Em formação

Como os pesquisadores mapeiam os sistemas radiculares das plantas?


Por exemplo, aqui está uma foto dos sistemas de raízes de algumas gramíneas da pradaria: (Clique na imagem para obter um PDF de alta resolução) em: http://www.conservationresearchinstitute.org/educational-offerings.html

Como é possível seguir um fio de raiz a 15 pés para baixo? Especialmente quando eles estão tão densamente compactados no pé superior do solo que você não poderia cavar sem destruir as raízes.


Você postou esta pergunta originalmente na Seção de Jardins e Paisagismo - de onde eu venho, e embora ela tenha sido movida para cá, vou respondê-la de qualquer maneira:

Essa imagem que você mostrou não é como uma fotografia, é uma impressão de como são as raízes. O método usual de trabalhar os padrões das raízes nas plantas é remover o que é conhecido como monólito, ou um bloco de solo onde a planta está - o solo é então cuidadosamente removido à mão, da maneira que os arqueólogos usam, ou soprado com ar, ou embebido em água para revelar o máximo possível das raízes. Para árvores ou plantas com raízes muito grandes, os métodos mais novos incluem levantamento geofísico por máquina ou levantamento de resistência elétrica. Mesmo isso não revela tudo - muitas raízes podem penetrar muito fundo ou correr ao longo de rachaduras nas rochas sob o solo. O comprimento da raiz e o padrão de distribuição variam de acordo com as condições locais, então é difícil ter certeza sobre onde as raízes de qualquer planta em particular estão em uma posição particular na paisagem.


Referência e outras leituras:

Ecologia fisiológica vegetal (ISBN 978-94-009-2221-1; link de livros do Google)

Especialmente, verifique a Introdução na página nº 367


… Por que você acha que não é destrutivo? Ele está efetivamente realizando uma escavação do tipo "escavação arqueológica", e a planta em particular provavelmente não sobreviverá a ela.

Aqui estão alguns links para descrições de "um método aprimorado" junto com uma descrição do "método usual" em que ele foi "aprimorado", por volta de 1938 e 1940. Apenas previews, já que essas coisas são discutidas principalmente em periódicos acadêmicos.

http://www.jstor.org/stable/1930591?seq=1#page_scan_tab_contents


Origem das ramificações de raiz revelada possível base para novas aplicações agrícolas ecológicas

Os pesquisadores do VIB na Universidade de Ghent descobriram a substância que governa a formação de ramificações de raízes nas plantas e como ela funciona.

Os rebentos de raízes são de vital importância para as plantas & ndash e para os agricultores. As plantas retiram os nutrientes necessários do solo por meio de suas raízes. Como fazem isso melhor com um sistema radicular bem ramificado, as plantas devem formar ramos de suas raízes no momento certo. Os pesquisadores do VIB descrevem como esse processo é controlado no proeminente jornal profissional Science. Um jogador-chave neste processo é uma proteína chamada ACR4. Dependendo dos sinais que recebe de seu ambiente, essa proteína desencadeia a formação de um rebento de raiz.

Agora que conhecemos o mecanismo de controle, podemos começar a estimular as raízes das plantas a formar mais ou menos ramos. Isso pode levar a uma agricultura mais ecológica e à produção de melhores safras ao mesmo tempo.

Uma rede eficiente

É difícil exagerar a importância das plantas em nossas vidas e menos elas são responsáveis ​​pelo nosso oxigênio e pelos alimentos, roupas, energia e inúmeras outras coisas. E, por sua vez, a importância das raízes de uma planta é inquestionável: elas fornecem à planta os nutrientes e a umidade necessários. Quanto mais as raízes são subdivididas, em largura e profundidade, melhor podem fazer seu trabalho. Portanto, uma formação bem coordenada e controlada de ramos de raízes é crucial para uma planta. Mas, até agora, não se sabia como uma planta determina quando e onde um rebento deveria ser formado.

Divisão celular assimétrica

A presença de células-tronco é muito importante no desenvolvimento de plantas e animais. As células-tronco são células que podem se transformar em vários tipos de células. Em animais, os tecidos e órgãos são formados antes do nascimento, mas em plantas totalmente crescidas, as células-tronco continuam a desempenhar um papel importante na formação de novos órgãos ou tecidos, como ramos de raízes.

Essas células-tronco são encontradas dentro da raiz e várias delas induzirão a formação de um rebento. Essas células 'fundadoras' sofrem uma divisão celular assimétrica. Em contraste com a divisão celular usual, que dá origem a duas células idênticas, a divisão celular assimétrica produz duas células diferentes: uma célula-tronco que é idêntica à célula original e uma célula que está pronta para se tornar uma célula especializada & ndash neste caso , uma célula raiz secundária.

O sinal decisivo

Com a ajuda do agrião-orelha-de-rato (Arabidopsis thaliana), planta-modelo frequentemente usada, Ive De Smet e Valya Vassileva, do grupo de Tom Beeckman, estudam como uma planta determina quais células desencadearão ramificações. Para isso, os pesquisadores do VIB em Ghent empregaram uma tecnologia especial que permite fazer desdobramentos síncronos se desenvolverem em diferentes momentos. Isso permitiu que isolassem as células que induzem a formação de ramificações. Eles descobriram quais genes estão ativos nessas células e os compararam com os genes que são cruciais para a divisão celular normal. Dessa forma, os pesquisadores identificaram um conjunto específico de genes que controlam a divisão celular assimétrica e enviam o sinal para a formação dos ramos.

ACR4: controle sobre a divisão assimétrica

Os pesquisadores então examinaram um desses genes mais de perto. O gene ACR4 contém o código de DNA de um receptor, uma proteína que geralmente está localizada no exterior de uma célula para captar sinais de fora e transmiti-los aos mecanismos de controle dentro da célula. Quando os pesquisadores interromperam a função do ACR4 nas células vegetais, a divisão celular assimétrica precisamente orquestrada também foi perturbada. A partir dessa descoberta, De Smet e Vassileva inferiram que o ACR4 desempenha um papel fundamental na criação de ramificações. Como a proteína tem função receptora, o desencadeamento da formação de ramificações depende de sua reação aos sinais do meio ambiente.

