Η σχέση των πόρων των φυτών με την ξηρασία
H επεξεργασία των πόρων των φυτών μπορεί να προστατεύσει τις καλλιέργειες από την ξηρασία;
Δεν είναι μια περίπτωση που δεν μπορεί να ξεκαθαριστεί. Αλλά οι ερευνητές ανακαλύπτουν πολλά τροποποιώντας γενετικά τον αριθμό αυτών των ανοιγμάτων, καθώς και προσομοιώνοντας μελλοντικές ατμόσφαιρες και πολλά άλλα.
Αν και δεν μπορούμε να τα ακούσουμε, τα φυτά εκπέμπουν και απορροφούν συνεχώς αέρια μέσα από εκατομμύρια μικρά στοματάκια στην επιφάνεια των φύλλων και των στελεχών τους.
Απλώς ανοίγοντας και κλείνοντας, αυτοί οι πόροι («στόματα» στα ελληνικά και στη βοτανική γλώσσα) εκπληρώνουν κρίσιμες λειτουργίες στο φυτό - επιτρέποντας την είσοδο διοξειδίου του άνθρακα (CO2 ) για τη φωτοσύνθεση με ηλιακή ενέργεια , μέσω της οποίας τα φυτά παράγουν τη δική τους τροφή (καθώς και το οξυγόνο που αναπνέουμε).
Κάθε φορά που είναι ανοιχτά, τα στόματα επιτρέπουν επίσης στους υδρατμούς να διαφύγουν, ψύχοντας τα φύλλα που είναι εκτεθειμένα στον ήλιο και δημιουργώντας τη φυσική έλξη που τραβάει το νερό προς τα πάνω από τις ρίζες του φυτού.
Αλλά σε έναν θερμότερο κόσμο με συχνότερες ξηρασίες, τα στόματα μπορούν επίσης να αποτελέσουν μειονέκτημα, θέτοντας τα φυτά αντιμέτωπα με μια εξισορροπητική πρακτική: να διατηρούν τα στόματα ανοιχτά και να παράγουν σάκχαρα ή να τα κλείνουν για εξοικονόμηση νερού. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένας αυξανόμενος αριθμός ερευνητών επιθυμεί να μελετήσει τα στόματα και να βρει τρόπους να τα χειραγωγήσει και να αναπτύξει πιο ανθεκτικές καλλιέργειες.
«Το νερό είναι ο νούμερο 1 περιορισμός στην παραγωγή καλλιεργειών παγκοσμίως», δήλωσε ο φυτοφυσιολόγος Άντριου Λίκι του Πανεπιστημίου του Ιλινόις, Ουρμπάνα-Σαμπέιν, σε μια συνάντηση της Εταιρείας Πειραματικής Βιολογίας το 2025, η οποία περιελάμβανε έναν εκπληκτικά μεγάλο αριθμό ομιλιών για τα στόματα. «Είναι ένα πολύ επίκαιρο ζήτημα σήμερα που θα αποκτήσει μόνο μεγαλύτερη σημασία καθώς εξελίσσεται η κλιματική αλλαγή».
Σε μια τυπική δομή στομάτων, δύο προστατευτικά κύτταρα σε σχήμα φασολιού ή αλτήρα περιβάλλουν έναν πόρο. Ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως η ποσότητα νερού στο φυτό, τα προστατευτικά κύτταρα συρρικνώνονται για να κλείσουν τον πόρο ή διογκώνονται για να τον ανοίξουν, επιτρέποντας την κίνηση μέσα και έξω από υδρατμούς, διοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο.
Αυτό το γραφικό απεικονίζει ένα γενικό στομάτιο, με την αριστερή πλευρά σε ανοιχτή θέση και τη δεξιά πλευρά σε κλειστή θέση. Παρακάτω βλέπουμε τους διάφορους παράγοντες που καθορίζουν το πότε θα ανοίξει ή θα κλείσει το στομάτιο, όπως η θερμοκρασία, η ένταση του φωτός και η υγρασία.
Αν και η φωτοσύνθεση απαιτεί το άνοιγμα αυτών των πόρων, υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην ποσότητα νερού που χάνεται στη διαδικασία. Μία από τις πιο αποτελεσματικές καλλιέργειες είναι το σόργο, ένα δημητριακό προσαρμοσμένο στην ξηρασία που προέρχεται από την Αφρική και είναι δημοφιλές στις τροπικές και υποτροπικές περιοχές. Μια μελέτη του 2024 διαπίστωσε ότι σε πολλά φυτά σόργου, τα στόματα κινούνται γρήγορα - ανοίγοντας ακριβώς για αρκετό χρόνο ώστε να αφήσουν να περάσει το CO2 που απαιτείται για τη φωτοσύνθεση και κλείνοντας αμέσως μετά. «Δεν είχα ξαναδεί τόσο στενή σχέση σε κανένα από τα είδη που έχω μελετήσει», δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Tracy Lawson, η οποία τώρα βρίσκεται επίσης στο Illinois Urbana-Champaign. Ελπίζει ότι η αποσαφήνιση του μηχανισμού πίσω από αυτόν τον ακριβή συντονισμό θα μπορούσε να εμπνεύσει προσπάθειες για τη βελτίωση των καλλιεργειών που διψούν περισσότερο.
