Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Wageningen (WUR) ανακάλυψαν ότι μια τοπική ρυθμιστική πρωτεΐνη προάγει την ανάπτυξη των ριζών σε αλατούχα εδάφη, επιτρέποντας στο φυτό να αναπτυχθεί, έμαθε το Hortoinfo από πηγές στο Dutch Wageningen University & Research. (WUR).

Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό «Plant Cell» και αποτελούν σημαντική βάση για μελλοντική έρευνα για την ανάπτυξη πιο ανθεκτικών καλλιεργειών.

Σχεδόν το ένα τέταρτο της αρδευόμενης γεωργικής γης στον κόσμο υποφέρει από αλάτωση. Αυτό το πρόβλημα αυξάνεται λόγω της ανόδου της στάθμης της θάλασσας, της αυξανόμενης ξηρασίας και της αύξησης της θερμοκρασίας.

Ένα αλατούχο έδαφος επηρεάζει αρνητικά την ανάπτυξη των πλευρικών ριζών, λέει η καθηγήτρια φυτικής φυσιολογίας Christa Testerink. «Τα φυτά χρειάζονται πλευρικές ρίζες για να απορροφούν νερό και θρεπτικά συστατικά. Η ανάπτυξη αυτών των ριζών ρυθμίζεται από την ορμόνη αυξίνη. Το αλάτι κάνει το φυτό να απορροφά λιγότερο καλά τα σήματα αυτής της ορμόνης, γεγονός που προκαλεί καθυστέρηση στην ανάπτυξη των πλευρικών ριζών. Και όσο λιγότερες πλευρικές ρίζες έχει ένα φυτό, τόσο χειρότερη θα είναι η συνολική του κατάσταση».

Εναλλαγή μεταξύ ορμονικού και πλευρικού σχηματισμού ρίζας

Πώς είναι όμως δυνατόν ορισμένα φυτικά είδη να επηρεάζονται λιγότερο από το στρες του αλατιού από άλλα; Για να βρουν την απάντηση σε αυτό το ερώτημα, οι ερευνητές έψαξαν στον μοριακό μηχανισμό του σχηματισμού πλευρικών ριζών στο μοντέλο φυτού Arabidopsis.

Σύμφωνα με τον καθηγητή Testerink, «ήταν ήδη γνωστό από προηγούμενη έρευνα ότι η πρωτεΐνη LBD16 δρα ως διακόπτης μεταξύ της αυξίνης και του πραγματικού σχηματισμού πλευρικών ριζών. Το LBD16 ενεργοποιεί γονίδια που εμπλέκονται στον σχηματισμό πλευρικών ριζών. «Σε ένα αλατισμένο έδαφος, θα περίμενε κανείς όχι μόνο να αλλάξει τη λειτουργία της αυξίνης, αλλά και να μειώσει την ποσότητα της πρωτεΐνης LBD16 στο φυτό».

Η ανακάλυψη της εναλλακτικής διαδρομής

Featured Image

Παραδόξως, κατά τη μελέτη του Arabidopsis αποδείχθηκε ότι παρόλο που η επίδραση της αυξίνης σε ένα αλμυρό περιβάλλον μειώθηκε απότομα, η ποσότητα του LBD16 στην πραγματικότητα αυξήθηκε. «Επομένως, έπρεπε να υπάρξει μια εναλλακτική οδός που να έλεγχε την πρωτεΐνη, έτσι ώστε το φυτό να παράγει και πλευρικές ρίζες σε αλμυρό περιβάλλον, αν και λιγότερο. Ωστόσο, βρήκαμε αυτό το μονοπάτι με την ανακάλυψη ενός άλλου ενεργοποιητή, της πρωτεΐνης ZAT6. Αυτή η πρωτεΐνη αναλαμβάνει το ρόλο του ρυθμιστή αυξίνης. Αυτή η ανακάλυψη παρέχει μια σημαντική βάση για μελλοντική έρευνα σε συγκρίσιμα τοπικά μοριακά δίκτυα στις πλευρικές ρίζες που διασφαλίζουν ότι τα φυτά μπορούν να λειτουργούν υπό πίεση. Όχι μόνο κατά την αλάτωση, αλλά και κατά την ξηρασία και τη ζέστη. Αυτό μπορεί να βοηθήσει τους κτηνοτρόφους να αλλάξουν την ανάπτυξη των ριζών των φυτών για να δημιουργήσουν πιο ανθεκτικές ποικιλίες», λέει ο Testerink.