Desejado ou indesejado

Com essa pesquisa, os cientistas descobriram um mecanismo fundamental e menos fundamental para a planta, e muito importante para os melhoristas também. Este novo conhecimento nos permite promover, ou retardar, a formação de ramificações e menos ambas as atividades são úteis em um grande número de aplicações.

Promover um sistema radicular extenso ajuda as plantas a absorver os nutrientes mais prontamente e, portanto, precisam de menos fertilizantes. Essas plantas também podem crescer mais facilmente em solos secos ou inférteis. Além disso, as plantas com um sistema radicular bem desenvolvido estão mais firmemente ancoradas no solo e podem ser usadas para neutralizar a erosão.

Por outro lado, desacelerar a formação de raízes secundárias pode ser vantajoso em plantas tuberosas, como batata ou beterraba sacarina. Isso permite que essas safras de alimentos invistam toda a sua energia na produção de nutrientes. Menos ramos de raízes também tornam mais fácil para os agricultores colherem essas safras.

Pesquisa de plantas com possibilidades médicas?

Esta pesquisa com plantas lança luz sobre o controle da divisão celular assimétrica e menos e este tipo de divisão celular é semelhante à divisão celular das células-tronco em animais também. Portanto, esses resultados também podem fornecer uma visão maior sobre como as células-tronco animais se especializam.

Por exemplo, a divisão celular irregular desempenha um papel no desenvolvimento de vários tipos de câncer, e mecanismos de controle semelhantes também podem estar na base desse processo. Esta é claramente uma área importante para pesquisas futuras.

Fonte da história:

Materiais fornecidos por VIB (Instituto de Biotecnologia da Flandres). Nota: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.


A raiz das plantas (com diagramas) | Botânica

A raiz é o eixo descendente da planta e o prolongamento para baixo e tímido da radícula. Geralmente é de cor não verde e cresce longe da luz. A raiz não possui nós e entrenós. Ele carrega apenas membros semelhantes, ou seja, apenas raízes.

A raiz principal que se desenvolve a partir da radícula é chamada de raiz primitiva que, por sua vez, produz muitos ramos secundários e terciários, formando assim um sistema de raízes que entram no solo em diferentes direções.

Essas raízes ramificadas se desenvolvem a partir de tecidos internos da raiz primária e, portanto, são de origem endo & oxigenada. Eles são dispostos em sucção acropetal e tímida, ou seja, raízes mais velhas perto da base e raízes cada vez menores em direção à ponta.

Regiões do Root (Fig. 32):

Uma raiz tem geralmente quatro regiões, em ordem, do ápice em direção à Fig. 32.

(eu) Região da raiz:

A ponta extrema da raiz é geralmente protegida por uma capa ou corpo em forma de dedal chamado capa da raiz. Quando a raiz abre caminho através do solo, a ponta macia e macia corre o risco de se ferir devido ao atrito com as partículas do solo.

A capa da raiz, servindo de tampão, protege a ponta desse perigo. Além disso, a tampa secreta matérias mucilaginosas viscosas que facilitam o curso da raiz através do solo. A capa da raiz está ausente em muitas plantas aquáticas. No pinheiro-aparafusado, as raízes são múltiplas (Fig. 33).

(ii) Região de crescimento ativo e alongamento:

Ao lado da capa da raiz está a região de crescimento ativo. É uma região muito curta onde as células se dividem ativamente. Isso se funde na região de elon e shygation onde as células recém-formadas crescem em comprimento.

Esta região é encontrada a seguir e aqui as células externas das raízes crescem como fios de cabelo unicelulares. Os pêlos da raiz uni e shycellular são responsáveis ​​pela absorção de água e matérias minerais dissolvidas na água do solo.

Ao germinar as sementes de mostarda em um pedaço de papel mata-borrão embebido, os densos pelos da raiz podem ser convenientemente observados (Fig. 34). Durante o crescimento da raiz esgota-se a zona velha e é substituída por novas zonas de pêlos da raiz a cada vez mais para a ponta.

Ele está localizado mais acima. Aqui, as raízes secundárias se desenvolvem a partir da raiz primária. Os ramos também têm quatro regiões como a raiz primária.

Sistemas Raiz (Fig. 35):

Nas plantas dicotiledôneas, a radícula produz a raiz primária bastante proeminente, ou seja, longa e robusta. Isso é chamado de raiz da torneira. A raiz principal carrega muitos ramos secundários e terciários que se desenvolvem acropetalmente.

Todos esses ramos podem ser facilmente distinguidos da raiz principal. Todo o sistema é denominado sistema raiz da torneira. Em monocotiledôneas como o milho e o arroz, a radícula produz a raiz primária que logo aborta e é substituída por um tufo de raízes que se desenvolve a partir da base do caule. Todos eles são mais ou menos semelhantes e são chamados de raízes fibrosas e todo o sistema é conhecido como sistema radicular fibroso.

Raízes normais e adventícias:

As raízes que se desenvolvem a partir da radícula (raiz primária) ou ramos das raízes dessa origem são chamadas de raízes normais ou verdadeiras e as raízes que crescem de qualquer posição diferente do ponto normal de origem são chamadas de raízes adventícias. Assim, o sistema radicular comum, geralmente encontrado nas dicotiledôneas, é normal e o sistema radicular fibroso, comum nas monocotiledôneas como as gramíneas, é adventício.

Funções normais da raiz:

As raízes executam duas funções normais. Primeiro, eles fixam as plantas ao solo e, assim, garantem a ancoragem. Em segundo lugar, as raízes são responsáveis ​​pela absorção de água e matérias minerais dissolvidas do solo através dos delicados pêlos das raízes. A água é finalmente conduzida para as folhas.

As raízes primárias com seu grande número de ramos secundários e terciários nas dicotiledôneas e shyledons, ou as raízes fibrosas nas monocotiledôneas penetram no solo, espalham-se em diferentes direções e, assim, desempenham efetivamente as funções normais.

Nas plantas terrestres comuns, o sistema radicular, de fato, é igual ou mesmo superior às porções aéreas (sistema de rebentos) tanto em comprimento quanto em volume. A fixação ou ancoragem é a função mecânica da raiz e a absorção e condução de água e matérias minerais dissolvidas, são as principais funções fisiológicas.

Além disso, as raízes podem realizar muitas funções especiais que serão discutidas em conexão com as raízes modificadas.

