Tipit muuttuvat

Kasvit voivat näyttää täysin passiivisilta, kun hyönteiset alkavat syödä niiden lehtiä.

Todellisuudessa niiden puolustuskeinot voivat olla hämmästyttävän monipuolisia.

Jotkut kasvit tuottavat myrkyllisiä yhdisteitä, toiset kehittävät fyysisiä esteitä, ja monet vapauttavat ilmaan kemiallisia aineita, jotka houkuttelevat tuholaisten luontaisia vihollisia.

Uusi tutkimus viittaa siihen, että lehmänherne eli cowpea pystyy vieläkin hienostuneempaan puolustusreaktioon. Kun lehtikaivajat vahingoittavat kasvia, se näyttää muuttavan juuriensa ympärillä olevaa maaperää tavalla, joka auttaa seuraavia kasveja puolustautumaan.

Nuorten kasvien ei tarvitse edes joutua itse hyönteisten hyökkäyksen kohteeksi.

Kasveilla on monia puolustuskeinoja

Kasvit käyttävät useita tapoja suojautuakseen nälkäisiltä hyönteisiltä ja kasvinsyöjiltä. Pienet karvat voivat hidastaa tuholaisia, piikit karkottaa laiduntavia eläimiä ja kemialliset yhdisteet tehdä lehdistä epämiellyttäviä tai jopa myrkyllisiä.

Jotkut kasvit vapauttavat myös erityisiä haihtuvia yhdisteitä, joita kutsutaan kasvinsyönnin aiheuttamiksi haihtuviksi yhdisteiksi eli HIPV-yhdisteiksi. Ne voivat toimia eräänlaisena hälytyssignaalina.

Kasvi ei hyökkää tuholaisen kimppuun suoraan, vaan vapauttaa tuoksua, joka houkuttelee esimerkiksi loispistiäisiä. Ne etsivät kasvia syöviä hyönteisiä ja voivat siten vähentää kasville aiheutuvaa vahinkoa.

Ilmaan vapautuva puolustussignaali on kuitenkin yleensä lyhytkestoinen ja häviää uhan päätyttyä.

Siksi tutkijat halusivat selvittää, voisiko kasvi rakentaa maaperän kautta pitkäkestoisemman puolustusjärjestelmän.

Maaperä voi säilyttää tiedon

Kasvien juurten tehtävä ei rajoitu veden ja ravinteiden imeytymiseen. Ne vapauttavat jatkuvasti ympäröivään maaperään erilaisia yhdisteitä, joita kutsutaan juurieritteiksi.

Nämä aineet vaikuttavat juurten ympärillä eläviin mikro-organismeihin. Mikrobit puolestaan voivat vaikuttaa kasvin kasvuun, ravinteiden saantiin sekä kykyyn vastustaa tauteja ja tuholaisia.

Aiemmissa tutkimuksissa on havaittu, että lehtiin kohdistuva hyönteisvaurio voi muuttaa sekä juurten kemiallista koostumusta että maaperän mikrobiyhteisöä.

Avoimeksi jäi kuitenkin kysymys siitä, voisivatko nämä muutokset hyödyttää myöhemmin samaan maaperään kasvavia kasveja.

Uusi tutkimus antaa viitteitä siitä, että hyönteisten hyökkäys voi jättää maaperään biologisen jäljen, joka säilyy alkuperäisen kasvin jälkeenkin.

Lehmänherne paljasti vaikutuksen

Tutkijat keskittyivät lehmänherneeseen, jota lehtikaivajat käyttävät ravinnokseen. Kasvin tiedetään jo ennestään vapauttavan ilmassa olevia kemiallisia signaaleja, jotka houkuttelevat loispistiäisiä lehtikaivajien aloittaessa ruokailun.

Selvittääkseen, ulottuuko puolustus myös maaperään, tutkijat kasvattivat uusia lehmänherneitä maaperässä, jossa oli aiemmin kasvanut joko hyönteisten vahingoittamia tai vahingoittumattomia kasveja.

Tämän jälkeen he tutkivat kasvien kemiallista koostumusta, geenien toimintaa, haihtuvia yhdisteitä ja maaperän mikrobiomin muutoksia.

Tutkijat steriloivat osan maaperästä ja palauttivat siihen valikoituja mikrobiyhteisöjä. Näin he pystyivät selvittämään, olivatko mikrobit todella vastuussa vaikutuksesta vai liittyivätkö ne siihen vain sattumalta.

Uudet kasvit saivat paremman suojan

Tulokset olivat selkeitä. Lehtikaivajien aiemmin vahingoittamassa maaperässä kasvaneet lehmänherneet houkuttelivat enemmän loispistiäisiä, vaikka uudet kasvit eivät itse olleet joutuneet hyönteisten hyökkäyksen kohteiksi.

Myös niiden kasvu oli voimakkaampaa.

