Roślinna pamięć

Rośliny mogą wydawać się bezbronne, gdy owady zaczynają żerować na ich liściach, jednak ich mechanizmy obronne bywają zaskakująco zaawansowane.

Jedne wytwarzają toksyny, inne tworzą fizyczne bariery, a jeszcze inne uwalniają do powietrza substancje chemiczne, które przyciągają naturalnych wrogów atakujących je owadów.

Nowe badania wskazują, że wspięga chińska może posunąć się jeszcze dalej. Po zaatakowaniu przez larwy minujące liście rośliny wydają się zmieniać środowisko glebowe wokół swoich korzeni w taki sposób, który pomaga kolejnemu pokoleniu lepiej się bronić — nawet jeśli młode rośliny nigdy wcześniej nie miały kontaktu ze szkodnikami.

Rośliny mają wiele sposobów obrony

Rośliny wykorzystują różne strategie, aby odstraszać głodne owady i większe zwierzęta roślinożerne. Drobne włoski mogą utrudniać życie niewielkim szkodnikom, ciernie zniechęcają zwierzęta do żerowania, a związki chemiczne sprawiają, że liście stają się nieprzyjemne w smaku lub wręcz toksyczne.

Niektóre rośliny uwalniają również specjalne substancje zapachowe określane jako lotne związki indukowane przez roślinożerców, czyli HIPV. Działają one niemal jak alarm.

Zamiast bezpośrednio atakować szkodnika, roślina emituje zapach przyciągający jego naturalnych wrogów, takich jak osy pasożytnicze.

Owady te wyszukują szkodniki żerujące na roślinie i mogą w ten sposób ograniczać wyrządzane przez nie szkody.

Problem polega na tym, że takie sygnały unoszące się w powietrzu zazwyczaj znikają po ustąpieniu bezpośredniego zagrożenia. Naukowcy chcieli więc sprawdzić, czy rośliny mogą stworzyć trwalszy system obronny za pośrednictwem gleby.

Gleba może przechowywać informacje

Korzenie robią znacznie więcej niż tylko pobierają wodę i składniki odżywcze. Rośliny nieustannie uwalniają do otaczającej je gleby mieszaninę różnych substancji. Są one określane jako wydzieliny korzeniowe i wpływają na mikroorganizmy żyjące w pobliżu korzeni.

Z kolei społeczności mikroorganizmów mogą oddziaływać na wzrost roślin, pobieranie składników odżywczych oraz odporność na choroby i szkodniki.

Wcześniejsze badania wykazały już, że uszkodzenia liści powodowane przez owady mogą zmieniać zarówno chemię korzeni, jak i skład mikroorganizmów obecnych w glebie.

Nie było jednak jasne, czy te zmiany mogą zapewnić realną ochronę roślinom, które pojawią się w tej samej glebie później.

Nowe badanie sugeruje, że atak owadów może pozostawić pod ziemią biologiczny ślad, który przetrwa dłużej niż sama zaatakowana roślina.

Wspięga ujawnia niezwykły efekt

Naukowcy skupili się na wspiędze chińskiej, która często pada ofiarą larw minujących liście. Wiadomo już, że po rozpoczęciu żerowania tych szkodników roślina uwalnia do powietrza sygnały przyciągające osy pasożytnicze.

Badacze chcieli sprawdzić, czy podobna reakcja może zostać zapisana również w glebie. W tym celu hodowali nowe rośliny w glebie, w której wcześniej rosły rośliny zaatakowane przez szkodniki lub pozostawione bez uszkodzeń.

Następnie analizowali skład chemiczny roślin, aktywność genów, lotne związki chemiczne oraz zmiany zachodzące w mikrobiomie gleby.

Naukowcy poddali również część gleby sterylizacji, a następnie ponownie wprowadzili do niej wybrane społeczności mikroorganizmów. Dzięki temu mogli sprawdzić, czy zaobserwowany efekt rzeczywiście zależy od drobnoustrojów, a nie jest jedynie z nimi związany.

Nowe rośliny zyskały ochronę

Wyniki okazały się wyraźne. Wspięgi rosnące w glebie, w której wcześniej znajdowały się rośliny uszkodzone przez larwy minujące, przyciągały więcej os pasożytniczych, mimo że same nigdy nie zostały zaatakowane. Co więcej, rosły również większe.

Oznacza to, że kontakt pierwszej rośliny ze szkodnikami zmienił środowisko glebowe w sposób korzystny dla kolejnego pokolenia. Naukowcy prześledzili ten proces od początkowego uszkodzenia liści aż po późniejsze reakcje obronne.

Łańcuch reakcji rozpoczyna hormon

Uszkodzenie liści przez larwy minujące uruchamiało u wspięgi sygnalizację związaną z jasmonianem. Jest to ważny hormon roślinny uczestniczący w reakcjach na uszkodzenia i żerowanie roślinożerców.