Modificações de raízes:

Muitas raízes sofrem modificações para desempenhar funções diferentes das normais. Algumas das raízes modificadas são normais, enquanto muitas delas são adventícias.

1. Raízes normais modificadas para armazenamento de alimentos:

Algumas raízes ficam inchadas e carnudas devido ao armazenamento de alimentos e assumem diferentes formas (Fig. 36):

Aqui, a raiz com o hipocótilo fica inchada. O inchaço é máximo e tímido no meio. Ele gradualmente afunila e afasta as extremidades, ou seja, base e vértice, e. rabanete. Praticamente toda a porção inchada do rabanete é o hipocótilo.

Aqui também a raiz é carnuda, é mais larga na base e afunila gradualmente em direção ao ápice como um cone, por ex. cenoura.

É muito inchado na base (com o hipocótilo), mas diminui abruptamente em direção ao ápice, como na beterraba e no nabo.

2. Raízes adventícias modificadas para armazenamento de alimentos:

Em plantas como a batata-doce que crescem na superfície do solo, algumas das raízes tímidas, desenvolvendo-se do caule, tornam-se inchadas e carnudas devido ao armazenamento de alimentos. Eles não têm nenhuma forma re & shygular. Estes são chamados de raiz tuberosa (Fig. 37).

(e) Em Espargos (B. Satamuli), Ruellia, etc., um bom número de raízes tuberosas são produzidas a partir do caule, forma e evitando um feixe ou fasci e tímido. Eles são chamados de raízes fasciculadas (Fig. 38).

(f) Na manga-gengibre (B. Amada), as raízes adventícias incham de repente nas pontas. Eles são chamados de raízes nodulosas (Fig. 39).

(g) Em muitas gramíneas, os inchaços são freqüentemente encontrados em intervalos freqüentes, dando à raiz uma aparência de contas. Essas raízes peculiares são chamadas de moniliformes (Fig. 39).

Raízes adventícias modificadas:

As raízes são normalmente órgãos subterrâneos. Algumas raízes se desenvolvem completamente acima do solo e, portanto, são aéreas. Nas figueiras-de-bengala comuns de nosso país, as raízes costumam ficar penduradas livremente no ar, em seus galhos.

Com o passar do tempo, eles alcançam o solo, tornam-se mais robustos e servem como muitos suportes ou suportes extras. Assim, eles ajudam a haste a suportar o peso da pesada coroa. Estas são chamadas de raízes prop (Fig.40).

Estas também são raízes de apoio. Em plantas como o pinheiro-bravo (B. Keya), um bom número de raízes adventícias desenvolve-se a partir da parte basal do caule e vai para baixo e obliquamente. Essas raízes ajudam a planta a manter a posição vertical. Estas são raízes de palafitas (Fig. 41).

Plantas trepadeiras fracas, como bétele, videira, Scindapsus (B. Gaj-pipul), etc., produzem algumas raízes adventícias que se agarram aos suportes e, portanto, ajudam as plantas na escalada. Freqüentemente, eles secam e eliminam sucos pegajosos ou desenvolvem estruturas semelhantes a discos para esse propósito (Fig. 42).

Muitas epífitas, como orquídeas, produzem raízes longas que flutuam livremente no ar. Eles têm tecidos esponjosos, chamados velame, na região anterior e posterior, por meio dos quais podem absorver a umidade do ar (Fig. 43).

5. Raízes de Sucção ou Haustoria:

As raízes sugadoras ou haustórios desenvolvem-se nas plantas parasitas como a Cuscuta ou Cuscuta (B. Swarnalata). Essas raízes penetram no corpo do hospedeiro e extraem alimento de lá, sem se preocupar em fabricar seu próprio alimento (Fig. 44, 2 e 3).

Essas raízes são produzidas por plantas como Heritiera (B. Sundri), Rhizophora (B. Bora) crescendo em pântanos salinos ou no mar e em shyshore onde o solo é muito pobre em oxigênio. Aqui, algumas raízes com poros nas pontas vêm verticalmente à superfície do solo e continuam o interior gasoso com a mudança da atmosfera externa. Eles também são chamados de pneumatóforos (Fig. 44-1).

Em uma planta aquática fuissiaea (B. Keshar, represa), algumas raízes peculiares, adventícias e tímidas se desenvolvem a partir dos ramos flutuantes. Eles são leves, macios e esponjosos devido à presença de ar e espaços vazios. Além de facilitar a respiração, eles dão às plantas flutuabilidade para flutuar e resguardar na superfície da água (Fig. 45).

Raízes de plantas como Tinospora (B. Gulancha) pairam livremente no ar e. desenvolver cor verde. Eles podem manufaturar produtos alimentares. As raízes submersas de Trapanatans (castanha-d'água) que saem em pares dos nós são verdes e têm função assimilatória.

As raízes também são usadas para a multiplicação vegetativa. Plantas vegetais comuns como Trichosanthes dioica (B. Patol), batata doce, etc., são propagadas por meio de raízes. Muitas plantas de jardim também são multiplicadas por estacas de raiz.


Primeiras observações diretas de como as raízes crescem

Enquanto os cientistas examinam as plantações para encontrar maneiras de ajudá-los a lidar com o estresse da mudança climática e o crescimento das populações, uma ferramenta surgiu para lhes dar uma nova perspectiva: a visão do subsolo.

As plantas são muito parecidas com icebergs: grande parte de sua massa é invisível a olho nu, enterrada em suas raízes. As raízes permitem que as plantas compensem seu papel estacionário na vida, caçando nutrientes e mergulhando em busca de água em épocas de seca.

Essas são habilidades que os pesquisadores de segurança alimentar gostariam de aprimorar para desenvolver safras mais duráveis, mas as condições de laboratório atualmente limitam os experimentos aos primeiros dias ou semanas de vida de uma planta em crescimento.

Alexander Bucksch, um cientista da computação que se tornou matemático em genética de plantas, disse que foi levado a encontrar uma maneira de lançar luz sobre as raízes em seu trabalho de pós-doutorado no Instituto de Tecnologia da Geórgia. Ele ficou impressionado com o quão pouco se sabe sobre seu crescimento e como a escala, a sobreposição e a diversidade de ramificações eram semelhantes a outros sistemas para os quais ele havia criado modelos visuais em seu trabalho anterior.

