Foto: Bao et al. / Science
Raspadajuća materija oblikuje život u zemljištu, ali može i da stvori neprijateljske zone za rast korijena. Profesor Jirži Friml sa Instituta za nauku i tehnologiju Austrije (ISTA) i međunarodni saradnici sada su identifikovali „saprotropizam“, reakciju korijena koja usmjerava biljke dalje od raspadajuće materije biljnog porijekla – ali ne i od raspadanja životinjskog porijekla.
Studija, koju je vodio Judžou Žang, profesor na Univerzitetu Severozapadni A&F u Kini, a objavljena je u časopisu „Science“, otkriva kako korijenje prilagođavaja pravac rasta detektovanjem lokalnih pH gradijenata oko truleži.
Biljke ne mogu da pobjegnu od opasnosti ili ka nečemu što žele. Umjesto toga, one prilagođavaju pravac u kojem rastu. Izdanci se savijaju ka svjetlosti (dobro poznati fenomen koji se naziva fototropizam), korijenje i izdanci koriste gravitaciju da rastu nadole i nagore, respektivno (gravitropizam), a korijenje se takođe može savijati ka vodi (hidrotropizam). Ovi usmjereni odgovori rasta, poznati kao biljni tropizmi, pomažu biljkama da se snađu u promjenljivim okruženjima. Sada istraživači iz Kine i Austrije opisuju novog člana ove porodice: saprotropizam, od „sapro“, što znači truo ili raspadajući.
„Judžouova ideja bila je da se ide dalje od klasičnih tropizama kao što su gravitropizam, fototropizam i hidrotropizam“, kaže koautor Jirži Friml, profesor na Institutu za nauku i tehnologiju Austrije (ISTA).
„Kao bivši student moje grupe na ISTA, on je ovo pitanje dalje razvio i identifikovao saprotropizam, kao i mehanizme koji stoje iza njega.“
Saprotropizam: Ne dirajte mrtve biljke, gadno je!
Istraživači su prvo pokazali da direktan kontakt sa trulim biljnim tkivom snažno inhibira rast korijena i aktivira odbrambene puteve povezane sa imunitetom i patogenima. Drugim riječima, korijenje je tretiralo ove zone raspadanja kao biološki preteće okruženje.
„Životinje instinktivno izbjegavaju trulu hranu jer ona često sadrži štetne mikrobe“, kaže autor Judžou Žang, profesor na Univerzitetu Sjeverozapadni A&F u Kini. „Pitali smo se da li su biljke, iako nepokretne, možda razvile sličnu strategiju ispod zemlje.“
I, zapravo, jesu: Novoidentifikovani tropizam omogućava korijenju da se aktivno savija od trule biljne materije. U eksperimentima, korijenje je izbjegavalo zone raspadanja napravljene od „mesnatih“ materija kao što su jabuke ili lišće, i – suprotno početnim pretpostavkama – takođe i od drvenastog materijala kao što je piljevina.
Mrtve životinje ne uznemiravaju biljke
Međutim, kada su istraživači testirali truljenje životinjskog porijekla, poput malih komada pilećeg mesa, korijenje nije pokazalo usmjereni rast.
„Jedan od upečatljivih nalaza je stoga bio da korijenje nije jednostavno izbjegavalo bilo šta trulo“, kaže Friml. „Ono je reagovalo posebno na raspadajući biljni materijal. To nam govori da saprotropizam nije opšta reakcija na truljenje, već posvećeni odgovor na truljenje biljnog porekla.“
Odgovor je primjećen ne samo kod model biljke Arabidopsis thaliana, već i kod vrsta usjeva, uključujući uljanu repicu, paradajz i pšenicu – što sugeriše da je saprotropizam široko rasprostranjen među biljkama.
