Rozkládající se organická hmota významně ovlivňuje život v půdě, pro rostoucí kořeny však může představovat nebezpečné prostředí. Mezinárodní tým vědců vedený Yuzhou Zhangem z čínské Northwest A&F University spolu s Jiřím Frimlem, českým vědcem působícím na Institute of Science and Technology Austria, popsal nový způsob reakce rostlin. Takzvaný saprotropismus umožňuje kořenům měnit směr růstu a vyhýbat se rozkládajícím se zbytkům rostlin. Na živočišnou hmotu však stejným způsobem nereagují.
Rostliny nemohou utéct před nebezpečím nebo naopak směrem k něčemu, co potřebují. Dokážou však přizpůsobovat směr svého růstu. Výhonky se stáčejí ke světlu, což označujeme jako fototropismus. Kořeny a nadzemní části reagují na gravitaci, zatímco kořeny se mohou orientovat také směrem k vodě.
Tyto směrové růstové reakce, souhrnně označované jako tropismy, pomáhají rostlinám reagovat na proměnlivé podmínky okolního prostředí. Vědci z Číny a Rakouska nyní popsali dalšího člena této skupiny – saprotropismus. Název je odvozen od slova „sapro“, které znamená hnijící nebo rozkládající se.
„Myšlenka překročit hranice klasických tropismů, jako jsou gravitropismus, fototropismus a hydrotropismus, pochází od Yuzhoua,“ uvedl spoluautor studie Jiří Friml, profesor Institute of Science and Technology Austria (ISTA). „Jako bývalý člen mé výzkumné skupiny na ISTA se této otázce dále věnoval a identifikoval saprotropismus i mechanismy, které jsou s ním spojeny.“
Výsledky studie vedené Yuzhou Zhangem byly zveřejněny v časopise Science.
Kořeny vnímají rozklad jako hrozbu
Vědci nejprve prokázali, že přímý kontakt s rozkládající se rostlinnou tkání výrazně zpomaluje růst kořenů. Současně aktivuje obranné mechanismy související s imunitou rostlin a reakcí na patogeny.
Kořeny tedy prostředí s rozkládající se rostlinnou hmotou vnímají jako biologickou hrozbu.
„Zvířata se instinktivně vyhýbají zkažené potravě, protože často obsahuje škodlivé mikroorganismy,“ vysvětlil hlavní autor studie Yuzhou Zhang, profesor Northwest A&F University v Číně a bývalý člen Frimlovy skupiny na ISTA. „Zajímalo nás, zda si podobnou strategii nemohly během evoluce vytvořit také rostliny, přestože se nemohou pohybovat.“
Experimenty ukázaly, že tomu tak skutečně je. Nově popsaný tropismus umožňuje kořenům aktivně se odklánět od rozkládající se rostlinné hmoty. Vyhýbaly se místům obsahujícím dužnaté rostlinné zbytky, například jablka nebo listy, ale také dřevní hmotu, jako jsou piliny.
Rozkládající se živočišná hmota kořenům nevadila
Odlišné výsledky vědci zaznamenali při použití rozkládající se živočišné hmoty. Když ke kořenům umístili například malé kousky kuřecího masa, rostliny žádnou směrovou růstovou reakci nevykazovaly.
„Jedním z překvapivých zjištění bylo, že se kořeny nevyhýbaly jednoduše všemu, co se rozkládá,“ uvedl Friml. „Reagovaly specificky na rozkládající se rostlinný materiál. Saprotropismus tedy není obecnou reakcí na hnilobu, ale cílenou odpovědí na rozklad rostlin.“
Tuto schopnost vědci nezaznamenali pouze u modelové rostliny huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana), ale také u zemědělských plodin, včetně řepky, rajčat a pšenice. Výsledky proto naznačují, že saprotropismus může být mezi rostlinami značně rozšířený.
Přečtěte si také
Jiří Friml, jeden z nejcitovanějších českých vědců, který objasnil roli rostlinného hormonu auxinu. Z Česka odešel před 29 lety a nyní vede vlastní výzkumnou skupinu v rakouském Klosterneuburgu, kde se nadále intenzivně věnuje studiu rostlinných signalizačních drah. Ve 33 letech byl v Německu jmenován profesorem, získal několik ERC grantů a v roce 2019 se stal nejmladším laureátem ceny Neuron za celoživotní přínos vědě.
