Hoe communiceren planten met elkaar als ze in gevaar zijn?

Uit het onderzoek bleek dat geïnfecteerde planten bepaalde chemische verbindingen uitstoten, die de interne weefsels van een gezonde plant kunnen infiltreren en de afweer vanuit de cellen kunnen activeren. Een beter begrip van dit mechanisme zou wetenschappers en boeren in staat kunnen stellen planten te immuniseren tegen insectenaanvallen of droogte lang voordat ze zich voordoen.

Masatsugu Toyota zei dat dit onderzoek de eerste keer is dat onderzoekers ‘de communicatie tussen planten kunnen visualiseren’., is senior auteur van de studie die dinsdag is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications. “Misschien kunnen we dit systeem kapen om de hele fabriek te vertellen verschillende stressreacties te activeren tegen een toekomstige dreiging of bedreigingen voor het milieu, zoals droogte.”

Het idee van ‘pratende’ bomen begon in de jaren tachtig wortel te schieten. Twee ecologen plaatsten honderden rupsen en webwormen op de takken van wilgen- en elzenbomen om te observeren hoe de bomen reageerden. Ze ontdekten dat de aangevallen bomen chemicaliën begonnen te produceren die hun bladeren onsmakelijk en onverteerbaar maakten om de insecten af ​​te schrikken.

Maar wat nog merkwaardiger is, is dat wetenschappers gezonde bomen van dezelfde soort hebben ontdekt, die zich op 30 of 40 meter afstand bevinden, zonder wortels aan de beschadigde bomen en die ook dezelfde chemische verdedigingsmechanismen hebben om zich voor te bereiden op insectenplagen. Nog een paar wetenschappers rond die tijd Soortgelijke resultaten gevonden Bij het onderzoeken van beschadigde esdoorn- en populieren.

Deze vroege onderzoeksteams hadden een ontluikend idee: Bomen stuurden via de lucht chemische signalen naar elkaar, wat tegenwoordig bekend staat als phytoeavesdropping. De afgelopen veertig jaar hebben wetenschappers deze cel-tot-celcommunicatie waargenomen bij meer dan dertig plantensoorten, waaronder limabonen, tabak, tomaten, alsem en bloeiende planten uit de mosterdfamilie. Maar tot nu toe wist niemand welke verbindingen belangrijk waren en hoe ze werden waargenomen.

“Er zijn dit soort controverses op dit gebied geweest”, zegt Andre Kessler, een plantenecoloog die niet bij het onderzoek betrokken was. “Ten eerste, hoe deze verbindingen in het algemeen worden toegediend [by the plant]En dan hoe ze het plantenmetabolisme kunnen veranderen als reactie op hun perceptie.

Kessler zei dat deze studie een aantal van deze al lang bestaande vragen heeft beantwoord.

Planten hebben uiteraard geen oren en ogen, maar eerder onderzoek heeft aangetoond dat ze met hun omgeving communiceren door chemicaliën vrij te geven die bekend staan ​​als vluchtige organische stoffen en die we kunnen ruiken. Maar net zoals mensen veel woorden kunnen spreken, kunnen planten een reeks van deze verbindingen voor verschillende doeleinden produceren. Sommige worden gebruikt om bestuivers aan te trekken of als verdediging tegen roofdieren.

Eén klasse van deze verbindingen wordt echter uitgestoten wanneer een plant wordt geïnfecteerd: de vluchtige stoffen van groene bladeren. Deze worden, zoals de naam al doet vermoeden, uitgestoten door bijna alle groene, bladplanten en worden geproduceerd wanneer de plant fysieke schade ondergaat. Een voorbeeld van deze verbinding is de geur die vers gras afgeeft.

In het nieuwe onderzoek verpletterden Toyota en zijn collega’s handmatig boombladeren en plaatsten er rupsen op Arabidopsis Mosterd- of tomatenplanten om de uitstoot van verschillende groene bladvluchtige stoffen te stimuleren. Vervolgens verspreiden ze individuele dampen naar gezonde planten om te zien of de planten reageren.

