Gdy roślina dozna jakiegoś uszkodzenia mechanicznego lub jest atakowana przez hordy owadów emituje lotne związki organiczne. Sąsiednie rośliny potrafią je wyczuć i przygotować się do obrony przed nadchodzącymi zagrożeniami. W nowych badaniach japońscy naukowcy ustalili, w jaki sposób odbywają się te „rozmowy”. Udało im się też zarejestrować taką „konwersację” na nagraniu.
Zjawisko komunikacji powietrznej między roślinami za pośrednictwem lotnych związków organicznych (LZO) zostało po raz pierwszy udokumentowane w 1983 roku i od tego czasu zaobserwowano je u kilkudziesięciu różnych gatunków roślin. Jednakże mechanizmy molekularne leżące u podstaw percepcji tych związków są słabo poznane.
Naukowcy z pod kierunkiem profesora Masatsugu Toyoty z Uniwersytetu Saitama w Japonii przyjrzeli się bliżej substancjom chemicznym biorącym udział w tej komunikacji oraz temu, co dzieje się w roślinach na poziomie molekularnym. Uczeni zarejestrowali na nagraniu „rozmowy” między roślinami za pośrednictwem LZO i ujawnili, w jaki sposób LZO są wchłaniane przez rośliny, inicjując reakcje obronne.
Opis oraz rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-023-41589-9).
Choć tego nie widzimy, rośliny otoczone są mgiełką lotnych związków unoszących się w powietrzu, których używają do komunikacji i ochrony. Związki te, podobnie jak zapachy, odstraszają roślinożerców i ostrzegają sąsiednie rośliny przed zagrożeniami. Zjawisko to jest znane od lat 80-tych ubiegłego wieku. Badacze wiedzieli, w jaki sposób rośliny wysyłają wiadomości, ale nie mieli pojęcia, jak je odbierają.
Teraz zespół japońskich badaczy zastosował najnowocześniejsze techniki obrazowania w czasie rzeczywistym, aby dowiedzieć się, w jaki sposób rośliny odbierają alarmy z powietrza i jak na nie reagują. Uczeni zbudowali pompę do przenoszenia związków emitowanych przez poranione i zaatakowane przez owady rośliny na nieuszkodzone sąsiadki. Wykorzystali także mikroskop fluorescencyjny, aby obserwować, jak na sygnały ostrzegawcze reagują inne rośliny.
- Skonstruowaliśmy sprzęt do pompowania LZO emitowanych przez rośliny zaatakowane przez gąsienice na nieuszkodzone sąsiednie rośliny i połączyliśmy go z systemem obrazowania fluorescencyjnego w czasie rzeczywistym – mówi Toyota.
Tak przygotowani naukowcy przystąpili do eksperymentów na roślinach. Umieścili gąsienice ćmy (Spodoptera litura) na liściach pomidorów i rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana). Następnie obserwowali reakcje rosnącego w pobliżu innego rzodkiewnika pospolitego, ale wolnego od owadów i nieuszkodzonego.
Istotny w obserwacjach był fakt, że rośliny wybrane do badań zostały uprzednio zmodyfikowane genetycznie. Wzbogacono je o fluorescencję, co skutkowało tym, że świeciły na zielono, gdy wykryły napływ jonów wapnia. Sygnalizacja wapniowa jest również wykorzystywana przez komórki ludzkie do komunikacji.
Zespół wykazał, że to właśnie zmiany stężenia jonów wapnia wyzwalają mechanizmy obronne. Naukowcy zaobserwowali, że zarówno LZO uwalniane z liści zjadanych przez gąsienice, jak i emitowane przez liście uszkodzone przez badaczy, wywołały zmiany w stężeniu Ca2+ w pobliskich, nieuszkodzonych roślinach.
Naukowcy przyjrzeli się też bliżej typom LZO uwalnianych przez rośliny. Odkryli, że dwa z nich (Z-3-HAL i E-2-HAL) powodują zmiany w sygnalizacji wapniowej. - Rośliny nie mają „nosa”, ale aparaty szparkowe służą im jako brama pośrednicząca w szybkim przedostawaniu się tych związków do szczelin w tkankach liści – wyjaśnia Toyota. Potraktowanie roślin związkiem zamykającym aparaty szparkowe znacznie zmniejszyło sygnalizację wapniową.
Zespół ustalił, że te dwa konkretne związki spowodowały zwiększenie ekspresji genów związanych z obroną u zaalarmowanych roślin.
- W końcu odsłoniliśmy zawiłą historię tego, kiedy i jak rośliny reagują na „komunikaty ostrzegawcze” unoszące się w powietrzu i wysyłane przez zagrożonych sąsiadów. Ta eteryczna sieć komunikacyjna, ukryta przed naszym wzrokiem, odgrywa kluczową rolę w sąsiedzkiej ochronie roślin przed bezpośrednimi zagrożeniami – zaznacza Toyota.
Źródło: Saitama University, Science Alert, IFLScience, fot. Masatsugu Toyota/Saitama University
