Kasvien mikrojuurten tutkimuksella etsitään keinoja runsaampiin ja kestävämpiin satoihin

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen apulaisprofessori Matilda Backholm on saanut 496 000 euroa Jane ja Aatos Erkon säätiöltä sekä 150 000 euroa Tiedeakatemialta mikroskooppisten kasvijuurien tutkimiseen.

Kasvien mikrojuurien fysiikan paremman ymmärtämisen uskotaan auttavan esimerkiksi viljelijöitä kestävämpien ja runsaampien satojen istuttamisessa ilmastonmuutoksen aiheuttamien muutosten keskellä.

Tutkimuksen ytimessä on Backholmin ainutlaatuisen mikropipettitekniikan jatkokehittäminen. Laitteen avulla voi mitata fyysisiä voimia äärimmäisen tarkasti.

Biomekaaniset voimat saavat alkunsa soluissa

Äärimmäisen pienten kasvijuurien fysiikka on monimutkaista ja toistaiseksi tuntematonta. Mikroskooppiset juuret, kuten siemenistä kasvavat erittäin nuoret juuret sekä juurikarvat auttavat kasvia kiinnittymään maaperään. Jos nämä juuret ovat liian pehmeitä, ne eivät pysty tunkeutumaan kuivaan ja tiiviiksi pakkautuneeseen maaperään, liian jäykät juuret taas eivät pysty kasvamaan esteiden ympäri. Liian heikot puolestaan eivät kestä nostamista.

“Kasvijuurien mekaaniset ominaisuudet muodostuvat yksittäisten solujen tasolla, ja ne ovat vastuussa suuresta osasta kasvien fysiikkaa. Tällä hetkellä ei kuitenkaan tiedetä, miten tämä tapahtuu. Emme myöskään tiedä miten monisoluiset elävät materiaalit, kuten kasvit sopeutuvat ulkoisiin fyysisiin stressitekijöihin solutasolla,” Backholm sanoo.

Jane ja Aatos Erkon säätiöltä saamallaan rahoituksella Backholm pyrkii vastaamaan näihin kysymyksiin.

Tiedeakatemian rahoituksella Backholmin vetämä Living Matter -tutkimusryhmä selvittää kasvien juurten fysiikkaan liittyviä muita avoimia kysymyksiä, esimerkiksi miten mikrojuuret aistivat painovoimaa. Gravitropismi, eli maan vetovoiman aiheuttama kasvu, on kasveille tärkeä keino ankkuroitua syvemmälle maaperään ja hankkia vettä, mutta sen tarkempi mekaniikka on yhä arvoitus.

Mittaamista ja mallintamista

Fysiikkaa ja biologiaa yhdistävässä tutkimuksessa Backholm aikoo myös jatkokehittää ainutlaatuista mikropipettitekniikkaansa, ja luoda uudenlaisen työkalun juurien mekaanisten ominaisuuksien mittaamiseen. Nanonewtoneiden mittaluokassa tapahtuva tutkimus keskittyy yleisesti biologian tutkimuksessa käytettyyn lituruohoon (Arabidopsis thaliana). Tutkimukseen kuuluu myös juurien mekaniikan ja kasvudynamiikan analyyttista mallintamista.

“Tuloksena on mikroskooppisten kasvijuurien fysiikan syvempi ymmärtäminen, joka auttaa viljelijöitä räätälöimään kasvinsa paremmin eri maaperiin ja ilmastoihin. Se auttaa myös eroosion ehkäisemisessä ja ruokatehokkuuden parantamisessa. Molemmat ovat tärkeitä keinoja ilmastonmuutoksen vastaisessa taistelussa.”

Tutkimukseen kuuluu myös yritysyhteistyö suomalaisen Boreal Plant Breedingin kanssa. Yhteistyö tutkii tärkeiden viljelykasvien kuten kauran ja vehnän mekaanisia ominaisuuksia, tavoitteenaan tulevaisuuden satoja parantavan datan kerääminen.

Nelivuotinen projekti alkaa tänä vuonna, ja siihen osallistuu Backholmin lisäksi hänen johtamansa Living Matter -tutkimusryhmä teknillisen fysiikan laitokselta.