"Tive um interesse imediato em ir para a clandestinidade", disse ele. & quotNão sabíamos quase nada sobre sistemas de raízes maduros, muito menos sobre como controlar características. Percebi que poderia pegar meu lado técnico e aplicá-lo à biologia, para obter o melhor de ambos. & Quot

Reunindo especialistas em genética de raízes, fisiologia vegetal e agroecologia, Bucksch construiu um programa de computador que usa um algoritmo para interpretar imagens digitais de raízes maduras extraídas do campo. Isso permitiu que ele analisasse amostras de raízes suficientes com um alto grau de uniformidade para permitir resultados estatisticamente significativos. Isso poderia dar aos futuros pesquisadores a capacidade de manipular características de plantações que foram ocultadas, explicou Malcolm Bennett, professor de ciências vegetais da Universidade de Nottingham, no Reino Unido.

"Por 10.000 anos, selecionamos as características aéreas diretamente, mas não fomos capazes de selecionar diretamente a metade oculta, embora saibamos que as raízes podem impactar muito as coisas que estamos tentando selecionar", disse ele. & quot Este é um ganho impressionante em sermos capazes de fazer o que queríamos há muito tempo. & quot

Medindo o invisível de forma padronizada
Compreender os desafios apresentados aos pesquisadores de raízes é bastante fácil, explicou Bucksch. Os métodos atuais cultivam mudas em potes de barro que podem ser analisados ​​por imagem de ressonância magnética (MRI) ou cultivam-se em potes de vidro usando um meio transparente em vez de solo. Embora essas técnicas sejam altamente avançadas, elas observam apenas uma pequena porção não representativa da vida vegetal, o que restringe o estudo da raiz, pois muitas se desenvolvem ou são modificadas mais tarde na vida.

"No milho [milho], você nem mesmo vê as raízes crescendo dentro dos estudos atuais", disse Bucksch. & quotAntes, a escala de tempo com que as pessoas trabalhavam era de algumas semanas a um mês, na melhor das hipóteses, agora estamos falando sobre poder ver o crescimento dos meses, talvez até mais. & quot

Bennett explicou que isso limitava a rapidez com que os pesquisadores podiam processar suas amostras, o que com um sujeito vivo que continua a crescer torna complicado comparar os dados coletados com dias de intervalo.

“Simplesmente não tínhamos uma taxa de transferência alta o suficiente para trabalhar”, disse Bennett. & quotNa década de 1920, começamos a aprender como estudar as raízes das plantas em laboratórios e estufas, mas, no final das contas, você precisa sair para o campo e, para isso, precisa de uma maneira objetiva e rápida de examinar suas descobertas. & quot

Na década de 1980, técnicas baseadas em imagens foram aplicadas ao estudo das raízes para prever melhor como elas poderiam crescer, mas esse processo ainda não permitia o tipo de certeza necessária para o estudo genético e era muito demorado.

Em 2011, Jonathan Lynch, da Pennsylvania State University, agora parte da equipe de Bucksch, ajudou a criar uma alternativa, uma maneira de padronizar a amostragem de raízes e gerar resultados mais precisos, que ele chamou de & quotshovelomics. & Quot Exigia que as raízes fossem extraídas, lavadas e então medido em relação a uma placa transferidora para classificação de uma maneira específica.

Mas ainda havia fatores subjetivos que continuavam sendo um problema. “Cada pessoa traz consigo diferentes níveis de especialização, conhecimento de campo e treinamento em sua interpretação, tornando as pontuações subjetivas”, disse Bucksch. "Queríamos tirar a contagem e a medição das mãos do pesquisador para evitar isso."

Falando a mesma lingua
O novo método, publicado na semana passada em Fisiologia vegetal, tem pesquisadores fotografando suas amostras de raiz contra um quadro de fundo preto ao lado de um círculo para dimensionar a imagem. Esta imagem é então enviada para um computador que usa o algoritmo para analisar aspectos finos e em grande escala das amostras. Para muitos sistemas raiz, isso era impossível devido ao seu alto grau de complexidade.

Dentro dessas adições também vêm as ferramentas para combinar as características visíveis da planta com a composição genética da característica. Isso foi necessário para desbloquear e explorar o potencial adaptativo de raiz.

"O que podemos aprender agora é como as plantas mudam para atender ao seu ambiente", disse Bucksch. & quotO que funcionou no passado para a planta se reflete no ângulo, na ramificação e na dinâmica de seu sistema radicular. & quot

Bennett acrescentou que admirava a gama de fatores que a equipe, tanto da Penn State quanto da Georgia Tech, levou em consideração ao trabalhar na tecnologia, garantindo que fosse simplista o suficiente para uso em países em desenvolvimento.

“Seu processo custa centavos para processar, não requer grandes despesas de entrada e é rápido o suficiente para possibilitar o sequenciamento e, eventualmente, o insight genômico”, disse ele. & quotIsso é um grande ganho para o campo e um passo para nos ajudar a finalmente esculpir e incorporar fenótipos ideais em safras futuras. & quot

Bucksch, que está confiante de que seu método oferecerá a todos os tipos de pesquisadores uma nova maneira de observar os elementos da vida vegetal madura, disse que nunca duvidou que eles teriam sucesso, embora muitos especialistas diferentes fossem necessários para criar o produto final.