Reakcja hormonalna powodowała, że korzenie zaczynały uwalniać większe ilości dwóch związków z grupy flawonoidów: daidzeiny i genisteiny. Substancje te wpływały następnie na społeczność mikroorganizmów żyjących wokół korzeni.

W glebie poddanej działaniu zaatakowanych wcześniej roślin zwiększała się liczebność kilku rodzajów bakterii z grupy Bradyrhizobium.

Gdy później rosły tam nowe wspięgi, wzbogacona społeczność mikroorganizmów wydawała się ponownie uruchamiać mechanizmy obronne związane z jasmonianem.

Efektem było zwiększenie produkcji zapachu atrakcyjnego dla os pasożytniczych.

W praktyce pierwsza roślina zmieniała mikrobiom gleby w taki sposób, aby kolejne były lepiej przygotowane do przyciągania naturalnych wrogów szkodników.

Obrona wykracza poza jedno pokolenie

Mechanizm ten różni się od typowego, krótkotrwałego systemu alarmowego działającego w powietrzu. Zwykle roślina uwalnia obronne substancje zapachowe wtedy, gdy właśnie jest atakowana.

W tym przypadku naukowcy odkryli jednak, że rośliny mogą przyciągać osy pasożytnicze nawet wtedy, gdy nie występuje bezpośrednie zagrożenie. Przygotowanie gleby przez poprzednie pokolenie sprawiło, że młode rośliny były gotowe do uruchomienia tego mechanizmu.

Badacze opisali to jako formę sprzężenia zwrotnego między rośliną a glebą, w którym uszkodzenia wywołane przez roślinożerców pozostawiają trwały ślad w środowisku. Dzięki temu wpływ obronny może wykraczać poza życie pierwotnie zaatakowanej rośliny i okres, w którym szkodniki faktycznie były obecne.

Mikroorganizmy odgrywają kluczową rolę

Eksperymenty ze sterylizowaną glebą pomogły wykazać, że społeczność mikroorganizmów jest niezbędnym elementem tego procesu. Sama gleba, w której wcześniej rosła zaatakowana roślina, nie wystarczała, jeśli usunięto odpowiednie mikroorganizmy.

Kiedy naukowcy przywracali określone bakterie, reakcja obronna ponownie się pojawiała. Sugeruje to, że rośliny nie przechowują takiej „pamięci” samodzielnie.

Zamiast tego efekt powstaje dzięki współpracy roślin, substancji wydzielanych przez korzenie oraz mikroorganizmów glebowych. Taka zależność może być ważniejszym elementem biologii obronnej roślin, niż wcześniej sądzono.

Szansa dla rolnictwa?

Odkrycie może w przyszłości znaleźć zastosowanie w rolnictwie. Jeśli niektóre uprawy są w stanie celowo kształtować społeczność mikroorganizmów glebowych i w ten sposób wzmacniać naturalną ochronę przed szkodnikami, rolnicy mogliby wykorzystywać te zależności zamiast polegać wyłącznie na środkach owadobójczych o szerokim działaniu.

Potencjalnie uprawy mogłyby pomagać tworzyć w glebie warunki, dzięki którym kolejne rośliny stawałyby się bardziej atrakcyjne dla pożytecznych owadów.

Mogłoby to wspierać biologiczne zwalczanie szkodników i jednocześnie ograniczać stosowanie chemicznych środków ochrony roślin.

Naukowcy podkreślają jednak, że eksperymenty obejmowały tylko jeden gatunek rośliny i jeden układ związany ze szkodnikiem. Nie wiadomo jeszcze, czy podobny mechanizm występuje również u innych roślin.

Badanie objęło ponadto tylko jeden cykl oddziaływania gleby na kolejne pokolenie, dlatego wciąż trzeba ustalić, jak długo utrzymuje się taka ochrona. Potrzebne będą także doświadczenia polowe, które pokażą, czy efekt pozostaje widoczny przy zmiennej pogodzie, w różnych rodzajach gleby i przy wielokrotnym sadzeniu.

Podziemny system obronny

Badanie dodaje kolejny element do wiedzy o tym, jak rośliny reagują na zagrożenia. Ich obrona nie ogranicza się do liści, cierni czy krótkotrwałych chemicznych sygnałów alarmowych. Rośliny mogą również modyfikować mikroskopijny ekosystem znajdujący się pod powierzchnią ziemi.

W przypadku wspięgi atak owadów może pozostawić po sobie znacznie więcej niż uszkodzone liście. Zmieniając chemię korzeni i skład bakterii glebowych, jedno pokolenie może stworzyć warunki, które pomagają kolejnemu lepiej rosnąć i przyciągać naturalnych obrońców — sprawiając, że sama gleba staje się częścią systemu ochronnego rośliny.