Ny forskning fra UCLA-livsforskere kan føre til forudsigelser om, hvilke plantearter der vil undslippe udryddelse fra klimaændringer.
Tørke forværres overalt i verden, hvilket udgør en stor udfordring for planter i alle økosystemer, sagde Lawren Sack, en UCLA-professor i økologi og evolutionær biologi og seniorforfatter af forskningen. Forskere har i mere end et århundrede drøftet, hvordan man kan forudsige, hvilke arter der er mest sårbare.
Viltede træ blade i en hawaiisk skov under den ekstreme tørke i 2010-11, hvilket var det værste i mindst 11 år og blev føderalt udpeget til en naturkatastrofe. Træet er en alahee (Psydrax odorata). Billedkredit: Faith Inman-Narahari
Sæk og to medlemmer af hans laboratorium har gjort en grundlæggende opdagelse, der løser denne debat og muliggør forudsigelse af, hvor forskelligartede plantearter og vegetationstyper overalt i verden kan tolerere tørke, hvilket er kritisk i betragtning af de trusler, som klimaændringerne udgør, sagde han.
Forskningen er i øjeblikket tilgængelig i onlineudgaven af Ecology Letters, et prestigefyldt økologitidsskrift, og vil blive offentliggjort i en kommende udgave.
Hvorfor visner en solsikke hurtigt, når jorden tørrer, mens de indfødte kapelhavsbuske i Californien overlever lange tørre sæsoner med deres stedsegrønne blade? Da der er mange mekanismer, der er involveret i bestemmelsen af planternes tørketolerance, har der været en kraftig debat blandt planteforskere, som træk er vigtigst. UCLA-teamet, finansieret af National Science Foundation, fokuserede på en egenskab kaldet “turgor loss point, som aldrig før var bevist at forudsige tørke tolerance på tværs af plantearter og økosystemer.
En grundlæggende forskel mellem planter og dyr er, at planteceller er lukket af cellevægge, mens dyreceller ikke er det. For at holde deres celler funktionelle er planer afhængige af "turgor-tryk" - tryk produceret i celler ved internt saltvand, der skubber mod og holder cellevæggene op. Når blade åbner deres porer eller stomata for at fange kuldioxid til fotosyntesen, mister de en betydelig mængde af dette vand til fordampning. Dette dehydrerer cellerne, hvilket inducerer et tab af tryk.
Under tørke bliver cellens vand sværere at udskifte. Turgortabspunktet nås, når bladceller kommer til et punkt, hvor deres vægge bliver slappe; dette tab af celleniveau af turgor får bladet til at blive slap og visnet, og planten kan ikke vokse, sagde Sack.
Viltede træblade i Hawaiian skov under den ekstreme tørke 2010-11, hvilket var det værste i mindst 11 år og blev føderalt udpeget til en naturkatastrofe. Dette træ er et sandeltræ (Santalum paniculatum). Billedkredit: Faith Inman-Narahari
”Tørring af jord kan forårsage, at en plantes celler når turgor-tabspunktet, og planten vil blive stillet over for valget af enten at lukke sin stomata og risikere sult eller fotosyntetisere med visne blade og risikere at skade dens cellevægge og metaboliske proteiner,” sagde Sack. "For at være mere tørketolerant skal planten ændre sin turgortabspunkt, så dens celler vil være i stand til at holde deres turgor, selv når jorden er tør."
Biologerne viste, at inden for økosystemer og rundt omkring i verden havde planter, der er mere tørketolerante, lavere turgortabspunkter; de kunne opretholde deres turgor trods tørrere jord.
Holdet løste også flere årtier gamle kontroverser og vælter mange videnskabsretlige antagelser om de træk, der bestemmer turgor-tabspunktet og tørke tolerance. To træk, der er relateret til planteceller, har været antaget at påvirke planternes turgortabspunkt og forbedre tørke-tolerance: Planter kan gøre deres cellevægge stivere, eller de kan gøre deres celler saltere ved at fylde dem med opløste opløste stoffer. Mange fremtrædende videnskabsmænd har lænet sig mod ”stiv cellevæg” forklaringen, fordi planter i tørre zoner rundt om i kloden har tendens til at have små, hårde blade. Stive cellevægge kan muligvis tillade, at bladet undgår visne og at holde fast i dets vand i tørre tider, begrundede forskere. Der var ikke blevet kendt lidt om celles salthed for planter over hele verden.
