Sekrety roślin

Rośliny nie potrafią uciec przed zbliżającymi się owadami, ekstremalnymi warunkami pogodowymi ani innymi zagrożeniami środowiskowymi.

Dysponują jednak zaawansowanymi mechanizmami obronnymi, które pozwalają im wykrywać niebezpieczeństwo i koordynować reakcje ochronne w różnych częściach organizmu.

Naukowcy z Uniwersytetu Delaware odkryli nieoczekiwaną cechę tego systemu komunikacji. Ich badanie, opublikowane w czasopiśmie The Plant Cell, pokazuje, jak mikroskopijne połączenia między komórkami roślinnymi reagują na uszkodzenia, wywołując nagłe wzrosty stężenia nadtlenku wodoru.

Odkrycie pozwala lepiej zrozumieć biologię roślin, a w przyszłości może przyczynić się do opracowania upraw odporniejszych na stres środowiskowy.

Jak rośliny się komunikują

Komórki roślinne łączą mikroskopijne kanały zwane plazmodesmami. Przebiegają one przez ściany komórkowe, umożliwiając sąsiadującym komórkom wymianę cząsteczek i koordynację podstawowych procesów biologicznych.

Gdy owad uszkodzi liść lub roślina zostanie narażona na stres środowiskowy, sygnały chemiczne pomagają zaalarmować otaczające tkanki. Jednym z ważnych przekaźników jest nadtlenek wodoru, reaktywny związek tlenu uczestniczący w wielu procesach komórkowych. Choć w wysokich stężeniach może uszkadzać komórki, odpowiednio regulowane ilości tej substancji biorą udział w przekazywaniu sygnałów obronnych.

Jung-Youn Lee, profesor biologii roślin na poziomie molekularnym i komórkowym na Uniwersytecie Delaware, wyjaśniła, że nadtlenek wodoru odgrywa istotną rolę w reakcjach na patogeny, uszkodzenia fizyczne i zmiany środowiskowe.

Jego aktywność podlega ścisłej kontroli, dzięki czemu rośliny mogą przekazywać sygnały bez narażania całych tkanek na szkodliwe stężenia tego związku.

Obserwowanie sygnałów w czasie rzeczywistym

Aby zbadać te procesy, naukowcy wykorzystali zmodyfikowany fluorescencyjny czujnik molekularny o nazwie HyPer7. Wykrywa on nadtlenek wodoru, zmieniając swoją fluorescencję, co pozwala obserwować aktywność chemiczną pod mikroskopem. Zespół skierował czujnik HyPer7 do plazmodesm u dwóch gatunków roślin: australijskiej rośliny rodzimej oraz rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana), znanego również jako rzodkiewnik mysi.

Dzięki tej metodzie badacze mogli porównać reakcje związane z nadtlenkiem wodoru zachodzące wewnątrz kanałów z tymi obserwowanymi w sąsiadujących obszarach komórek.

Główny autor badania, Niraj Kumar Vishwakarma, wraz ze współpracownikami odkrył, że plazmodesmy reagują na stres w zaskakująco silny i czuły sposób.

Nieoczekiwane opóźnienie w przekazywaniu sygnałów

Początkowo naukowcy spodziewali się, że sygnały związane z nadtlenkiem wodoru pojawią się jednocześnie w różnych przedziałach komórkowych. Zaobserwowali jednak bardziej złożony przebieg zdarzeń. Po uszkodzeniu najpierw reagowały komórki znajdujące się w pobliżu uszkodzonego obszaru. Dopiero później, z pewnym opóźnieniem, reakcje pojawiały się w plazmodesmach odleglejszych, nieuszkodzonych tkanek.

Obserwacje te sugerują, że kanały uczestniczą w skoordynowanym procesie przekazywania sygnałów, który wykracza poza bezpośrednie sąsiedztwo rany.

Jeffrey Caplan, dyrektor uniwersyteckiego Centrum Obrazowania Biologicznego, wyjaśnił, że plazmodesmy reagowały z większą czułością niż pobliskie obszary, takie jak cytozol i błona komórkowa.

Cytozol zawiera białka i inne cząsteczki, które szybko usuwają nadtlenek wodoru, potencjalnie ograniczając możliwość wykrycia zmian jego stężenia.

Dlaczego to odkrycie jest ważne

Wyniki wskazują, że plazmodesmy mogą pełnić funkcję wyspecjalizowanych miejsc wykrywania i przetwarzania sygnałów związanych ze stresem oksydacyjnym.

Może to pomóc wyjaśnić, w jaki sposób rośliny koordynują reakcje w różnych tkankach, jednocześnie precyzyjnie kontrolując ilość reaktywnych cząsteczek. Naukowcy nie ustalili jednak jeszcze, dlaczego plazmodesmy oddalone od miejsca uszkodzenia reagują później niż te znajdujące się w jego pobliżu.

Aby zidentyfikować mechanizmy odpowiedzialne za to opóźnienie, konieczne będą dalsze eksperymenty.

Czy to odkrycie może pomóc rolnictwu?

Lepsze zrozumienie komunikacji komórkowej może w przyszłości pomóc naukowcom opracować uprawy bardziej odporne na suszę, patogeny i inne wyzwania środowiskowe. Vishwakarma zasugerował, że badanie reakcji plazmodesm na stres biologiczny i środowiskowy może ujawnić sposoby regulowania komunikacji między komórkami roślinnymi.

Lee zwróciła również uwagę na możliwość modyfikowania tych systemów sygnalizacyjnych w celu zwiększenia odporności roślin na coraz mniej przewidywalne warunki uprawy.

Takie zastosowania pozostają jednak na razie perspektywą na przyszłość. Badanie dotyczyło mechanizmów zachodzących na poziomie komórkowym i nie wykazało poprawy wydajności upraw w testach rolniczych. Mimo to wyniki stanowią obiecującą podstawę do dalszych badań.

Odkrywając, jak maleńkie kanały komórkowe reagują na uszkodzenia, naukowcy zidentyfikowali kolejny ważny element złożonych systemów komunikacji, które pomagają roślinom przetrwać.