Kořeny čtou kyselé signály v půdě
Klíčový signál podle vědců vytvářejí mikroorganismy, zejména houby, které se podílejí na rozkladu odumřelého rostlinného materiálu. Během tohoto procesu uvolňují kyselé metabolity, včetně organických a fenolických kyselin.
Tyto látky se šíří do okolní půdy a vytvářejí kolem rozkládající se hmoty stabilní lokální rozdíly v hodnotách pH. Kořeny dokážou zvýšenou kyselost rozpoznat ještě před přímým kontaktem. Využívají ji jako informaci o směru a odklánějí se od kyselejšího prostředí.
Pomyslný „rostlinný hřbitov“ však nevysílá varovný signál trvale. Jakmile se odumřelá hmota téměř úplně rozloží a stane se součástí půdy, kyselé prostředí postupně zmizí.
„Když byl rostlinný materiál téměř zcela rozložen, kyselý varovný signál zeslábl a kořeny se přestaly odklánět,“ vysvětlil Zhang.
Experiment umožnil sledovat každý pohyb kořenů
Výzkumníci proces sledovali pomocí vertikálního systému s rozděleným agarovým médiem. Jde o plochou svislou destičku, na které různá agarová média vytvářejí přesně definovaný chemický gradient.
Kořeny rostou po destičce směrem dolů a vědci mohou pozorovat, zda se stáčejí k určitému chemickému signálu, nebo se od něj naopak odklánějí. V tomto případě sledovali reakci na kyselost spojenou s rozkladem rostlin.
„Na ISTA používáme podobné systémy již mnoho let při studiu toho, jak kořeny rostou směrem k vodě,“ uvedl Friml. Pro tento účel byl v institutu zkonstruován také speciální vertikální mikroskop.
„Tentokrát nám stejné zařízení pomohlo odhalit opačnou reakci – růst kořenů směrem od potenciálně škodlivého signálu. Na rozdíl od jiných tropismů zde přitom nehraje hlavní roli rostlinný hormon auxin,“ doplnil Friml.
O směru růstu rozhoduje hormon ABA
Vnější chemický signál se uvnitř kořene mění v rozhodnutí o dalším směru růstu. Buňky na povrchu kořene rozpoznají, že je jedna jeho strana vystavena silněji kyselému prostředí než druhá.
Nerovnoměrný signál následně změní rozložení rostlinného hormonu kyseliny abscisové, označované zkratkou ABA, v kořenové špičce. Vnitřní struktura kořenových buněk se přeskupí a buňky na jedné straně kořene začnou růst odlišně než na straně druhé. Kořen se tak ohne směrem od rozkládající se rostlinné hmoty.
„Náš výzkum ukazuje, že rozkládající se rostlinná hmota není pouze pasivním zdrojem živin,“ uvedl Zhang. „Vytváří chemickou krajinu, kterou kořeny dokážou číst. Saprotropismus ukazuje, jak rostliny interpretují činnost mikroorganismů v půdě a podle ní rozhodují o směru svého růstu.“
Objev může být významný pro zemědělství
Objev saprotropismu, který takto pojmenovali autoři studie, otevírá nové možnosti výzkumu toho, jak kořeny vnímají aktivitu mikroorganismů v půdě. Lepší pochopení těchto mechanismů by mohlo v budoucnu přispět k účinnějšímu hospodaření s půdou, odolnosti plodin i zajištění potravinové bezpečnosti.
Problém může například představovat nadměrné zapravování nerozložených rostlinných zbytků do půdy.
„Zemědělské postupy, při nichž se do půdy zapracovává příliš velké množství nerozložených posklizňových zbytků, mohou vytvářet rozsáhlé oblasti rozkladu, kterým se již kořeny nedokážou vyhnout,“ vysvětlil Zhang. „Tím se může zvýšit jejich kontakt se škodlivými mikroorganismy a způsobit riziko rozvoje kořenových chorob.“
Znalost molekulárního základu saprotropismu by podle autorů mohla otevřít cestu ke šlechtění plodin, které budou schopny lépe rozpoznat prostředí s vysokým výskytem patogenů a vyhnout se mu.
„V budoucnu by šlechtění nebo genetické úpravy odrůd se silnější schopností vyhýbat se rozkladu mohly doplnit běžné strategie odolnosti vůči chorobám. Rostliny by se kontaktu kořenů s patogeny vyhnuly ještě předtím, než by došlo k infekci,“ uzavřel Zhang.
Foto: ISTA
Zdroj: European Research Council
- Autor článku: ne
- Zdroj: ERC