Μηχανική μάθηση

Στην αναζήτηση του ενεργοποιητή του LBD16, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μηχανική μάθηση. Ο Aalt-Jan van Dijk, ερευνητής στο Τμήμα Βιοπληροφορικής, εξηγεί τον ρόλο που παίζει αυτή η υπολογιστική μέθοδος: «Σε ένα φυτό υπάρχουν δεκάδες χιλιάδες πιθανοί υποψήφιοι που μπορούν να ρυθμίσουν το LBD16, το οποίο είναι σαν να ψάχνεις για μια βελόνα σε μια θημωνιά. Για να γίνει αυτό πιο συγκεκριμένα, βοηθάει να κάνετε προβλέψεις. Έχουμε συμπεριλάβει δεδομένα από όλους τους τύπους παραγόντων μεταγραφής από πειράματα σε ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης. Αυτό το μοντέλο στη συνέχεια χρησιμοποίησε μοτίβα για να προβλέψει εάν ένας συγκεκριμένος παράγοντας μεταγραφής ρυθμίζει ή όχι έναν άλλο. Αυτό σας αφήνει μόνο με μια μικρή λίστα πιθανών υποψηφίων. Διεξάγοντας πειραματικές δοκιμές, ανακαλύψαμε τελικά ότι το ZAT6 είναι ένας νέος σημαντικός ρυθμιστής για το LBD16».

Περαιτέρω ανάπτυξη στο CropXR

Σύμφωνα με τον Van Dijk, ο συνδυασμός της χρήσης πειραματικών δεδομένων και της μηχανικής μάθησης είναι νέος στον κόσμο της φυτικής έρευνας. Αυτή η προσέγγιση θα συνεχιστεί στο ερευνητικό έργο CropXR. «Στην CropXR θα συνεχίσουμε να εργαζόμαστε μαζί με τα πανεπιστήμια της Ουτρέχτης, του Ντελφτ και του Άμστερνταμ (UvA) τα επόμενα δέκα χρόνια, αναπτύσσοντας θεμελιώδεις γνώσεις και μεθόδους για την ανάπτυξη πιο ανθεκτικών καλλιεργειών. Αυτό το κάνουμε συνδυάζοντας, μεταξύ άλλων, μηχανική μάθηση με μηχανιστικά μοντέλα. Αυτά είναι μοντέλα που περιέχουν γνώσεις σχετικά με τις υποκείμενες φυσιολογικές και κυτταρικές διεργασίες και τις σχέσεις αιτίου-αποτελέσματος. Οι προβλέψεις αυτών των μοντέλων μπορούν στη συνέχεια να δοκιμαστούν με συγκεκριμένα πειράματα».

Ξηρασία και υψηλότερες θερμοκρασίες

Στο CropXR, η εστίαση δεν είναι τόσο στην αλάτωση, αλλά κυρίως σε άλλες προκλήσεις που σχετίζονται με το κλίμα, όπως η ξηρασία και οι υψηλές θερμοκρασίες, λέει ο Testerin. «Σε ένα άλλο έγγραφο που διατίθεται προς το παρόν μόνο ως προεκτύπωση, αναλύσαμε την ανάπτυξη των ριζών των φυτών σε συνδυασμό θερμότητας και λειψυδρίας. Έχουμε ανακαλύψει μια σειρά από μοριακούς παράγοντες που παίζουν ρόλο σε αυτό. Αλλά η πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο τα φυτά αντιμετωπίζουν έναν συνδυασμό αγχωτικών συνθηκών απαιτεί μια προσέγγιση μεγαλύτερης κλίμακας. Τα πρώτα πέντε χρόνια του CropXR θα συνεχίσουμε να επικεντρωνόμαστε στο Arabidopsis, στα δεύτερα πέντε χρόνια θα μεταφράσουμε τη γνώση που αποκτήθηκε σε καλλιέργειες τροφίμων. Με αυτόν τον τρόπο, ελπίζουμε τελικά να αναπτύξουμε πρακτικές λύσεις μαζί με εταίρους από το πεδίο».