"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9332
ETF9332 "Taimejuurte interaktsioonide mehhanismid ja koevolutsiooni roll nende kujunemisel (1.01.2012−31.12.2015)", Marina Semtšenko, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Ökoloogia- ja Maateaduste Instituut.
ETF9332
Taimejuurte interaktsioonide mehhanismid ja koevolutsiooni roll nende kujunemisel
Plant root interactions: underlying mechanisms and the role of co-evolution
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
1. Bio- ja keskkonnateadused1.4. Ökoloogia, biosüstemaatika ja -füsioloogiaB270 Taimeökoloogia 1.5. Bioteadused (bioloogia, botaanika, bakterioloogia, mikrobioloogia, zooloogia, entomoloogia, geneetika, biokeemia, biofüüsika jt100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201214 640,00 EUR
01.01.2013−31.12.201314 640,00 EUR
01.01.2014−31.12.201414 640,00 EUR
01.01.2015−31.12.201514 640,00 EUR
58 560,00 EUR

Hiljutistes juurte käitumist käsitlevates töödes on näidatud, et taimed võivad reageerida naabritele nii agressiivselt (suurendades juurte produktsiooni naabrite läheduses) kui ka kooperatiivselt (vältides juurte kasvu naabri poolt hõivatud ruumi). Muutused juurte produktsioonis ja paigutuses vastusena naabri kohalolekule varieeruvad liigiti ja sõltuvad osade liikide puhul naabri geneetilisest identiteedist. Mõnesid muutusi taimejuurte kasvus ja paigutuses vastusena naabri lähedusele võib seletada naabri juurte põhjustatud toitainete kättesaadavuse vähenemisega. Siiski koguneb järjest ka selliseid uuringuid, kus demonstreeritakse senitundmatute signaalide osalust juurtevahelises suhtlemises. Taimed eritavad mulda väga laia spektrit keemilisi ühendeid, mis võivad muuhulgas mängida olulist rolli ka naabrite läheduse tuvastamises. On näidatud, et mõne liigi juured eritavad toksilisi ühendeid, mis pärsivad naabertaimede juurte kasvu ja põjustavad juurte ruumilist segregatsiooni. Mittetoksiliste juureeritiste roll juurte käitumise vahendamisel ja juurte ruumilise paigutuse mõjutamisel alles vajab selgitamist. Senistes uuringutes pole kuigivõrd tähelepanu pööratud koevolutisooni rollile juurte interaktsioonide iseloomu ja spetsiifilisuse kujunemisel. Samas, invasiivsete taimeliikide üksikasjalik uurimine viitab koevolutisooni tugevale mõjule taimedevahelise konkurentsi tulemile. On näidatud, et koevolutsiooni tulemusena saavutavad pikka aega koos eksisteerinud liigid resistentsuse teineteise toksiliste eritiste suhtes ning juureeritised võivad omandada hoopis kasvu stimuleeriva toime. Naabrite äratundmise mehhanisme ja koevolutsiooni rolli taimedevaheliste interaktsioonide kujundamises ei saaks uurida ilma arvestamata mulla mikroobe. Mulla patogeenid ja sümbiondid üldiselt eelistavad kindlaid peremeestaime liike ja mikroobsete koosluste koosseis ning dünaamika võivad muutuda väga kiiresti vastusena muutustele taimekoosluses. Taim-mikroob interaktsioonide põhiliseks vahendajaks on ilmselt juureeritised. Mikroobid omakorda avaldavad tagaside kaudu mõju taime kasvule ja taimedevahelistele interaktsioonidele. Mulla elustiku rolli juurtevahelises kommunikatsioonis pole aga üldse uuritud. Selles projektis ühendame erinevaid seni omaette tegutsenud uurimisuundi eesmärgiga selgitada kooslustesisese koevolutsiooni mõju juurte käitumisele ja kindlaks määrata juureeritiste ning mikroobide funktsioon juurtevaheliste interaktsioonide vahendajana.