Posmatranje efekata malog „biljnog groblja“
Tim je otkrio da ključni signal dolazi od mikroorganizama, posebno gljivica, dok razgrađuju mrtvi biljni materijal. Tokom razgradnje, gljivice oslobađaju kisele metabolite, uključujući organske i fenolne kiseline. Ova jedinjenja difunduju u okolno zemljište i stvaraju stabilne lokalne pH gradijente oko materijala koji se raspada. Korijenje može da detektuje ovaj obrazac kiselosti čak i prije direktnog kontakta i da ga koristi kao informacije o usmjeravanju, savijajući se od kiselije strane.
Međutim, „biljno groblje“ ne šalje stalni signal upozorenja – ono se automatski zaustavlja nakon što se materija pretvori u zemljište. „Kada se biljni materijal skoro potpuno razgradio, signal upozorenja o kiselini je izblijedio – i korijenje je prestalo da se savija“, objašnjava Žang.
Da bi proučili proces pod kontrolisanim uslovima, istraživači su koristili vertikalni sistem sa podjeljenim agar-om – ravnu, uspravnu ploču u kojoj različiti agar-medijumi stvaraju definisani hemijski gradijent. Kako korijenje raste nadole duž ploče, naučnici mogu da posmatraju da li se savija prema ili od određenog znaka, kao što je kiselost povezana sa raspadanjem.
„U ISTA-i smo godinama koristili slične sisteme da bismo proučavali kako korijenje raste prema vodi“, kaže Friml. Specijalizovani vertikalni mikroskop je konstruisan u Institutu u tu svrhu. „Sada je ista ta postavka pomogla da se otkrije suprotan odgovor – korijenje raste dalje od potencijalno štetnog signala. Za razliku od drugih tropizama, ključni igrač ovdje nije biljni hormon auksin.“
Korijenje pleše uz zvuk ABA
Unutar korijena, spoljašnji signal se transformiše u odluku o rastu: Ćelije na površini korijena detektuju da je jedna strana korijena izložena jačoj kiselosti od druge. Ovaj neujednačeni signal mijenja raspodjelu biljnog hormona apscisinske kiseline, ilizvučni obrazac „ABA triplet“, po vrhu korijena. Kao rezultat toga, unutrašnji okvir ćelija korijena se preuređuje, što uzrokuje da jedna strana korijena raste drugačije od druge. Korijen se zatim savija od trulog biljnog materijala.
„Naše istraživanje pokazuje da truli biljni materijal nije samo pasivni izvor hranljivih materija“, navodi Žang. „On stvara hemijski pejzaž koji korijen može da čita. Saprotropizam pokazuje kako biljke tumače mikrobnu aktivnost u zemljištu i donose odluke o rastu u skladu sa tim.“
Fundamentalna nauka sa značajem za poljoprivredu i bezbjednost hrane
Otkriće saprotropizma – termina koji su skovali autori studije – otvara nove istraživačke puteve, kao što je način na koji korijenje tumače mikrobnu aktivnost u zemljištu. Dugoročno gledano, bolje razumijevanje takvog ponašanja korijena moglo bi pomoći u informisanju pristupa u poljoprivredi, upravljanju zemljištem i otpornosti usjeva.
„Prakse uzgoja usjeva koje uključuju prekomjerno uključivanje nerazloženih ostataka usjeva mogu stvoriti velike zone raspadanja koje prevazilaze kapacitet korijena da se kreće oko njih, potencijalno povećavajući izloženost štetnim mikrobima i podstičući bolesti korijena“, objašnjava Žang. Razumjevanje molekularne osnove saprotropizma otvara nove mogućnosti za razvoj usjeva sa poboljšanom sposobnošću otkrivanja i izbjegavanja okruženja bogatih patogenima. „U budućnosti, uzgoj ili inženjering sorti sa jačim kapacitetom ‘izbjegavanja raspadanja’ mogli bi da dopune konvencionalne strategije otpornosti na bolesti sprječavanjem susreta korijena sa patogenima prije nego što dođe do infekcije“, sumira on.