“A biologia tem tudo a ver com processos, e é exatamente isso que os algoritmos descrevem. Os dois acabaram de desenvolver linguagens diferentes porque cresceram isolados um do outro”, disse ele. & quot Romper essa barreira inicial foi provavelmente a parte mais difícil de todo o projeto, mas assim que o fizemos, sabíamos que tínhamos algo com que todos podíamos trabalhar. & quot


MECANISMOS CELULARES DE EXUDAÇÃO DE RAIZ

Tráfico Subcelular de Metabólitos Exsudados

Apesar da importância ecofisiológica dos compostos secretados por plantas e do grande número de compostos que as células vegetais produzem, muito pouco se sabe atualmente sobre os mecanismos moleculares para o tráfico de fitoquímicos. Em pelo menos algumas plantas, é provável que os canais estejam envolvidos na secreção de ácidos orgânicos normalmente presentes em níveis elevados no citoplasma. Um bom exemplo é fornecido pela exsudação de citrato, malato e ácidos orgânicos relacionados pelo milho e trigo (Triticum aestivum) em resposta a altas concentrações de Al 3+ (Ma et al., 2001). No entanto, as plantas têm potencial para expressar 100.000 compostos, derivados principalmente do metabolismo secundário (Verpoorte, 2000), muitos deles com atividades citotóxicas que impediriam seu acúmulo no citoplasma. A especulação de que os fitoquímicos são transportados do local de síntese para o local de armazenamento por vesículas ou organelas especializadas está ganhando força à medida que se acumulam evidências sobre a presença de corpos intracelulares em células vegetais induzidas a acumular grandes quantidades de metabólitos secundários (Grotewold, 2001). Por exemplo, há muito se sabe que etapas específicas da via biossintética do alcalóide isoquinolina são sequestradas em vesículas alcalóides e que os intermediários da via devem trafegar de um compartimento subcelular para outro por mecanismos que impedem sua difusão livre no citosol (Facchini, 2001). Inclusões subcelulares que acumulam 3-desoxi antocianidina fitoalexinas flavonóides são observadas em folhas de sorgo infectadas pelo fungoColletotrichum graminicola (Snyder e Nicholson, 1990). Essas inclusões são semelhantes aos antocianoplastos observados em células de milho que expressam os reguladores C1 e R do acúmulo de antocianina (Grotewold et al., 1998).

Os exsudatos radiculares geralmente incluem fenilpropanóides e flavonóides, presumivelmente sintetizados na superfície citoplasmática do retículo endoplasmático (ER Winkel-Shirley, 2001). Por exemplo, a flavona luteolina, secretada pela alfafa (Medicago sativa) mudas e tegumentos, fornece um dos sinais que induz os genes de nodulação em R. meliloti (Peters et al., 1986). Os flavonóides catequinas citotóxicos e antimicrobianos são secretados pelas raízes das plantas knapweed (Bais et al., 2002c). Embora os mecanismos pelos quais esses compostos são transportados do RE para a membrana plasmática não sejam conhecidos, é possível que sejam transportados por vesículas originadas do RE que se fundem à membrana celular e liberam seu conteúdo.

Vesículas com as propriedades descritas acima e contendo compostos verdes autofluorescentes foram identificadas em células de milho que expressam ectopicamente o regulador P da biossíntese de 3-desoxi flavonóides (Grotewold et al., 1998). Essas vesículas provavelmente se originam do RE, como sugerido pela presença de fluorescência verde dentro de regiões específicas do RE após o tratamento com brefeldina A. As vesículas se fundem e formam grandes corpos verdes fluorescentes que migram para a superfície da célula e se fundem para a membrana celular e libera o composto verde fluorescente para a parede celular (Grotewold et al., 1998). Curiosamente, o acúmulo de fluorescência verde na parede celular é aumentado pelo tratamento com agentes disruptivos de Golgi, como brefeldina A ou monensina, sugerindo uma via independente da rede trans-Golgi para a secreção desses compostos. As células cultivadas de milho que expressam ectopicamente P também acumulam quantidades aumentadas de compostos amarelos autofluorescentes que são direcionados ao vacúolo central por estruturas subcelulares que se assemelham a antocianoplastos (Grotewold et al., 1998). O uso desses compostos autofluorescentes, ou as β-carbolinas fluorescentes presentes em exsudatos deO. tuberosa raízes (Bais et al., 2002a), deve aumentar muito as oportunidades disponíveis para estudar os mecanismos moleculares subjacentes à secreção de fitoquímicos.

Transportador de cassete ATP-Binding (ABC) como alternativa ao tráfico vesicular

A seção anterior destacou a possibilidade de tráfico e fusão vesicular como um mecanismo celular responsável pela exsudação radicular, mas poderiam outros mecanismos também ser responsáveis ​​uma vez que os compostos atinjam a membrana? Por exemplo, o envolvimento de transportadores de membrana, como os transportadores ABC, pode ser responsável pela secreção de compostos secretados pela raiz. A superfamília ABC de transportadores de membrana é uma das maiores famílias de proteínas e seus membros podem ser encontrados em animais, bactérias, fungos e plantas. Os transportadores ABC usam a hidrólise de ATP para transportar ativamente compostos quimicamente e estruturalmente não relacionados das células (Martinoia et al., 2002). A recente conclusão do projeto de pesquisa do genoma de Arabidopsis (Arabidopsis Genome Initiative, 2000) revelou que Arabidopsis contém 53 genes transportadores ABC putativos. No entanto, a localização da proteína e a função da maioria desses genes são amplamente desconhecidas (Martinoia et al., 2002). A maioria dos transportadores ABC de plantas caracterizados até o momento foram localizados na membrana vacuolar e acredita-se que sejam responsáveis ​​pelo sequestro intracelular de citotoxinas (Theodoulou, 2000).

Atualmente, muito pouco se sabe sobre os transportadores ABC da membrana plasmática de plantas, mas a Arabidopsis AtPGP1, localizada na membrana plasmática (Sidler et al., 1998), demonstrou estar envolvida no alongamento celular por bombeamento ativo de auxina de seu local de síntese no citoplasma para células apropriadas (Noh et al., 2001). Partindo do pressuposto de que os transportadores ABC da membrana plasmática podem estar envolvidos na secreção de metabólitos de defesa, e sua expressão pode ser regulada pela concentração desses metabólitos, Jasinski et al. (2002) identificou um transportador ABC de membrana plasmática (NpABC1) de Nicotiana plumbaginifolia tratando culturas de células com vários metabólitos secundários. Curiosamente, a adição de esclareolida, um diterpeno antifúngico produzido na superfície da folha de Nicotiana spp. (Baily et al., 1975), resultou na expressão de NpABC1 (Jasinski et al., 2002). Esses achados sugerem que o NpABC1 e provavelmente outros transportadores ABC da membrana plasmática estão envolvidos na secreção de metabólitos secundários envolvidos na defesa da planta, mas mais estudos são necessários para identificar positivamente os transportadores ABC da membrana plasmática envolvidos na exsudação da raiz de compostos específicos.


