Растения общаются друг с другом в случае опасности
Исследование показало, что поврежденные растения выделяют определенные химические соединения, которые могут проникать во внутренние ткани здорового растения и активировать защитные силы внутри его клеток. Лучшее понимание этого механизма может позволить ученым и фермерам защитить растения от атак насекомых или засухи задолго до того, как они произойдут.
«Это исследование знаменует собой первый раз, когда исследователям удалось визуализировать общение между растениями», — сказал Масацугу Тойота, старший автор исследования, которое было опубликовано в журнале Nature Communications. «Вероятно, мы сможем взломать эту систему, чтобы информировать весь завод, чтобы активировать различные реакции на стресс против будущей угрозы или угроз окружающей среды, таких как засуха».
Идея «говорящих» деревьев начала укореняться в 1980-х годах. Два эколога поместили сотни гусениц и паутинных червей на ветки ивы и ольхи, чтобы наблюдать за реакцией деревьев. Они обнаружили, что атакованные деревья начали производить химические вещества, которые делали их листья неаппетитными и трудноперевариваемыми, что отпугивало насекомых.
Но еще более любопытно то, что ученые обнаружили здоровые деревья того же вида, расположенные на расстоянии 30 или 40 метров и не имеющие корневых связей с поврежденными деревьями, а также установили такую же химическую защиту, чтобы подготовиться к вторжению насекомых. Примерно в то же время другая пара ученых получила аналогичные результаты, изучая поврежденные деревья сахарного клена и тополя.
Этим ранним исследовательским группам пришла в голову многообещающая мысль: деревья посылали друг другу химические сигналы по воздуху, что сегодня известно как подслушивание растений. За последние четыре десятилетия ученые наблюдали эту межклеточную связь у более чем 30 видов растений, включая лимскую фасоль, табак, томат, шалфей и цветущие растения семейства горчичных. Но до сих пор никто не знал, какие соединения важны и как они ощущаются.
У растений, очевидно, нет ушей и глаз, но прошлые исследования показывают, что они общаются с окружающей средой, выделяя химические вещества, известные как летучие органические соединения, которые мы можем чувствовать по запаху. Но так же, как люди могут произносить так много слов, растения могут производить множество этих соединений для разных целей. Некоторые используются для привлечения опылителей или в качестве защиты от хищников.
Однако один класс этих соединений выделяется при повреждении растения: летучие вещества зеленых листьев. Как следует из названия, они выделяются практически каждым зеленым растением с листьями и производятся, когда растение подвергается физическому повреждению. Примером этого соединения является запах свежескошенной травы.
В новом исследовании Тойота и его коллеги вручную измельчали листья и помещали гусениц на растения горчицы арабидопсиса или томата, чтобы вызвать выделение различных летучих веществ из зеленых листьев. Затем они распространяли отдельные испарения на здоровые растения, чтобы посмотреть, отреагируют ли они.
Чтобы отслеживать реакцию здоровых растений, команда генетически модифицировала растения так, чтобы ионы кальция флуоресцировали при активации внутри отдельных клеток. Передача сигналов кальция важна для клеточных функций большинства живых организмов на Земле, включая человека. Когда электрический сигнал посылается нашим мотонейронам, ионные каналы открываются и позволяют кальцию проникнуть внутрь. Увеличение содержания кальция может вызвать высвобождение нейротрансмиттера, что приводит к сокращению мышц в мышечной клетке.
По словам Тойоты, передача сигналов кальция играет аналогичную роль в растениях. В зависимости от растения оно может вызвать сообщение о необходимости закрыть листья или переварить насекомое.
После тестирования многих летучих веществ зеленых листьев команда обнаружила, что только два из них увеличивают количество ионов кальция внутри клеток. Кроме того, они обнаружили, что передача сигналов кальция сначала увеличивается в замыкающих клетках, образующих поры листьев или устьица растения — важное открытие, поскольку оно показывает, что соединения всасываются во внутренние ткани растения.
По словам Тойоты, передача кальция подобна переключателю, включающему защитные реакции растения. После усиления передачи сигналов команда обнаружила, что растение увеличило выработку определенных экспрессий генов для защиты. Растение может начать производить определенные белки, которые не позволят насекомым их жевать, вызывая у насекомых диарею.
«Если у растения много таких генов, они теперь очень сильны против травоядных насекомых», — сказал Тойота.
Исследователи говорят, что благодаря этому новому пониманию растения можно будет иммунизировать против угроз и стрессоров еще до того, как они произойдут — это эквивалентно введению растению вакцины. Например, воздействие на здоровые растения растений, зараженных насекомыми, или связанных с ними летучих зеленых листьев может повысить их генетическую защиту, поэтому фермеры будут использовать меньше пестицидов. Это открытие также может помочь сделать растения более устойчивыми во время засухи, сигнализируя им о необходимости удерживать больше воды.
По словам Тойоты, это исследование заложило много семян для будущих исследований. Например, исследователи «понятия не имеют», почему только два конкретных летучих вещества зеленых листьев могут проникать в устьица и запускать передачу сигналов кальция. Следующим шагом является идентификация различных рецепторов в растениях, которые могут быть специфичны для химической структуры двух соединений.