Τα φυτά είναι πολύ επιμήκη, κάμπτονται για να επιτρέπουν την πρόσβαση του ηλιακού φωτός σε κάθε ένα από τα φύλλα τους. Παρά το γεγονός ότι παρατηρούν αυτό το φαινόμενο για αιώνες, οι επιστήμονες δεν το κατανοούν πλήρως. Τώρα οι επιστήμονες στο Ινστιτούτο Salk ανακάλυψαν ότι δύο φυτικοί παράγοντες - η πρωτεΐνη PIF7 και η αυξητική ορμόνη αυξίνη - είναι ερεθίσματα που επιταχύνουν την ανάπτυξη όταν τα φυτά βρίσκονται στη σκιά και εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες ταυτόχρονα. επίσημη ιστοσελίδα του Ινστιτούτου.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Communications στις 29 Αυγούστου 2022, θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να προβλέψουν πώς τα φυτά θα ανταποκριθούν στην κλιματική αλλαγή και θα αυξήσουν τις αποδόσεις παρά το γεγονός ότι η υπερθέρμανση του πλανήτη καταστρέφει τις καλλιέργειες.
«Αυτή τη στιγμή, καλλιεργούμε καλλιέργειες σε μια συγκεκριμένη πυκνότητα, αλλά τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι θα χρειαστεί να μειώσουμε αυτή την πυκνότητα για να βελτιστοποιήσουμε την ανάπτυξη των φυτών καθώς οι κλιματικές αλλαγές», λέει η ανώτερη συγγραφέας Καθηγήτρια Joanne Chory, διευθύντρια του Plant Molecular του Ινστιτούτου Salk. και Cell Biology Laboratory και Howard, ερευνητής στο Ιατρικό Ινστιτούτο Hughes. «Η κατανόηση της μοριακής βάσης του τρόπου με τον οποίο τα φυτά ανταποκρίνονται στο φως και τη θερμοκρασία θα μας επιτρέψει να προσαρμόσουμε την πυκνότητα φύτευσης για να παράγουμε τις καλύτερες αποδόσεις».
Κατά τη διάρκεια της βλάστησης, τα σπορόφυτα επιμηκύνουν γρήγορα τους μίσχους τους για να διαπεράσουν το έδαφος και να συλλάβουν το φως του ήλιου όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Κανονικά, το στέλεχος επιβραδύνει την ανάπτυξή του μετά την έκθεση στο ηλιακό φως. Αλλά το στέλεχος μπορεί γρήγορα να επιμηκυνθεί ξανά εάν το φυτό ανταγωνίζεται τα γύρω φυτά για το φως του ήλιου ή αυξάνει την απόσταση μεταξύ του θερμού εδάφους και των φύλλων του φυτού ως απάντηση στην άνοδο της θερμοκρασίας. Ενώ και οι δύο περιβαλλοντικές συνθήκες - η σκίαση και οι υψηλές θερμοκρασίες - διεγείρουν την ανάπτυξη των στελεχών, μειώνουν επίσης τις αποδόσεις.
Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες συνέκριναν φυτά που αναπτύσσονται στη σκιά και σε ζεστές θερμοκρασίες ταυτόχρονα - συνθήκες που μιμούνται την υψηλή πυκνότητα φύτευσης και την κλιματική αλλαγή. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το πρότυπο φυτό Arabidopsis thaliana, καθώς και την ντομάτα και έναν στενό συγγενή του καπνού, γιατί ενδιαφέρθηκαν να δουν αν και τα τρία είδη φυτών επηρεάζονταν εξίσου από αυτές τις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Και στα τρία είδη, η ομάδα των ερευνητών διαπίστωσε ότι τα φυτά υψώθηκαν εξαιρετικά όταν προσπάθησαν ταυτόχρονα να αποφύγουν τη σκιά που δημιουργούνταν από γειτονικά φυτά και εκτέθηκαν σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Σε μοριακό επίπεδο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο παράγοντας μεταγραφής PIF7, μια πρωτεΐνη που βοηθά στην ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των γονιδίων, βοήθησε στην τόνωση της ανάπτυξης. Διαπίστωσαν επίσης ότι τα επίπεδα αυξίνης, μιας αυξητικής ορμόνης, αυξήθηκαν όταν οι καλλιέργειες βρήκαν γειτονικά φυτά, τα οποία προάγουν την ανάπτυξη ως απόκριση σε ταυτόχρονες υψηλότερες θερμοκρασίες. Αυτή η συνεργιστική οδός PIF7-auxin επέτρεψε στα φυτά να ανταποκριθούν στο περιβάλλον τους και να προσαρμοστούν αναζητώντας τις καλύτερες συνθήκες ανάπτυξης.
Ένας σχετικός παράγοντας μεταγραφής, ο PIF4, διεγείρει επίσης την επιμήκυνση του στελέχους σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, με συνδυασμό σκιάς και υψηλών θερμοκρασιών, αυτός ο παράγοντας δεν έπαιζε πλέον σημαντικό ρόλο.
«Με έκπληξη ανακαλύψαμε ότι το PIF4 δεν παίζει σημαντικό ρόλο επειδή προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει τη σημασία αυτού του παράγοντα σε σχετικές καταστάσεις ανάπτυξης», λέει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης Yogev Burko, ερευνητής στο Ινστιτούτο Salk και αναπληρωτής καθηγητής στο Οργανισμός Αγροτικής Έρευνας στο Ινστιτούτο Ηφαιστείων του Ισραήλ. «Το γεγονός ότι το PIF7 είναι ο κυρίαρχος μοχλός ανάπτυξης αυτού του φυτού ήταν μια πραγματική έκπληξη. Με αυτή τη νέα γνώση, ελπίζουμε να βελτιστοποιήσουμε την αναπτυξιακή ανταπόκριση των διαφόρων καλλιεργειών για να τις βοηθήσουμε να προσαρμοστούν στην κλιματική αλλαγή».
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι υπάρχει ένας άλλος παράγοντας που δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί που ενισχύει την επίδραση του PIF7 και της αυξίνης. Ελπίζουν να διερευνήσουν αυτόν τον άγνωστο παράγοντα σε μελλοντικές μελέτες. Το εργαστήριο της Berko θα μελετήσει επίσης πώς αυτή η διαδρομή μπορεί να βελτιστοποιηθεί στις καλλιέργειες.
«Οι παγκόσμιες θερμοκρασίες αυξάνονται, επομένως χρειαζόμαστε καλλιέργειες τροφίμων που μπορούν να αναπτυχθούν σε αυτές τις νέες συνθήκες», λέει ο Τσόρι, συνεπικεφαλής του Salk Plant Use Initiative και των Howard H. and Maryam R. Newman Chair of Plant Biology. «Έχουμε εντοπίσει τους βασικούς παράγοντες που ρυθμίζουν την ανάπτυξη των φυτών σε υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίοι θα μας βοηθήσουν να καλλιεργήσουμε πιο παραγωγικές καλλιέργειες για να θρέψουμε τις μελλοντικές γενιές».