RESPOSTAS A ESTRESSES ABIÓTICAS

Vários artigos examinam como as raízes respondem a estresses abióticos, incluindo limitações nutricionais, toxicidades elementares, alagamento e restrições físicas. A acidez do solo afeta mais de 30% das terras aráveis ​​e continua a limitar a produtividade agrícola globalmente. As toxicidades de alumínio e manganês são em grande parte responsáveis ​​pelo fraco crescimento das plantas, mas as deficiências de nutrientes também contribuem. Muitas espécies desenvolveram estratégias para lidar com esses estresses, e Rao et al. (2016) revisam de forma abrangente as mudanças adaptativas na estrutura e função da raiz que fornecem proteção contra esses solos hostis. Eles encorajam outras estratégias de reprodução para selecionar características de raiz adicionais. Líška et al. (2016) demonstram como a exposição das raízes ao ar, ou a metais tóxicos como o cádmio, influencia o desenvolvimento da lamela de suberina. Suberin é um polímero de parede celular semelhante a cera que fornece uma barreira ao movimento de água e solutos. Eles descobriram que a suberina é preferencialmente depositada no lado da raiz exposta a esses tratamentos, presumivelmente como um meio de proteger a planta desses estresses. Respostas metabólicas à deficiência de fósforo no arroz (O.sativa) foram investigados por Zhu et al. (2016). Este artigo examina a reciclagem do fósforo da raiz à parte aérea, onde o fornecimento de fósforo é restrito, e relata que o etileno regula esse processo. O aumento das concentrações de etileno em plantas de arroz deficientes em fósforo aumentou o conteúdo de pectina da parede celular e a expressão do transportador de fosfato OsPT2. Ambas as alterações aceleraram a liberação de fósforo das paredes celulares da raiz, o que aumentou a translocação de fósforo para os brotos. A compactação é outra restrição importante do solo que afeta a penetração da raiz e a profundidade final do enraizamento. Popova et al. (2016) estudaram o efeito da resistência do solo na taxa de alongamento e diâmetro do milho (Zea mays) roots. Their paper describes how final root shape and tortuosity in compacted soil results not only from mechanical deflections but also from tropic responses via touch stimuli. Mechanical stress is also the topic of a study by De Zio et al. (2016). They examined roots of the woody perennial Populus nigra and compared the anatomy, lignin content and hormone concentrations on the convex and concave sides of roots forced to turn a tight corner. Lignin content and xylem thickness increased on the concave side whereas more lateral roots appeared on the convex side. Hormone analysis indicates that auxin and abscisic acid concentrations were likely to be responsible for regulating these changes. Interestingly, the responses of roots to mechanical stress contrasts with the modifications known to occur in the stems of poplar plants ( Plomion et al., 2001).

Waterlogging presents a number of physical and chemical stresses to plants but the reduction in oxygen availability can limit growth and survival. Some species, such as alligator weed (Alternanthera philoxeroides), are well adapted to flooded conditions because they have evolved specific mechanisms to overcome this limitation, and consequently have become a major threat to wetlands, rivers and irrigation systems around the world. Alligator weed is a perennial, growing vigorously and forming an intricate root system of adventitious roots that suspend in water. Ayi et al. (2016) investigated the adventitious roots that develop on alligator weed in submerged conditions. They measured the oxygen gradients in the unstirred layers adjacent to these roots and provide evidence that they are capable of absorbing oxygen from the water. They also demonstrate that oxygen concentration within stem nodes having adventitious roots increased compared with stem nodes without adventitious roots, suggesting that oxygen may intimately regulate their development, possibly helping to supply carbohydrate for vigorous root growth. It remains to be shown whether the development of these adventitious roots offers alligator weed greater capacity to absorb oxygen from water than similar roots in other species.

Phenotypic screens for single, abiotic soil constraints, such as those in the studies summarized above, can reveal the genetic and physiological basis of tolerance mechanisms. Similar studies have identified many new membrane transport proteins that regulate the uptake of nutrients and the exclusion of toxic ions through specific root exudates ( Schroeder et al., 2013). The next step will be to combine these treatments and score performance with the multiple stresses encountered in the field. This will accelerate progress towards improving agricultural production and provide management options for forestry and natural systems ( Rich and Watt, 2013).


What the scientists did

Plant roots grow downward by sensing gravity using tiny, stone-like starch balls — called granules — in their cells. When gravity pulls the granules to the “bottom” of a cell, it triggers signals that tell the plant “this way is down.”

But if a root hits a rock or senses nutrients in another direction, a separate signal will switch on and tell it to turn. How quickly and frequently the root changes directions determines how deep, versus how spread out, the roots will grow over time.

Scientists had previously surmised the plant hormone auxin was involved in the root turning process because it controls most aspects of plant growth, but they didn’t know which gene was responsible.

So the researchers turned to the weed-like plant Arabidopsis to study root behavior. Think of Arabidopsis as the floral version of a lab mouse — it is commonly studied in laboratories to decipher plant genetics.

Busch’s team gave 215 plants a low dose of a chemical known to block the auxin hormone, and watched for drastic changes in the roots.

Arabidopsis thaliana, otherwise known as the thale cress or mouse-ear cress, is a popular research tool in plant biology. Photo by lehic/via Adobe Stock


Genetic dissection of maize seedling root system architecture traits using an ultra-high density bin-map and a recombinant inbred line population

Maize (Zea mays) root system architecture (RSA) mediates the key functions of plant anchorage and acquisition of nutrients and water. In this study, a set of 204 recombinant inbred lines (RILs) was derived from the widely adapted Chinese hybrid ZD958(Zheng58 × Chang7-2), genotyped by sequencing (GBS) and evaluated as seedlings for 24 RSA related traits divided into primary, seminal and total root classes. Significant differences between the means of the parental phenotypes were detected for 18 traits, and extensive transgressive segregation in the RIL population was observed for all traits. Moderate to strong relationships among the traits were discovered. A total of 62 quantitative trait loci (QTL) were identified that individually explained from 1.6% to 11.6% (total root dry weight/total seedling shoot dry weight) of the phenotypic variation. Eighteen, 24 and 20 QTL were identified for primary, seminal and total root classes of traits, respectively. We found hotspots of 5, 3, 4 and 12 QTL in maize chromosome bins 2.06, 3.02-03, 9.02-04, and 9.05-06, respectively, implicating the presence of root gene clusters or pleiotropic effects. These results characterized the phenotypic variation and genetic architecture of seedling RSA in a population derived from a successful maize hybrid.