Μερικοί επιστήμονες ήταν αρχικά αισιόδοξοι ότι τα υψηλότερα επίπεδα CO2 στον αέρα - οι ποσότητες έχουν αυξηθεί από 280 μέρη ανά εκατομμύριο σε 422 μέρη ανά εκατομμύριο από την Βιομηχανική Επανάσταση - θα μπορούσαν να σημαίνουν ότι τα φυτά θα έχαναν λιγότερο νερό, επειδή δεν χρειάζεται να ανοίγουν τα στομάτα τους τόσο πολύ για να λάβουν αρκετό CO2 . Ξεκινώντας από το 2004, ο Leakey και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν να το δοκιμάσουν αυτό . Περικύκλωσαν αγροτεμάχια σε ένα χωράφι σόγιας με ένα δίκτυο σωλήνων ελεγχόμενων από υπολογιστή που εκπέμπουν επιπλέον CO2 , μιμούμενοι ουσιαστικά μια ατμόσφαιρα με 550 έως 585 μέρη ανά εκατομμύριο του αερίου.
Μετά από 8 χρόνια καλλιέργειας σόγιας υπό αυτές τις συνθήκες - μερικές φορές χρησιμοποιώντας αναδιπλούμενες τέντες για να δημιουργήσουν τεχνητές ξηρασίες - οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα φυτά σόγιας πράγματι διατηρούσαν τα στομάτα τους ανοιχτά για λιγότερο χρόνο ως απόκριση στο υψηλότερο CO2 . Αύξησαν επίσης την αποδοτικότητα του νερού και τους ρυθμούς φωτοσύνθεσης. Στα πιο υγρά χρόνια, αυτό οδήγησε σε αύξηση της απόδοσης της σόγιας κατά 20 έως 25 %.
Υπήρχε όμως μια παγίδα: Όταν τα φυτά εκτέθηκαν σε συνθήκες ξηρασίας, «τα οφέλη από το υψηλό CO2 μπορούν να μηδενιστούν», είπε ο Leakey. Αυτό συμβαίνει επειδή σε υψηλά επίπεδα CO2 , τα φυτά μεγάλωναν πολύ νωρίς στην εποχή - και στη συνέχεια χρειάζονταν περισσότερο νερό αργότερα. Αυτό υποδηλώνει ότι δεν μπορούμε να βασιστούμε στην αύξηση του CO2 για τη βελτίωση της αποδοτικότητας του νερού, καθώς οι ξηρασίες γίνονται πιο συχνές.
Οικόπεδα με φυτά που καλλιεργούνται παρατηρούνται από ψηλά, τα οποία στεγάζονται κάτω από μια κατασκευή με λευκά δοκάρια και στηρίγματα στέγης.
Άποψη από την κορυφή ενός καταφυγίου με αναδιπλούμενη, διαφανή οροφή που χρησιμοποιείται από τον Andrew Leakey και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο του Illinois Urbana-Champaign στις μελέτες τους. Το καταφύγιο κλείνει αυτόματα όταν βρέχει και συνδυάζεται με στάγδην άρδευση. Οι ερευνητές το χρησιμοποιούν για να μελετήσουν πώς οι καλλιέργειες ανταποκρίνονται στις διακυμάνσεις της παροχής νερού, καθώς και στα διαφορετικά επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα.
Ένας παραπλανητικά απλός τρόπος για να βοηθήσουμε τα φυτά να διατηρήσουν το νερό θα μπορούσε να είναι η μείωση του αριθμού των στομάτων στα φύλλα των φυτών. Αυτό έχει επιτευχθεί σε διάφορες καλλιέργειες ενισχύοντας τη δραστηριότητα ενός γονιδίου που ονομάζεται EPF1 και ρυθμίζει τον αριθμό των στομάτων που αναπτύσσονται. Το προκύπτον ισχυρότερο γενετικό σήμα οδηγεί σε καλλιέργειες με λιγότερα στόματα - και βελτιωμένη αποδοτικότητα στη χρήση νερού.
Το εργαστήριο του Leakey, από την πλευρά του, ανέφερε πέρυσι ότι η τροποποίηση ενός γονιδίου EPF μείωσε τον αριθμό των στομάτων στο σόργο κατά περίπου 30 έως 60%. Αυτό ήταν αρκετό για να μειώσει την απώλεια νερού κατά 30 έως 34% χωρίς να περιορίσει τον ρυθμό φωτοσύνθεσης ή ανάπτυξης των φυτών.
