Растение горчицы реагирует на сигналы опасности, передаваемые по воздуху от другого растения.
Незаметно для нас растения окружены тонким туманом переносимых по воздуху соединений, которые они используют для общения и защиты. Подобно запахам, эти соединения отпугивают голодных травоядных и предупреждают соседние растения о приближающихся хищниках.
Ученые знали об этих защитных свойствах растений с 1980-х годов и с тех пор обнаружили их у более чем 80 видов растений. Теперь группа японских исследователей применила методы визуализации в реальном времени, чтобы выяснить, как растения получают и реагируют на эти воздушные сигналы тревоги.
В этом исследовании Юрий Аратани и Такуя Уэмура, молекулярные биологи из Университета Сайтама в Японии, и их коллеги установили насос для переноса соединений, выделяемых поврежденными и пораженными насекомыми растениями, на их неповрежденные соседи, а также флуоресцентный микроскоп, чтобы наблюдать, что происходит.
Гусениц ( Spodopteralitura ) посадили на листья, срезанные с растений томата и Arabidopsis thaliana, распространенного сорняка семейства горчичных, и исследователи изобразили реакцию второго, неповрежденного, свободного от насекомых растения Arabidopsis на эти сигналы опасности.
Эти растения не были обычными сорняками: они были генетически изменены, поэтому их клетки содержали биосенсор, который светился зеленым светом при обнаружении притока ионов кальция. Передача сигналов кальция – это то, что человеческие клетки также используют для общения.
Команда использовала аналогичную технику для измерения сигналов кальция в прошлом году в исследовании флуоресцентных растений Mimosa pudica, которые быстро двигают листьями в ответ на прикосновение, чтобы избежать хищников.
На этот раз команда визуализировала, как растения реагировали на летучие соединения, которые растения выделяют в течение нескольких секунд после повреждения.
Экспериментальная установка для визуализации передачи сигналов кальция в листьях арабидопсиса.
Это не была естественная установка; соединения концентрировались в пластиковой бутылке и закачивались в растение-получатель с постоянной скоростью, но это позволило исследователям проанализировать, какие соединения находились в острой смеси.
Как вы можете видеть на видео выше, неповрежденные растения громко и четко воспринимали сообщения своих раненых соседей, отвечая всплесками сигналов кальция, которые пробегали по их вытянутым листьям.
Анализируя переносимые по воздуху соединения, исследователи обнаружили, что два соединения под названием Z-3-HAL и E-2-HAL индуцируют сигналы кальция у арабидопсиса.
Они также определили, какие клетки первыми реагируют на сигналы опасности, оснастив растения Arabidopsis флуоресцентными сенсорами исключительно в замыкающих, мезофилльных или эпидермальных клетках.
Замыкающие клетки — это бобовидные клетки на поверхности растений, которые образуют устьица — маленькие поры, которые открываются в атмосферу, когда растения «дыхают» CO2. Клетки мезофилла представляют собой внутреннюю ткань листьев, а эпидермальные клетки — это внешний слой или кожица листьев растений.
Когда растения Arabidopsis подвергались воздействию Z-3-HAL, замыкающие клетки генерировали сигналы кальция в течение минуты или около того, после чего клетки мезофилла улавливали сообщение.
Более того, предварительная обработка растений фитогормоном, который закрывает устьица, значительно снижает передачу сигналов кальция, что позволяет предположить, что устьица действуют как «ноздри» растения.
«Мы наконец-то раскрыли сложную историю того, когда, где и как растения реагируют на «предупреждающие сообщения» по воздуху от своих соседей, которым угрожает опасность», — говорит Масацугу Тойота, молекулярный биолог из Университета Сайтама в Японии и старший автор исследования.
«Эта эфирная коммуникационная сеть, скрытая от нашего взгляда, играет ключевую роль в своевременной защите соседних заводов от неминуемых угроз».