ydervæggen er, desto bedre kan det modstå kollaps, når det presses ind i et kompakt materiale,” siger Bipin Pandey, seniorforfatter og lektor på University of Nottingham.

Kombinationen af at rødderne udvider deres omkreds og forstærker deres stærkere ydre lag, får rødderne til at fungere som en slags biologisk kile i jorden, som letter plantens vej ned i jorden.

“Det er fascinerende at se, hvordan planter bruger mekaniske principper, som vi kender fra byggeri og design, til at løse biologiske udfordringer,” siger Staffan Persson.

Kan give planter bedre vækst i hård jord

Under studiet fandt forskerne også ud af, hvordan man får planterne til at skrue op for mekanismen:

”Vi viser i studiet, at hvis vi skruer op for et bestemt protein (en såkaldt transskriptionsfaktor), er roden bedre i stand til at penetrere jorden. Så med denne nye viden kan man nu begynde at ændre, hvordan roden ser ud, og hvordan den håndterer hård jord. Det åbner for nye muligheder i planteforædling,” siger Jiao Zhang førsteforfatter og postdoc fra Shanghai Jiao Tong University.

Selvom forsøgene er udført med risplanter, formoder forskerne, at mekanismen gør sig gældende i alle planter. Dele af den samme mekanisme er nemlig også påvist i forsøgsplanten Arabidopsis, som slægtsmæssigt er meget fjern fra ris.

“Vores resultater kan bruges til at udvikle afgrøder, der er bedre rustet til at vokse i jord, som er blevet komprimeret af landbrugsmaskiner eller klimaforandringer. Det bliver afgørende for fremtidens bæredygtige landbrug,” siger professor og seniorforfatter Wanqi Liang fra Shanghai Jiao Tong University.

Men resultaterne fra studiet åbner flere nye døre inden for planteforædling. For forskerholdet har også fundet mange flere transskriptionsfaktorer, som ser ud til at være selve nøglerne til at regulere celluloseproduktionen i planter. Og det kan stor indflydelse på planters form og opbygning. For eksempel kan man udvikle forskellige faconer på blade, hvilket kan være nyttigt i visse afgrøder.

”De transskriptionsfaktorer, vi her har opdaget, er en guldmine inden for cellevægs-biologi. Her er rigeligt for mig at forske i, til jeg skal på pension,” slutter Staffan Persson.

Studiet er resultatet af et samarbejde mellem forskere fra Kina, Storbritannien, Japan, Argentina og Danmark og bygger på både laboratorieforsøg, genetiske analyser og avanceret mikroskopi.

*

DET FANDT FORSKERNE UD AF

• Når jorden er kompakt, ophobes plantehormonet ethylen omkring rødderne. Det sætter gang i en kædereaktion, der ændrer røddernes struktur.
• Ethylen aktiverer genet OsARF1 i røddernes cortex (det midterste lag). Dette gen dæmper produktionen af cellulose, som er en vigtig byggesten i cellevægge.
• Når der produceres mindre cellulose, bliver cellevæggene i cortex tyndere og mere fleksible. Det giver plads til at cellerne kan svulme op og rødderne dermed kan udvide sig.
• Samtidig bliver det yderste lag af rødderne (epidermis) tykkere og mere robust. Kombinationen af en blød cortex og en stærk epidermis gør det lettere for rødderne at trænge igennem hård jord.

OM STUDIET

• Forskningsartiklen er udgivet i tidsskriftet Nature.
  
• Forskerne bag studiet kommer fra: Shanghai Jiao Tong University; University of Nottingham; Universidad Argentina de la Empresa; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology; Zhejiang University; Duke University; Ludwig Maximilian University og Københavns Universitet.
• Studiet er bl.a. støttet af: Villum Fonden, Novo Nordisk Fonden og Danmarks Grundforskningsfond.