Στο ζαχαροκάλαμο, ωστόσο, η ομάδα διαπίστωσε ότι δεν μπορούσε να μειώσει τον αριθμό των στομάτων τόσο δραστικά. Όπως και στο σόργο, τα υπόλοιπα στόματα άνοιξαν περισσότερο - και στην περίπτωση του ζαχαροκάλαμου, δεδομένου ότι υπήρχαν ακόμα αρκετά στόματα τριγύρω, η επιπλέον διαστολή εξάλειψε οποιαδήποτε εξοικονόμηση νερού. Σε μια επακόλουθη ανάλυση δημοσιευμένης έρευνας σε 10 διαφορετικά είδη φυτών, συμπεριλαμβανομένου του σιταριού και του καλαμποκιού, ο Leakey και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ότι αυτό ήταν ένα ευρέως διαδεδομένο φαινόμενο. Ενώ η μείωση του αριθμού των στομάτων σχεδόν πάντα εξοικονομούσε κάποιο νερό, η εξοικονόμηση ήταν μικρότερη από την αναμενόμενη.
Η τροποποίηση των γονιδίων EPF μπορεί επίσης να έχει ανεπιθύμητα αποτελέσματα. Τα φυτά σόργου που τροποποιήθηκαν για να έχουν λιγότερα στόματα, για παράδειγμα, είχαν επίσης πολύ μικρότερα, υπανάπτυκτα άνθη και παρήγαγαν σημαντικά λιγότερους σπόρους, πιθανώς επειδή τα γονίδια εμπλέκονται και σε αυτές τις διαδικασίες. Ο Leakey και η ομάδα του εργάζονται τώρα για να κάνουν πιο ακριβείς τροποποιήσεις που επηρεάζουν τη δραστηριότητα των γονιδίων μόνο κατά την πρώιμη ανάπτυξη των φύλλων.
Δύο φυτά σόργου σε γλάστρες. Το φυτό στα αριστερά φαίνεται πιο στρεσαρισμένο και πεσμένο. Από κάτω υπάρχουν μικροσκοπικές εικόνες των φύλλων τους, που δείχνουν ότι το φυτό στα αριστερά έχει περισσότερα στόματα στα φύλλα του από αυτό στα δεξιά.
Η ομάδα χρησιμοποιεί επίσης ολοένα και περισσότερο την τεχνητή νοημοσύνη για να επιταχύνει την ανακάλυψη πολλά υποσχόμενων γονιδίων για την τροποποίηση και την αξιολόγηση νέων, γενετικά τροποποιημένων παραλλαγών καλλιεργειών στο εργαστήριο και στο πεδίο.
Αυτό μπορεί να κάνει μεγάλη διαφορά. Για ένα πείραμα με σόργο που δημοσιεύτηκε το 2021, η ομάδα του Leakey καλλιέργησε 869 γενετικές παραλλαγές της καλλιέργειας σε δοκιμές πεδίου σε διάστημα δύο ετών . «Υπήρχαν 4.000 δείγματα φύλλων με σχεδόν 3 εκατομμύρια στόματα, τα οποία μετρήσαμε», θυμήθηκε. Στο παρελθόν, αυτή η καταμέτρηση γινόταν χειροκίνητα, βάφοντας βερνίκι νυχιών στα φύλλα, ξεφλουδίζοντάς το και μετρώντας τα σημάδια που άφηναν τα στόματα στο μικροσκόπιο. «Οι άνθρωποι στο εργαστήριό μου δεν απολαμβάνουν ιδιαίτερα να το κάνουν αυτό χιλιάδες φορές», είπε.
Αντ' αυτού, η ομάδα του χρησιμοποιεί μια μέθοδο που ονομάζεται οπτική τομογραφία, στην οποία «απλώς παίρνετε ένα κομμάτι κατεψυγμένου φύλλου, χρησιμοποιείτε κολλητική ταινία διπλής όψης για να το προσαρτήσετε σε μια αντικειμενοφόρο πλάκα μικροσκοπίου και, σε περίπου ένα λεπτό, μπορείτε να σαρώσετε την επιφάνεια». Στη συνέχεια, ένα εργαλείο μηχανικής μάθησης μετρά τα στόματα.
Η ομάδα του Leakey έχει αναπτύξει ένα σύστημα που τους επιτρέπει να παρακολουθούν τα στόματα στο μικροσκόπιο, ενώ παράλληλα μετρούν τα αέρια που διέρχονται από αυτά. Και οι ερευνητές εργάζονται πάνω σε τρόπους χρήσης drones για την παρακολούθηση της ανάπτυξης και των θερμοκρασιών των φύλλων των φυτών σε χωράφια σε μια προηγουμένως αδιανόητη κλίμακα. Αυτό καθιστά δυνατή την πολύ πιο γρήγορη αξιολόγηση νέων γενετικών παραλλαγών σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα και υπό μια ποικιλία συνθηκών.