UCLA-teamet har nu demonstreret endeligt, at det er saltindholdet i capsapen, der forklarer tørke tolerance på tværs af arter. Deres første tilgang var matematisk; holdet genoptog de grundlæggende ligninger, der styrer visne adfærd og løste dem for første gang. Deres matematiske løsning pegede på vigtigheden af saltere cellesaft. Saltigere cellesaft i hver plantecelle gør det muligt for planten at opretholde turgor-trykket i tørre tider og fortsætte med at fotosyntetisere og vokse, når der opstår tørke. Ligningen viste, at tykke cellevægge ikke bidrager direkte til at forhindre visne, skønt de giver indirekte fordele, der i nogle tilfælde kan være vigtige - beskyttelse mod overdreven celle krympning og mod skader på grund af elementer eller insekter og pattedyr.
Holdet indsamlede også for første gang data om tørke-tolerance for arter over hele verden, hvilket bekræftede deres resultat. På tværs af arter inden for geografiske områder og over hele kloden var tørke tolerance korreleret med cellesaftens saltighed og ikke med cellevæggenes stivhed. Faktisk blev arter med stive cellevægge ikke kun fundet i tørre zoner, men også i våde systemer som regnskov, fordi også her favoriserer evolution lang levende blade beskyttet mod skader.
Udpegningen af cellesaltethed som den vigtigste drivkraft for tørketolerance fjernede store kontroverser, og det åbner vejen for forudsigelser om, hvilke arter der kan undslippe udryddelse fra klimaændringer, sagde Sack.
”Saltet, der er koncentreret i celler, holder på vandet tættere og gør det muligt for planter at opretholde turgor under tørke,” sagde forskningsmedforfatter Christine Scoffoni, en UCLA-doktorand i afdelingen for økologi og evolutionær biologi.
Rollen for den stive cellevæg var mere undvigende.
”Vi var overrasket over at se, at det at have en stiver cellevæg faktisk reducerede tørke tolerance lidt - i modsætning til modtaget visdom - men at mange tørke-tolerante planter med masser af salt også havde stive cellevægge,” sagde hovedforfatter Megan Bartlett, en UCLA-kandidat studerende på afdelingen for økologi og evolutionær biologi.
Denne tilsyneladende modsætning er forklaret af det sekundære behov for tørretolerante planter for at beskytte deres dehydratiserende celler mod at krympe, når de mister turgortryk, siger forskerne.
”Mens en stiv væg ikke opretholder celleturgoren, forhindrer den cellerne i at krympe, da turgoren aftager og holder i vand, så cellerne stadig er store og hydratiserede, selv ved turgortabspunktet,” forklarede Bartlett. ”Så den ideelle kombination for en plante er at have en høj opløsningsmiddelkoncentration for at holde turgor-trykket og en stiv cellevæg for at forhindre, at den mister for meget vand og krymper, når bladvandets tryk falder. Men selv tørkefølsomme planter har ofte tykke cellevægge, fordi de hårde blade også er en god beskyttelse mod planteetere og daglig slid. ”
Selvom teamet viste, at turgor-tabspunkt og salt cellesaft har enestående magt til at forudsige en plantes tørketolerance, udviser nogle af de mest berømte og forskellige ørkenplanter - inklusive kaktus, juccas og agaves - det modsatte design med mange fleksible vægge celler, der holder fortyndet sæbe og ville miste turgor hurtigt, sagde Sack.
”Disse sukkulenter er faktisk forfærdelige med at tolerere tørke, og i stedet undgår de det,” sagde han. ”Fordi meget af deres væv er vandlagringsceller, kan de åbne deres tomater minimalt i løbet af dagen eller natten og overleve med deres lagrede vand, indtil det regner. Fleksible cellevægge hjælper dem med at frigive vand til resten af planten. ”
Denne nye undersøgelse viste, at saltethed af celler i planteblade kan forklare, hvor planter bor, og hvilke slags planter der dominerer økosystemer i hele verden. Holdet arbejder med samarbejdspartnere i Xishuangbanna Tropical Botanical Gardens i Yunnan, Kina, for at udvikle en ny metode til hurtigt at måle turgortabspunkt over et stort antal arter og muliggøre den kritiske vurdering af tørke tolerance for tusinder af arter for den første tid.
”Vi er glade for at have en så kraftig tørkeindikator, at vi nemt kan måle,” sagde Bartlett. ”Vi kan anvende dette på tværs af hele økosystemer eller plantefamilier for at se, hvordan planter har tilpasset sig deres miljø og for at udvikle bedre strategier for deres bevaring i lyset af klimaændringer.”
UCLA er Californiens største universitet med en tilmelding af næsten 38.000 bachelor- og kandidatstuderende. UCLA College of Letters and Science og universitetets 11 professionelle skoler har anerkendt fakultet og tilbyder 337 gradsuddannelser og majors. UCLA er en national og international leder inden for bredden og kvaliteten af dets akademiske, forskning, sundhedsvæsen, kultur, efteruddannelse og atletiske programmer. Seks alumner og fem fakulteter er blevet tildelt Nobelprisen.
Af Stuart Wolpert