Palavras-chave: Maize QTL bin map genotyping by sequencing (GBS) root system architecture.

© 2015 The Authors. Journal of Integrative Plant Biology published by Wiley Publishing Asia Pty Ltd on behalf of Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences.


Biologists Discover How Salt Stops Plant Growth

It has not been clear how salt halts the growth of the plant-root system, until now. According to an international study published in the journal Célula vegetal, an inner layer of tissue in the branching roots that anchor the plant is sensitive to salt and activates a stress hormone, which stops root growth.

This is a microscope image of a branching root, the cell boundaries are in red and the GFP fluorescent signal marks the endodermis (José Dinneny)

Salt accumulates in irrigated soils due to the evaporation of water, which leaves salt behind. Roots are intimately associated with their environment and develop highly intricate branched networks that enable them to explore the soil. The branching roots grow horizontally off the main root and are important for water and nutrient uptake.

“An important missing piece of the puzzle to understanding how plants cope with stressful environments is knowing when and where stressors act to affect growth,” said study senior author Dr José Dinneny of Carnegie Institution for Science.

The biologists grew seedlings of a laboratory plant (Arabidopsis) that is a relative of mustard using a custom imaging system, which enabled them to measure the dynamic process of root growth throughout the salt response.

This ability to track root growth in real time led the researchers to observe that branching roots entered a dormant phase of growth as salt was introduced. To determine how dormancy might be regulated, they surveyed the role of different plant hormones in this process and found that a critical plant hormone called abscisic acid was the key signaling molecule.

“We are familiar with how animals use a fight or flight strategy to face external challenges. While plants can’t run for safety, they can control how much they grow into dangerous territory. It turns out that abscisic acid, a stress hormone produced in the plant when it is exposed to drought or salty environments, is important in controlling the plant equivalent of fight or flight,” Dr Dinneny said.

To understand how Abscisic Acid controls growth, the biologists devised a strategy to inhibit the response to this hormone in different tissue layers of the root. They developed several mutants in which the response to the hormone was suppressed in different root layers. They found that a significant portion of the salt response was dependent upon how a single cell layer sensed the hormone. The live imaging allowed them to watch what happened to root growth in these mutant plants.

Lead author Dr Lina Duan, also of Carnegie Institution for Science, said: “Interestingly, the ‘inner-skin’ of the root, called the endodermis, was most critical for this process. This tissue layer is particularly important as it acts like a semipermeable barrier limiting which substances can enter the root system from the soil environment.”

“Our results mean that in addition to acting as a filter for substances in the soil, the endodermis also acts as a guard, with abscisic acid, to prevent a plant from growing in dangerous environments,” Dr Dinneny concluded. “Irrigation of agricultural land is a major contributor to soil salinity. And as sea levels rise with climate change, understanding how plants, particularly crops, react to salt might allow us to develop plant varieties that can grow in the saltier soils that will likely occur in coastal zones.”

Bibliographic information: Duana L et al. Endodermal ABA Signaling Promotes Lateral Root Quiescence during Salt Stress in Arabidopsis Seedlings. The Plant Cell, published online before print January 2013 doi: 10.1105/tpc.112.107227


Talking Trees—Secrets of Plant Communication

Forests are nurseries of health and well-being. New discoveries are showing that this doesn’t happen by accident. The trees are working together.

Come with me on an imaginary journey through a woodland wonderland. As we wind down the shaded path, damp moss on the forest floor brushes our bare feet. The scent of white cedar tickles our noses, while filtered morning light enchants our eyes. A gray squirrel chatters overhead in the ancient oaks, and nearby a white-breasted nuthatch chitters to its mate.

What a special place to retreat from our hectic, dysfunctional world and experience peace and tranquility! But there’s more to the forest than meets our eyes (and noses, ears, and feet).

The psalmist declared, “ Let the field be joyful, and all that is in it. Then all the trees of the woods will rejoice before the Lord ” ( Psalm 96:12 ). It’s poetry, certainly, emphasizing that God’s creation yearns for the Lord to return and restore peace on earth.

Stresses constantly threaten to destroy the forest’s surface harmony, and yet modern scientific research is revealing how marvelously the Creator has equipped His woodlands to respond to these stresses, keeping alive these reminders of harmony that once existed and will be restored someday through Christ.

Researchers are discovering that trees form communities that “talk” to each other, sharing their needs and providing mutual assistance. Yes, you heard me correctly. It’s mindboggling, even for someone like me who has spent his life studying nature’s wonders (forest ecology in particular).

Now, it’s important to remember that forests aren’t human or alive in any sense like animals (they lack the “breath” of life, or nephesh, according to God ’s Word). Unfortunately, some current researchers blur the line, imbuing plants with animal or human attributes, such as feelings and consciousness, which they don’t have. The science itself is fascinating, without any need to make trees sound human-like.

When the Bible proclaims that “the trees of the woods” give glory to God , this metaphor may be a reality in unexpected ways.

Trees can’t run from danger or visit their neighbors to ask for a cup of sugar like we can. To sidestep peril and meet their changing needs in a fallen world, cursed because of man’s rebellion against God, their Creator imbued trees with unique abilities. They can communicate with other trees and with other creatures, seeking help. Why would this be necessary, if the Lord made plants to provide food and shelter for animals and people (see Genesis 1:29–30 )? Well, for one thing, they need to survive—no matter what abuses they suffer at the hands of heedless clearcutters or unrestrained insects in our fallen world—to meet the needs of future generations.

One of their defenses against being overeaten is producing chemicals that make them taste bad. At the same time, other chemicals warn nearby trees that a swarm of voracious beetles or other animals have invaded. These chemicals are specifically tailored for this purpose.

In addition to chemical warnings, some oak and beech leaves and spruce needles will produce electrical signals when an insect predator eats them. Electrical impulses generate messages to the rest of the tree so that, within an hour, the tree will hopefully taste so bad that the insects flee.

Experiments in the African savannah suggest that when a giraffe arrives and starts ingesting acacia leaves, plants will soon be inedible but will also warn nearby trees. Leaves send out the warning gas ethylene, and other trees in the vicinity detect the scent and start producing their own defense chemicals before the giraffe arrives. How do plants “smell” the gas and then mount their own defense before the giraffe begins eating them? More research is needed.

