'Wax on, wax off': Hvad har planterødder og karate til fælles?

Husker du 80'er-hittet ‘Karate Kid’, så husker du nok også, hvordan Daniel-san lærte karate ved at polere Mr. Miyagis bil med voks som en slags Zen-meditation, der lød: »Wax on, wax off.«

Vores nye studie viser, at planterødder også kan være med på det mantra - og ja, du læste rigtigt.

Alle planterødder har et ydre lag, der kaldes 'suberin'. Det er et lag af en slags voks, der som en fysisk barriere sidder udenpå cellerne i plantens rødder, og som er ansvarlig for at transportere vand og næring fra jorden og op i bladene.

Forskerne har altid troet, at suberin-laget hæmmede optagelsesprocesserne, fordi laget er forholdsvis ugennemtrængeligt. Derfor troede man, at voksen var en forsvarsmekanisme, der afværgede, at planten optog skadelige stoffer fra jorden.

Vores nye studie indikerer imidlertid noget helt andet. Det løfter sløret for processer, der gør planten i stand til balancere optaget af næring, så planten bliver ved med at være sund.

De nyligt afdækkede processer udfordrer vores teorier om plantevækst, og om hvordan rødderne er i stand til at tilpasse sig krævende forhold.

Suberin hjælper planterne med at overleve vanskelige forhold

Tidligere forskning har vist, at det voksagtige lag enten kan ligge tæt på eller langt fra rodspidsen for så at fortsætte længere op og dække 30 til 60 procent af hele roden.

Hvis forholdene er særligt vanskelige, finder man suberin-laget endnu tættere på rodspidsen, og helt op til 80 procent af cellevæggene kan være dækket af det voksagtige stof; en proces, som også kaldes forkorkning.

Processen gør planterne mere modstandsdygtige over for mindre ideelle vækstforhold som eksempelvis et højt saltniveau, tungmetaller, infektioner eller tørke.

Tests med Arabidopsis thaliana (eller almindelig gåsemad), som ofte bruges til tests i laboratorierne, viste for nyligt, at mangel på næring også har effekt på suberin-laget, selv om vi endnu kun har begrænset viden om, hvordan det egentlig påvirker planten.

Vores studie gransker, hvordan rødderne reagerer på dårlige vækstforhold, hvor mængden af mangan (Mn), som er afgørende for plantevækst, bliver for lav.

Mangan-mangel er et meget hyppigt forekommende problem i landbruget i Nordeuropa, og ved at studere det kan vi muligvis afdække, hvordan rødderne tilpasser sig næringsfattige forhold.

LÆS OGSÅ: Gennembrud: Sådan kan landbruget gøde mindre

Planterøddernes respons på næringsmangel

Til vores studie avlede vi byg-planter i spande fyldt med næringsblandinger, der gjorde os i stand til at eksponere planterne for forskellige grader af mangan-mangel.

Med undtagelse af mangan (Mn) indeholdt spandene den samme mængde af alle de andre næringsstoffer, som planterne har brug for.

De varierende mangan-mængder resulterede i nogle ganske markante forskelle, da vi sammenlignede rødderne.

I takt med, at mangan-niveauet faldt (ved let mangan-mangel), producerede rødderne mindre af det voksagtige suberin-lag i forhold til sunde planter, hvilket betød, at mere mangan er i stand til at trænge ind i rødderne.

Vi kalder denne suberin-reduktion for 'wax off'.

LÆS OGSÅ: Fosfor har gjort hverdagen lettere og slået tusindvis ihjel

Overraskende fund

Senere - i løbet af en periode med svær mangan-mangel - blev rødderne til vores store overraskelse dækket af større mængder suberin (forkorkning) end kontrolplanterne. Det kalder vi for 'wax on'.

Da planterne igen blev forsynet med mangan, blev suberin-niveauet normaliseret, hvilket fortæller os, at den eneste faktor i vores system, som havde effekt på mængden af suberin, er niveauet af mangan-mangel.

