Jak spolu rostliny komunikují, když jsou v nebezpečí?

Studie zjistila, že infikované rostliny uvolňují určité chemické sloučeniny, které mohou proniknout do vnitřních tkání zdravé rostliny a aktivovat obranu z jejích buněk. Lepší pochopení tohoto mechanismu by mohlo umožnit vědcům a zemědělcům pomoci imunizovat rostliny proti napadení hmyzem nebo suchu dlouho předtím, než k nim dojde.

Masatsugu Toyota řekl, že tato studie představuje první případ, kdy byli výzkumníci schopni „vizualizovat komunikaci mezi rostlinami“., je hlavním autorem studie publikované v úterý v časopise Nature Communications. „Možná bychom mohli unést tento systém, abychom řekli celé továrně, aby aktivovala různé stresové reakce proti budoucí hrozbě nebo environmentálním hrozbám, jako je sucho.“

Myšlenka „mluvících“ stromů začala zakořeňovat v 80. letech 20. století. Dva ekologové umístili stovky housenek a pavučinových červů na větve vrb a olší, aby sledovali, jak stromy reagují. Zjistili, že napadené stromy začaly produkovat chemikálie, díky kterým byly jejich listy nechutné a nestravitelné, aby hmyz odradily.

Ale co je ještě kurióznější, vědci objevili zdravé stromy stejného druhu, které se nacházejí 30 nebo 40 metrů od nich, které nemají žádné kořeny připojené k poškozeným stromům a také vytvořily stejnou chemickou obranu, aby se připravily na napadení hmyzem. V té době další dvojice vědců Nalezeny podobné výsledky Při zkoumání poškozených javorů a topolů.

Tyto rané výzkumné týmy měly rodící se nápad: Stromy si vzduchem navzájem posílaly chemické signály, což je dnes známé jako fytoeavesdropping. Během posledních čtyř desetiletí vědci pozorovali tuto komunikaci mezi buňkami u více než 30 druhů rostlin, včetně fazolí lima, tabáku, rajčat, pelyňku a kvetoucích rostlin z čeledi hořčice. Ale dosud nikdo nevěděl, jaké sloučeniny jsou důležité a jak se vnímají.

„V této oblasti došlo k takovému druhu kontroverze,“ řekl Andre Kessler, rostlinný ekolog, který se na výzkumu nepodílel. „Za prvé, jak se tyto sloučeniny obecně podávají [by the plant]A pak, jak mohou změnit metabolismus rostlin v reakci na jejich vnímání.

Kessler řekl, že tato studie pomohla odpovědět na některé z těchto dlouhodobých otázek.

Rostliny očividně nemají uši a oči, ale předchozí výzkumy ukázaly, že komunikují se svým okolím uvolňováním chemikálií známých jako těkavé organické sloučeniny, které cítíme. Ale stejně jako lidé mohou mluvit mnoha slovy, rostliny mohou produkovat řadu těchto sloučenin pro různé účely. Některé se používají k přilákání opylovačů nebo jako obrana proti predátorům.

Jedna třída těchto sloučenin se však uvolňuje, když je rostlina infikována: těkavé látky ze zelených listů. Ty jsou, jak název napovídá, vyzařovány téměř všemi zelenými, listnatými rostlinami a jsou produkovány, když rostlina podstoupí fyzické poškození. Příkladem této sloučeniny je zápach vydávaný čerstvou trávou.

V nové studii Toyota a jeho kolegové ručně rozdrtili listy stromů a umístili na ně housenky Arabidopsis Rostliny hořčice nebo rajčat pro stimulaci emisí různých těkavých látek ze zelených listů. Poté difundují jednotlivé páry na zdravé rostliny, aby zjistili, zda rostliny reagují.

Pro sledování zdravých reakcí rostlin tým geneticky upravil rostliny tak, aby to dělaly ionty vápníku Při aktivaci v jednotlivých buňkách fluoreskuje. Vápníková signalizace je důležitá pro buněčné funkce u většiny organismů na Zemi, včetně lidí. Když je do našich motorických neuronů poslán elektrický signál, iontové kanály se otevřou a umožní vápníku proudit dovnitř. Toto zvýšení vápníku může vyvolat uvolňování neurotransmiterů, což způsobuje svalovou kontrakci ve svalové buňce.

Vápníková signalizace hraje podobnou roli v rostlinách, uvedla Toyota. V závislosti na rostlině může vydávat zprávy, aby zavřel listy nebo strávil hmyz.

Po testování několika listově zelených těkavých látek tým zjistil, že pouze dvě zvyšují intracelulární vápníkové ionty. Kromě toho zjistili, že vápníkové signály se poprvé zvýšily v ochranných buňkách, které tvoří póry rostlinných listů nebo průduchů, což je důležité zjištění, protože ukazuje, že sloučeniny jsou absorbovány do vnitřních tkání rostliny.

„Nemůže snadno prosakovat povrchem rostliny,“ řekl Kessler, profesor Cornell. „Musí projít mezerami, [which] Umožňuje rostlině vdechovat oxid uhličitý a uvolňovat kyslík pro fotosyntézu.

Toyota uvedla, že vápníkové signály jsou jako spínač, který zapíná obranné reakce elektrárny. Po zvýšení signálu tým zjistil, že rostlina zvýšila produkci určitých ochranných genových expresí. Například Toyota uvedla, že rostlina může začít produkovat určité proteiny, aby zabránila hmyzu v žvýkání, což u hmyzu způsobí průjem.

„Pokud má rostlina mnoho těchto genů, je nyní velmi silná proti býložravému hmyzu,“ řekla Toyota.

S tímto novým pochopením vědci říkají, že rostliny mohou být posíleny proti hrozbám a stresům dříve, než k nim dojde, což je ekvivalentní poskytnutí vakcíny rostlině. Kessler například řekl, že vystavení zdravých rostlin rostlinám napadeným hmyzem nebo těkavými látkami spojenými s listy může posílit jejich genetickou obranu, takže zemědělci používají méně pesticidů. Pomoci může i zjevení Zvyšuje odolnost rostlin během sucha a signalizuje rostlinám, aby zadržovaly více vody.

„Pokud máte rostlinu, která byla na začátku svého života vystavena suchu, zvládne sucho lépe než rostlina, která to nedělala,“ řekl Kessler. „Je to také důsledek toho, že se metabolismus rostliny úplně změnil„.

Toyota uvedla, že studie zasadila mnoho semen pro budoucí výzkum. Například výzkumníci „Nemám ponětí“, proč pouze dvě listové zelené těkavé látky vstupují do průduchů a stimulují vápníkovou signalizaci. Dalším krokem je identifikace různých receptorů v rostlinách, které mohou být specifické pro chemické struktury těchto dvou sloučenin.

V reakci na útoky hmyzu mohou rostliny také produkovat specifické reakce na základě druhů býložravců, kterými se živí, což je působivé chování, které Kessler dále studuje.

„Pokud je tato rostlina schopna poskytnout adaptivní reakci… to je definice inteligence,“ řekl Kessler. „Pokud rozumíte těmto druhům věcí a tomu, jak je rostliny dělají, přivede vás to na úroveň, která zpochybňuje, jak rozumíme světu.“