To avoid being overeaten when giraffes begin munching on them, acacia trees can change the flavor of their leaves and also warn other trees to do the same.

As hungry insects salivate on elms and pines, the trees can chemically analyze the insects’ saliva, reproduce it in mass quantities, and broadcast the chemical to the forest community. This cry for help alerts predators who like to eat the insects. They promptly come flying to the location, eliminating the insects that are attacking the tree.

It’s easy to imagine why God originally designed systems to produce chemicals with many different smells—to bless other creatures in the forest. Many woodland scents are still just as pleasant to animals as they are to us. In fact, the trees that produce flowers and fruit purposefully send out sweet-scented messages in a wide variety of colors, patterns, and perfumes to invite animals to come, explore, and partake.

Communication is happening below our feet as it is above. If we could carefully remove the loam at the base of a forest tree, we’d see a root system that spreads out twice as far as the canopy above our heads. This root system reaches depths of 1–5 feet (0.3–1.5 m), depending on the location. More astonishingly, roots may connect directly with the roots of other trees. Trees can distinguish members of their own kind and establish connections with them.

This reality contradicts the old view that woodland trees simply competed in a life-and-death struggle for limited light and nutrients. Though plants do compete in forests, current research suggests that more often, trees may be cooperating and assisting each other. When one tree is sick, nearby trees may share nutrients through their roots to help it get well again. If a lodgepole pine sapling springs up in the shade of a thick forest, older trees somehow sense that it doesn’t get enough sunlight to make food for itself, so they may share their bounty. They even change their root structure to open space for saplings.

How do plants talk in the soil? They may have several options. For example, researchers have found evidence that plants are communicating by sound. Though this sounds crazy, vibrations emanating from seedlings in laboratory settings have been detected by special instruments and measured at 220 hertz. In experiments, roots direct other roots to grow toward this low frequency. Much more research must be done, but these experiments suggest one intriguing possibility for the way plants communicate.

Trees also communicate with chemical messages, but they aren’t just talking to each other. They talk to their other soil neighbors, too. Microorganisms, such as bacteria and fungi, gather water and nutrients that the trees need. So roots produce nutritious substances, such as sugars and proteins, to attract these organisms. One researcher described this chemical advertisement as trees producing “cakes” and “cookies” to attract microbes to come and enjoy.

Special fungi recognize these chemical messages and not only partake, but also interact with roots to form partnerships. Fungi, for example, will inform the tree when they need to enter a root, and the tree will respond by softening a place in its root wall where the fungus can enter.

Fungal microbes receive all the food (sugar) they need to build their bodies, and in return they help trees obtain water and minerals, protect them from drought, absorb toxic heavy metals, and help undernourished and young trees. Trees couldn’t build their tall trunks without a steady supply of minerals from microbes that mine the soil and transport them to the tree.

This underground network of root/fungus communication acts in many ways like an underground internet. These special fungi called mycorrhizae (“fungus root”) spread a tangled highway of long microscopic tubes, called fungal hyphae, through the soil from tree root to tree root. Literally miles of tiny tubes are found within a single cubic foot of soil between two tree roots.

Trees communicate so intensely via these networks that it has been called the “underground internet” and the “wood wide web.” Electrical impulses pass through nerve-like cells from root tip to root tip, and these signals may be broadcasting news about drought conditions, predator attack, and heavy metal contamination.

Working together by means of complex communication tools such as sound, chemicals, and electricity, every member in the forest benefits. These complex relationships help maintain a healthy forest system, as the trees moderate temperature extremes, store groundwater and carbon more efficiently, produce plenty of oxygen, and provide a healthy habitat for other forest denizens.

I have not met anyone who wasn’t amazed by these findings. No matter what their religious or political view, people around the world are recognizing forests as places that promote emotional, spiritual, and physical health. Trees filter dust, pollen, pollutants, bacteria, and viruses from the air. Taking a deep breath in a virgin forest is literally a healthy experience. Research is confirming that, when stressed and driven people visit the forest, they find not only rest but lower blood pressure and an increased sense of peace.

There is no question that these phenomena have been overstated at times and greatly anthropomorphized (described in human-like terms). So how should followers of Christ make sense of these findings?

When we study the forest, we find mutually beneficial relationships, lavish provision, and steady communication. Are these not attributes of the Creator? Are they not evidence that God wants to display some of these wonderful attributes, even in nonthinking organisms?

Romans 1:20 proclaims, “ Since the creation of the world His invisible attributes are clearly seen, being understood by the things that are made, even His eternal power and Godhead, so that they are without excuse. ” The Bible highlights many of God’s attributes, including the fact that He is relational ( Genesis 2 1 Corinthians 12 ) and is a communicator ( John 1:1 Hebrews 1 ). In His creation we can see visible and finite hints of His invisible and infinite characteristics, if we have eyes to see.

All forest ecologists see the amazing relationships and interconnections within the forest. As a result, some have called the forest-and-earth biosphere a living organism. But we know from Scripture that a loving Creator is behind them. Christ the Word has filled His creation with organisms that communicate with chemicals, sounds, and electrical impulses. The recipient is designed to listen and respond in kind. What an amazing reminder that God desires to communicate with us, and He expects us to respond to His Word and help one another, too.

Yet we live in a broken world full of sickness and unhealthy relationships. Even the forest suffers from genetic defects, blight, and wanton destruction. The potential harmony of the forest reminds us about what once was, before man’s rebellion against the Creator brought corruption into the world. But the Creator, Jesus Christ the Son of God, came to earth as a man to restore all things, and He will complete this restoration when He comes again ( John 1:1–14 Revelation 21:1–7 ).

Spending time in the forest is a wonderful way to meditate on God and get our life priorities back in line. Scripture proclaims, “ Seek the Lord while He may be found. . . . For you shall go out with joy, and be led out with peace the mountains and the hills shall break forth into singing before you, and all the trees of the field shall clap their hands ” ( Isaiah 55:6, 12 ).

Fonte: The Hidden Life of Trees: What They Feel, How They Communicate by Peter Wohlleben. (This book often overstates the human-like qualities of trees, so use biblical discernment when reading it.)


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