Belowground interactions: the roles of plant genetic relatedness, root exudation and soil legacies

Abstract

Loomade käitumist on lihtne märgata, taimede puhul on see aga märksa keerulisem. Olgugi et nad ei liigu, suudavad nad siiski paljudele keskkonnamuutustele mitmete tunnuste kaudu reageerida. Oma doktoritöös uurisin kuidas taimed tunnevad ära enda sugulasi, eristavad neid mittesugulastest ja teistest liikidest ning mis selle äratundmise tulemus võiks olla. Leidsin et sugulaste äratundmine toimub juurtest erituvate ainete kaudu, mida teised taimed oma juurtega tajuvad. Äratundmise tulemusena kasvatasid nad vähem juuri oma sugulaste juureeritiste suunas, mis viitab hõimuvalikule ehk sugulaste eelistamisele , võimaldades neil saada rohkem järglasi kuna vähem ressursse panustatakse omavahelisse konkureerimisse. Rohkem juuri kasvatati tajudes samast kooslusest pärit mittesugulastest liigikaaslase lähedust, mida võib pidada agressiivseks ruumi ja toitainete hõivamiseks. Katses kasutatud teisele liigile taimed ei reageerinud, mis näitab et ära tuntakse eelkõige oma liigikaaslasi, kuigi ka mujalt pärit liigikaaslaste juureeritiste suhtes reageeris taim vähem. Sellest järeldub, et juureeritiste kaudu saavad taimed infot nii naabertaime suguluse, liigi kui ka päritolu kohta. Sugulaste äratundmine mõjutab ka järgneva põlvkonna taimede kasvu. Katses kus taimi kasvatati mullas, mis pärines sugulasgruppidelt (ja sisaldas nende surnud juuri) võrreldes mittesugulasgruppide mullas kasvanutega ilmnes, et sugulastelt pärinevad surnud juured lagunevad aeglasemalt ja sisaldavad vähem lämmastikku. Selle põhjuseks on ilmselt suurem sarnasus sugulaste vahel, mispärast on nad rohkem kahjuritest ohustatud ja kasvatavad juuri mis on kahjuritele vähem ahvatlevad, kuid ka lagunevad aeglasemalt. Järgmise põlvkonna taimede lämmastikusisaldus oli samuti madalam, mis näitab et sugulaste äratundmine võib mõjutada ka aineringet. Taimedevahelise äratundmise praktiline rakendus võib leiduda põllumajanduses, kui aretatakse taimesorte mis konkureerivad vähem oma naabritega ja annavad selle arvelt rohkem saaki.

Despite being sessile, plants display remarkable behaviour. Plants react to environmental cues through changes in traits altering their phenotype. I researched how plants recognise their relatives, distinguish them from unrelated plants and different species and what is the outcome of such recognition. I found that kin recognition is mediated through compounds exuded by roots, which in turn are recognised by roots of other plants. As a result of kin recognition plants placed less roots towards cues of their relatives. Kin selection allows them to invest more in reproduction at an expense of competition. More roots were diverted towards non-relative conspecific cues from the same population that can be interpreted as aggressive occupation of space and resources whereas conspecific cues from different population elicited lesser response which may be explained with coevolution. Plants did not specifically react to the interspecific cues, suggesting that root exudates convey information about relatedness, community and species identity. Trait changes arising from kin recognition can affect nutrient cycling and growth of plants in next generation: plants grown in soil previously inhabited by kin groups that also included the root litter contained less nitrogen, compared to stranger groups, and root litter originating from related plants decomposed slower. This effect was probably caused by lower genetic diversity among relatives which makes them more susceptible to pathogen attack and requires reinforcement of defense-related root morphology and production of more recalcitrant roots. Lower nitrogen concentration in root litter of relatives and next generation plants shows that kin recognition can impact nutrient cycling in ecosystems. The practical application of kin recognition in plants can manifest in agriculture if plant varieties are bred to compete less with their neighbours and produce higher crop yield.