Om gezonde plantreacties te volgen, heeft het team de planten genetisch gemodificeerd zodat calciumionen dit doen Het fluoresceert wanneer het in individuele cellen wordt geactiveerd. Calciumsignalering is belangrijk voor cellulaire functies in de meeste organismen op aarde, inclusief mensen. Wanneer een elektrisch signaal naar onze motorneuronen wordt gestuurd, gaan ionenkanalen open waardoor calcium naar binnen kan stromen. Deze toename van calcium kan de afgifte van neurotransmitters veroorzaken, wat spiercontractie in de spiercel veroorzaakt.

Calciumsignalering speelt een vergelijkbare rol in planten, zei Toyota. Afhankelijk van de plant kan hij berichten vrijgeven om de bladeren te sluiten of een insect te verteren.

Na het testen van verschillende bladgroene vluchtige stoffen ontdekte het team dat slechts twee de intracellulaire calciumionen leken te verhogen. Bovendien ontdekten ze dat calciumsignalen voor het eerst toenamen in wachtcellen die de poriën van plantenbladeren of huidmondjes vormen, een belangrijke bevinding, omdat het aantoont dat de verbindingen worden opgenomen in de interne weefsels van de plant.

“Het kan niet gemakkelijk door het oppervlak van de plant sijpelen”, zegt Kessler, professor aan Cornell. ‘Ze moeten door de gaten heen, [which] Hierdoor kan de plant koolstofdioxide inademen en zuurstof vrijgeven voor fotosynthese.

Toyota zei dat calciumsignalen als een schakelaar zijn die de defensieve reacties van de plant inschakelt. Na het verhogen van het signaal ontdekte het team dat de plant de productie van bepaalde beschermende genexpressies verhoogde. Toyota zei bijvoorbeeld dat de plant mogelijk bepaalde eiwitten gaat produceren om te voorkomen dat insecten erop kauwen, waardoor diarree bij de insecten ontstaat.

“Als een plant veel van deze genen heeft, is hij nu heel sterk tegen herbivore insecten”, zegt Toyota.

Met dit nieuwe inzicht zeggen de onderzoekers dat planten kunnen worden versterkt tegen bedreigingen en stress voordat deze zich voordoen, wat gelijk staat aan het geven van een vaccin aan een plant. Kessler zei bijvoorbeeld dat het blootstellen van gezonde planten aan planten die besmet zijn met insecten of bladgerelateerde vluchtige stoffen hun genetische afweer kan versterken, zodat boeren minder pesticiden gebruiken. Openbaring kan ook helpen Planten veerkrachtiger maken tijdens droogte, waardoor planten een signaal krijgen om meer water vast te houden.

“Als je een plant hebt die vroeg in zijn leven aan droogte is blootgesteld, zal hij beter met droogte omgaan dan een plant die dat niet heeft gedaan”, zegt Kessler. “Dit is ook een gevolg van het feit dat de stofwisseling van de plant compleet veranderd is“.

Toyota zei dat de studie veel zaden heeft geplant voor toekomstig onderzoek. Onderzoekers bijvoorbeeld “Ik heb geen idee” waarom slechts twee bladgroene vluchtige stoffen de huidmondjes binnendringen en de calciumsignalering stimuleren. De volgende stap is het identificeren van verschillende receptoren in planten, die specifiek kunnen zijn voor de chemische structuren van de twee verbindingen.

Als reactie op insectenaanvallen kunnen planten ook specifieke reacties produceren op basis van de soort herbivoren waarmee ze zich voeden, een indrukwekkend gedrag dat Kessler verder bestudeert.

“Als deze plant in staat is een adaptieve respons te bieden… dan is dat de definitie van intelligentie,” zei Kessler. “Als je dit soort dingen begrijpt en begrijpt hoe planten dat doen, kom je op een niveau waarop je je afvraagt ​​hoe wij de wereld begrijpen.”