Tidigare har vi skrivit om forskning som visar att växter är bättre på att minska jordpackningen än underjordar. Men hur kan de göra det? Tja, dagens berättelse ger oss svaret med tillstånd av forskare vid Duke University. Tack till Robin Smith och Veronique Koch för denna utmärkta berättelse! Se till att se rötterna dansa i 1:12-videon i slutet av berättelsen.
Duke-forskare har studerat något som händer för långsamt för att våra ögon ska kunna se. Ett team inom biologen Philip Benfey ’ s labb ville se hur växtrötter gräver ner sig i jorden. Så de satte upp en kamera på risfrön som spirar i klar gel och tog en ny bild var 15:e minut i flera dagar efter grodd.
När de spelade upp sina bilder med 15 bilder per sekund och komprimerade 100 timmars tillväxt på mindre än en minut, såg de att risrötter använder ett knep för att få sitt första fotfäste i jorden:deras växande spetsar gör korkskruvsliknande rörelser, viftar och slingrar sig i en spiralformad bana.
Genom att använda deras time-lapse-filmer, tillsammans med en rotliknande robot för att testa idéer, fick forskarna nya insikter in i hur och varför plantrotsspetsar snurrar när de växer.
Den första ledtråden kom från något annat som laget lade märke till:vissa rötter klarar inte korkskruvsdansen. Boven, fann de, är en mutation i en gen som kallas HK1 som gör att de växer rakt ner, istället för att cirkla och slingra sig som andra rötter gör.
Teamet noterade också att mutantrötterna växte dubbelt så djupa som vanliga. Vilket väckte en fråga:"Vad gör den mer typiska spiralformade spetstillväxten för växten?" sa Isaiah Taylor , en postdoktor i Benfeys labb på Duke.
Slingrande rörelser i växter var "ett fenomen som fascinerade Charles Darwin", till och med för 150 år sedan, sa Benfey. När det gäller skott finns det en uppenbar nytta:tvinna och cirkla gör det lättare att få ett grepp när de klättrar mot solljuset. Men hur och varför det händer i rötterna var mer ett mysterium.
Att gro frön har en utmaning, säger forskarna. Om de ska överleva måste den första lilla roten som kommer fram förankra plantan och sonda nedåt för att suga upp vattnet och de näringsämnen som plantan behöver för att växa.
Vilket fick dem att tänka:kanske i rottips är denna spiraltillväxt en sökstrategi – ett sätt att hitta den bästa vägen framåt, sa Taylor.
I experiment utförda i fysikprofessor Daniel Goldmans labb vid Georgia Tech avslöjade observationer av normala och muterade risrötter som växer över en perforerad plastplatta att normala spiralformade rötter löpte tre gånger större risk att hitta ett hål och växa fram till andra sidan.
Samarbetspartners vid Georgia Tech och University of California, Santa Barbara byggt en mjuk böjlig robot som viks ut från sin spets som en rot och släpper den i en hinderbana bestående av ojämnt fördelade pinnar.
För att skapa roboten tog teamet två uppblåsbara plaströr och kapslade dem inuti varandra. Genom att ändra lufttrycket tryckte det mjuka innerröret inifrån och ut, vilket gjorde att roboten förlängdes från spetsen. Att dra ihop motsatta par av konstgjorda "muskler" fick robotens spets att böjas sida till sida när den växte.
Även utan sofistikerade sensorer eller kontroller kunde robotroten fortfarande ta sig förbi hinder och hitta en väg genom pinnarna. Men när böjningen från sida till sida upphörde fastnade roboten snabbt mot en pinne.
Slutligen odlade laget normala och muterade risfrön i en smutsblandning som användes för basebollplaner, för att testa dem på hinder som en rot faktiskt skulle stöta på i jorden. Visst nog, medan mutanterna hade problem med att få tag, kunde de normala rötterna med spiralväxande spetsar ta sig igenom.
En rotspets korkskruvstillväxt koordineras av växthormonet auxin, ett tillväxtämne som forskarna tror kan röra sig runt spetsen på en växande rot i ett vågliknande mönster. Auxinuppbyggnad på ena sidan av roten gör att dessa celler förlängs mindre än de på andra sidan, och rotspetsen böjer sig i den riktningen.
Växter som bär på HK1-mutationen kan inte dansa på grund av en defekt i hur auxin transporteras från cell till cell, fann forskarna. Blockera detta hormon och rötter förlorar sin förmåga att snurra.
Arbetet hjälper forskare att förstå hur rötter växer i hård, packad jord.
Detta arbete stöddes av ett anslag från National Science Foundation (PHY-1915445, 1237975, GRFP-2015184268), Howard Hughes Medical Institute, Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF3405), Foundation for Food and Agricultural Research (534683), National Institutes of Health (GM122968) och Dunn Family Professorship.
CITATION:"Mechanism and Function of Root Circumnutation," Isaiah Taylor, Kevin Lehner, Erin McCaskey, Niba Nirmal, Yasemin Ozkan-Aydin, Mason Murray-Cooper, Rashmi Jain, Elliot W. Hawkes, Pamela C. Ronald, Daniel I. Goldman, Philip N. Benfey. Proceedings of the National Academy of Sciences, 19 februari 2021. DOI: 10.1073/pnas.2018940118
https://today.duke.edu/2021/02/time-lapse-reveals-hidden-dance-roots