Studies on the ability of plant roots to detect and distinguish between neighbours of different identities have revealed very complex and species specific interactions. While some root responses to the presence of neighbours may be explained by depletion of nutrients by neighbouring roots, the results of several studies on root communication imply the involvement of non-nutritional cues. These may include root exudates, whose direct inhibitory effect on root growth has been demonstrated in several study systems. However, the role of non-toxic exudates in mediating root responses to neighbours remains largely unexplored. While the mechanisms involved in neighbour recognition have been relatively little studied, even less is known about the role of co-evolution in determining the nature and specificity of root interactions. Nonetheless, in-depth research on the causes of invasiveness in introduced species suggests that the existence of common evolutionary history can dramatically alter the outcome of plant competition. The root exudates of invasive plant species may have a strong inhibitory effect on the growth of native plants in an invaded range. By contrast, plant species that naturally co-occur with invasive species in their native ranges show little response or even an increase in growth in response to the same exudates. We propose that co-evolution may lead to exudates that originally had toxic properties being used by other plants as cues about the presence and identity of potential competitors. The mechanisms involved in neighbour recognition and the role of co-evolution in shaping plant interactions cannot be fully understood without considering soil biota. Soil pathogens and root symbionts are generally host-specific and soil microbial composition has been shown to change rapidly in response to plant identity. Some of the specific responses to neighbour identity may therefore be mediated by microbial communities. In this project, we will merge different fields of research to investigate the importance of common evolutionary history in determining the character of root interactions, and the function of root exudates and soil biota as mediators of plant responses to neighbour identity.
Hiljutistes töödes on näidatud, et taimed on võimelised reageerima naabertaimede geneetilisele identiteedile. Meie teadmised signaalidest, mille vahendusel selline äratundmine käib, ja mis mõjutab selle võime evolutsiooni on väga piiratud. Selles projektis ühendasime erinevaid seni omaette tegutsenud uurimissuundi eesmärgiga a) selgitada väiksel ajalisel ja geograafilisel skaalal toimuva evolutsiooni tähtsust taimedevaheliste interaktsioonide kujundamises ja b) kindlaks määrata juureeritiste ning mikroobide funktsioon maa-aluste interaktsioonide vahendajana. Tulemustest ilmnes, et taimed tunnevad ära sama emataime järglasi kasutades selleks juurtest erituvaid keemilisi ühendeid, mis vähendavad konkurentset käitumist lähedaste sugulaste suhtes. Selline äratundmisreaktsioon toimis vaid samast kohast pärit taimede suhtes kuid puudus taimede suhtes, mis pärinesid kaugel asuvast populatsioonist. Antud tulemus viitab pikaajalise kooseksisteerimise vajadusele naabrite äratundmisvõime kujunemisel. Katses, mis hõlmas suure arvu rohumaa liike, näitasime, et taimed kasvavad kõige paremini koos liikidega, mida nad kogevad kõige tihedamini naabritena looduses. Samuti võime reageerida eri naabritele tekib vaid siis kui taimed kasvavad paraja liigirikkusega kooslustes. Seega kohalik biootiline keskkond määrab suuresti taimede võimet mis naabritele nad on suutelised reageerima ja edukalt konkureerima. Kasutades kas samast kohast pärit taimi või eri kooslustest korjatud taimede segu leidsime, et kooseksisteerimise ajalooga kooslustes soodustasid juurte eritised ja mullamikroobid rohumaa produktiivsust ja mitmekesisust. Juureeritiste ja mikroobide positiivne mõju aga kahanes kunstlikult segatud kooslustes. Samuti talusid kooseksisteerimise ajalooga kooslused paremini põuda. Seega kohalik kohastumine biootilise keskkonnaga mängib olulist rolli taimekoosluste funktsioneerimises ja ekstreemsete ilmaolude talumises ning sellega peab arvestama rohumaade hooldamisel ja taastamisel.