Αυτή η γνώση μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί σε μοντέλα που επιτρέπουν στους ερευνητές και ενδεχομένως στους εκτροφείς να προβλέψουν πώς η τροποποίηση των γονιδίων θα επηρεάσει το άνοιγμα και το κλείσιμο των στομάτων, λέει ο οικοφυσιολόγος François Tardieu του Γαλλικού Εθνικού Ινστιτούτου Έρευνας Γεωργίας, ο οποίος ειδικεύεται στον καλαμπόκι. Έχει δείξει ότι το μεγαλύτερο άνοιγμα των στομάτων προβλέπει καλύτερη απόδοση σε ευνοϊκές συνθήκες - αλλά, σημαντικά, μικρότερη απόδοση σε αγχωτικές συνθήκες όπως η ζέστη ή η ξηρασία .
Αυτό μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις, δήλωσε ο Tardieu. Οι εταιρείες αναπαραγωγής τείνουν να επικεντρώνονται στη μέτρηση της απόδοσης - και παρόλο που αυτό μέχρι στιγμής ήταν πολύ αποτελεσματικό, η επιλογή που βασίζεται στην απόδοση μπορεί να είναι πολύ αργή και αντιδραστική για να συμβαδίσει με τις αυξανόμενες περιόδους ζέστης και ξηρασίας. «Αν θέλουμε να προετοιμαστούμε για την κλιματική αλλαγή, ίσως θα πρέπει να αλλάξουμε τους τρόπους μας», είπε.
Εκτός από τη διεξαγωγή πειραμάτων σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, αυτό μπορεί να σημαίνει ότι εστιάζουμε σε ό,τι κάνουν τα φυτά όταν δεν τους έχουμε δώσει προσοχή - για παράδειγμα, τη νύχτα. Τότε είναι που η φυτοφυσιολόγος Lorna McAusland του Πανεπιστημίου του Νότιγχαμ στην Αγγλία, μπορεί συχνά να βρεθεί να περιφέρεται γύρω από τα πειραματικά της χωράφια. «Οι νύχτες μας θερμαίνονται με περίπου 1,4 φορές τον ρυθμό των ημερήσιων θερμοκρασιών», είπε, «λόγω της αυξανόμενης νεφοκάλυψης. Και για τις καλλιέργειες, οι θερμότερες νύχτες μπορεί να σημαίνουν χαμηλότερες αποδόσεις». Στο ρύζι, για παράδειγμα, οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι με κάθε αύξηση 1 βαθμού Κελσίου τη νύχτα, οι αποδόσεις μειώνονται κατά 10% . Τέτοιες τάσεις έχουν καταγραφεί και για καλλιέργειες όπως το σιτάρι .
Για να μελετήσουν την αντίδραση των στομάτων σε αυτές τις τάσεις, η McAusland και η ομάδα της θέρμαναν τα χωράφια τους χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως. (Αυτό δεν ήταν χωρίς κινδύνους: «Έκαψα τα μαλλιά μου στο χωράφι», θυμήθηκε.) Στη συνέχεια, μέτρησαν τα αέρια που διέρχονται από τους πόρους τη νύχτα σε 12 ποικιλίες σιταριού. Εκείνες που ανοίγουν τα στομάτα τους περισσότερο τη νύχτα έτειναν να διατηρούν τις αποδόσεις τους σε σύγκριση με τις ποικιλίες που τα κλείνουν, διαπίστωσαν οι επιστήμονες.
Η έρευνα της McAusland υπογραμμίζει τη σημασία του να γνωρίζουν οι καλλιεργητές τι κάνουν τα στόματα στις καλλιέργειες που επιλέγουν - τόσο τη νύχτα όσο και την ημέρα. Τα φυτά δεν χρησιμοποιούν απλώς τα ανοιχτά στόματα τη νύχτα για να δροσιστούν. Έχει στοιχεία που τα χρησιμοποιούν για να απορροφήσουν συμπυκνωμένο νερό από τα φύλλα τους, κάτι που μπορεί να είναι ολοένα και πιο σημαντικό ενόψει της επιδείνωσης της ξηρασίας. «Πριν εξαφανιστεί αυτό το χαρακτηριστικό», είπε, «πρέπει πραγματικά να καταλάβουμε γιατί το κάνουν».
Tim Vernimmen
10.1146/knowable-120125-2
https://knowablemagazine.org/content/article/food-environment/2025/manipulating-stomata-could-help-crops-withstand-drought