Växter är mycket långsträckta, böjer sig för att ge tillgång till solljus till vart och ett av deras blad. Trots att de observerat detta fenomen i århundraden förstår forskare det inte helt. Nu har forskare vid Salk Institute upptäckt att två växtfaktorer – proteinet PIF7 och tillväxthormonet auxin – är triggers som påskyndar tillväxten när växter är i skuggan och samtidigt utsätts för höga temperaturer. institutets officiella webbplats.
Resultaten, publicerade i tidskriften Nature Communications den 29 augusti 2022, kommer att hjälpa forskare att förutsäga hur växter kommer att reagera på klimatförändringar och öka avkastningen trots att den globala uppvärmningen skadar grödor.
"Just nu odlar vi grödor med en viss täthet, men våra resultat indikerar att vi måste sänka densiteten för att optimera växttillväxten när klimatet förändras", säger seniorförfattaren professor Joanne Chory, chef för Salk Institute's Plant Molecular och Cell Biology Laboratory och Howard, forskare vid Hughes Medical Institute. "Att förstå den molekylära grunden för hur växter reagerar på ljus och temperatur kommer att tillåta oss att finjustera planteringsdensiteten för att producera de bästa skördarna."
Under groningen förlänger plantorna snabbt sina stjälkar för att bryta igenom jorden och fånga solljus så snabbt som möjligt. Normalt saktar stammen sin tillväxt efter exponering för solljus. Men stjälken kan snabbt förlängas igen om växten konkurrerar med omgivande växter om solljus eller ökar avståndet mellan den varma marken och växtens löv som svar på stigande temperaturer. Medan både miljöförhållanden - skuggning och höga temperaturer - stimulerar stamtillväxt, minskar de också avkastningen.
I den här studien jämförde forskarna växter som växer i skuggan och varma temperaturer på samma gång - förhållanden som efterliknar höga planteringsdensiteter och klimatförändringar. Forskarna använde modellväxten Arabidopsis thaliana, liksom tomaten och en nära släkting till tobak, eftersom de var intresserade av att se om alla tre växtarterna påverkades lika mycket av dessa miljöförhållanden.
Hos alla tre arterna fann forskargruppen att växterna blev extremt höga när de samtidigt försökte undvika skuggan som skapades av närliggande växter och utsattes för högre temperaturer. På molekylär nivå fann forskarna att PIF7-transkriptionsfaktorn, ett protein som hjälper till att slå på och av gener, hjälpte till att öka tillväxten. De fann också att nivåerna av auxin, ett tillväxthormon, ökade när grödor hittade närliggande växter, vilket främjade tillväxt som svar på samtidiga högre temperaturer. Denna synergistiska PIF7-auxin-väg tillät växter att reagera på sin miljö och anpassa sig i jakten på de bästa odlingsförhållandena.
En relaterad transkriptionsfaktor, PIF4, stimulerade också stamförlängning vid höga temperaturer. Men med en kombination av skugga och förhöjda temperaturer spelade denna faktor inte längre någon viktig roll.
"Vi blev förvånade över att finna att PIF4 inte spelar en viktig roll eftersom tidigare studier har visat vikten av denna faktor i relaterade tillväxtsituationer", säger studiens första författare Yogev Burko, en forskare vid Salk Institute och en docent vid Organisation för jordbruksforskning vid Israel Volcanoes Institute. "Det faktum att PIF7 är den dominerande tillväxtdrivkraften för denna anläggning var en riktig överraskning. Med denna nya kunskap hoppas vi kunna finjustera tillväxtresponsen hos olika grödor för att hjälpa dem att anpassa sig till klimatförändringarna.”
Forskarna tror att det finns en annan faktor som ännu inte har upptäckts som förstärker effekten av PIF7 och auxin. De hoppas kunna utforska denna okända faktor i framtida studier. Berkos labb kommer också att studera hur denna väg kan optimeras i grödor.
"De globala temperaturerna stiger, så vi behöver matgrödor som kan växa under dessa nya förhållanden", säger Chori, medledare för Salk Plant Use Initiative och Howard H. och Maryam R. Newman, ordförande för växtbiologi. "Vi har identifierat nyckelfaktorerna som reglerar växternas tillväxt vid höga temperaturer, vilket kommer att hjälpa oss att odla mer produktiva grödor för att mata framtida generationer."