'Wax on'- og 'wax off'-responserne repræsenterer to af planterøddernes strategier for optagelse:

1. Mindre forkorkede rødder: Ved let mangan-mangel producerer planterne mindre suberin, hvilket øger permeabiliteten (gennemtrængeligheden), så mere mangan kan trænge ind i rødderne.

2. Mere forkorkede rødder: Hvis planten bliver belastet af en svær mangel på mangan, kan den ændre strategi og producere mere suberin. Optagelsen af næringen koncentreres i dette tilfælde ved rodtippen, som ikke er omgivet af suberin, og hvor næringsstofferne let kan trænge ind i roden. Denne del af roden vokser så ned i ny jord, som forhåbentlig indeholder mangan, i forsøget på at få mangan-behovet dækket. Mangan vil så blive transporteret op til plantens skud hurtigere og mere effektivt, fordi de stærkt forkorkede rødder garanterer, at intet mangan siver ud i løbet af turen ud til plantens skud.

LÆS OGSÅ: Ny metode kan bremse overgødning og gavne miljøet

Suberin-niveauet har effekt på mere end blot manglen på næringsstoffer

Mens vi målte alle næringsstofferne i planterne, så vi, at mængden af suberin også havde en signifikant effekt på transporteffektiviteten af andre vigtige næringsstoffer som kalcium (Ca) og kalium (K) - næringsstoffer, som vi almindeligvis går ud fra er upåvirkede af manglen på mangan.

Den mest påfaldende observation var, at suberin lader til at have den modsatte effekt på forskellige næringsstoffer.

Faktisk stiger mængden af et af planteproduktionens vigtigste næringsstoffer, kalium (K), signifikant i løbet af 'wax on', hvilket vi absolut ikke ventede at se. Når der var mindre suberin i rødderne, så vi det modsatte: Ringere transport af kalium.

Mængden af kalcium, som også er et vigtigt næringsstof, falder i løbet af 'wax on' og stiger i løbet af 'wax off', så kalciums adfærd er altså modsat kaliums.

Vores fund viser, at graden af mangan-mangel bestemmer, om roden har mere eller mindre suberin end ikke-belastede planter ('wax on' eller 'wax off'), og at begge reaktioner har markant effekt på plantens overordnede næringsstofbalance.

Det er observationer, som virkelig udfordrer vores teorier om plantevækst og røddernes tilpasning.

Vi kan forbedre planteproduktionen og redde miljøet

Vores observationer viser, at rødder tilpasser sig forandringer i tilgængeligheden af næringsstoffer hurtigt, og at forandringerne har en signifikant effekt på plantesundheden.

Det er ukendte og kraftfulde processer, som er blevet totalt overset i det moderne landbrug, som desuden får hård kritik som følge af deres overforbrug af kunstgødning.

Så der er både miljømæssige og økonomiske årsager til, at nutidens landbrug har behov for nye strategier, der kan maksimere planteproduktionen med et minimum af kemikalier.

I takt med at rødderne tilpasser miljøet ved hjælp af suberin, har det effekt på deres behov for næringsstoffer.

Gennem yderligere forskning håber vi at få en større viden om processerne for i sidste ende at kunne hjælpe landmændene med at reducere brugen af gødning samt benytte gødning på en smartere måde for at kompensere for disse effekter.

Ligesom i karate handler suberin-adaptionen nemlig ikke kun om selvforsvar. Karatens filosofi handler om balance og indre ro.

På samme måde handler røddernes tilpasningsstrategier om nærings-balance og sundhed.

Og dét, Daniel-san, er vi først lige begyndt at forstå.

Læs denne artikel på engelsk på vores internationale søstersite ScienceNordic.com. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

LÆS OGSÅ: Nanogødning kan sænke forbruget af fosfor med 70 procent, håber forskere

LÆS OGSÅ: Rum-lignende rodknolde laver bæredygtig gødning til planter