Alkuperäisen kasvin kohtaama hyönteishyökkäys oli siis muuttanut maaperää tavalla, joka hyödytti seuraavaa kasvia. Tutkijat pystyivät jäljittämään vaikutuksen ketjuksi, joka sai alkunsa ensimmäisen kasvin lehtivauriosta.

Kasvihormoni käynnistää ketjun

Kun lehtikaivajat vahingoittivat lehmänherneen lehtiä, kasvin jasmoniattisignalointi aktivoitui. Jasmoniaatti on tärkeä kasvihormoni, joka osallistuu muun muassa kasvivaurioiden ja kasvinsyönnin aiheuttamiin puolustusreaktioihin.

Hormonaalinen reaktio sai juuret vapauttamaan enemmän kahta flavonoidiyhdistettä, daidzeiinia ja genisteiinia. Nämä puolestaan muuttivat juurten ympärillä elävää mikrobiyhteisöä.

Eräiden Bradyrhizobium-bakteerien määrä kasvoi käsitellyssä maaperässä. Kun uudet lehmänherneet myöhemmin kasvoivat samassa maaperässä, nämä bakteerit näyttivät aktivoivan uudelleen jasmoniaattiin liittyviä puolustusreaktioita.

Se johti sellaisen tuoksun voimakkaampaan tuotantoon, joka houkuttelee loispistiäisiä.

Ensimmäinen kasvi näyttää siis muokkaavan maaperän mikrobistoa niin, että seuraava kasvi on valmiimpi houkuttelemaan tuholaistensa luonnollisia vihollisia.

Puolustus ulottuu seuraavaan sukupolveen

Löydetty mekanismi eroaa tavallisesta lyhytkestoisesta ilmassa kulkevasta varoitussignaalista. Tavallisesti kasvi vapauttaa puolustavia tuoksuja silloin, kun sitä parhaillaan syödään.

Tässä tapauksessa kasvi pystyi kuitenkin houkuttelemaan loispistiäisiä ilman käynnissä olevaa hyönteishyökkäystä. Aiempi kasvisukupolvi oli jo muuttanut maaperän olosuhteita.

Tutkijat kuvaavat ilmiötä kasvin ja maaperän väliseksi palautteeksi, jossa kasvinsyönnin aiheuttama vaurio jättää ympäristöön pitkäkestoisen biologisen jäljen.

Puolustusvaikutus voi näin jatkua alkuperäisen kasvin ja varsinaisen hyönteishyökkäyksen jälkeen.

Mikrobit ovat ratkaisevassa roolissa

Steriloidulla maaperällä tehdyt kokeet osoittivat, että mikrobiyhteisöllä on prosessissa keskeinen merkitys. Pelkkä aiemmin vahingoittuneen kasvin käyttämä maaperä ei riittänyt, jos tärkeät mikro-organismit oli poistettu.

Kun tietyt bakteerit palautettiin maaperään, myös kasvin puolustusreaktio palasi.

Tämä viittaa siihen, ettei kasvi yksin säilytä niin sanottua ”muistia” aiemmasta hyökkäyksestä.

Vaikutus syntyy kasvin, juurieritteiden ja maaperän mikrobien yhteistyönä.

Löytö voi paljastaa uuden, aiemmin aliarvioidun osan kasvien puolustusjärjestelmistä.

Voisiko tästä olla hyötyä viljelyssä?

Tuloksilla voi tulevaisuudessa olla myös käytännön merkitystä maataloudelle. Jos tiettyjä viljelykasveja voidaan auttaa muokkaamaan maaperän mikrobistoa tavalla, joka vahvistaa luonnollista tuholaistorjuntaa, viljelijät voisivat ehkä hyödyntää näitä suhteita nykyistä paremmin.

Tällöin kasvit voisivat mahdollisesti luoda maaperään olosuhteita, jotka tekevät seuraavista kasveista houkuttelevampia hyödyllisille hyönteisille. Se voisi tukea biologista tuholaistorjuntaa ja vähentää kemiallisten torjunta-aineiden tarvetta.

Tutkijat kuitenkin korostavat, että tutkimus koski vain yhtä kasvia ja yhtä tuholaissysteemiä. Vielä ei tiedetä, esiintyykö vastaavaa mekanismia muilla kasveilla.

Tutkimuksessa seurattiin maaperän vaikutusta vain yhden kasvukierron ajan. Siksi on edelleen epäselvää, kuinka pitkään puolustusvaikutus säilyy.

Seuraavaksi tarvitaan kenttäkokeita, joissa vaikutusta voidaan tutkia vaihtelevissa sääoloissa, erilaisissa maaperissä ja toistuvissa viljelykierroissa.

Maanalainen yhteistyö

Tutkimus tuo uuden näkökulman siihen, miten kasvit reagoivat uhkiin. Puolustus ei rajoitu lehtiin, piikkeihin tai hetkellisiin kemiallisiin hälytyksiin. Kasvit voivat myös muokata juuriensa alla elävää mikroskooppista ekosysteemiä.

Lehmänherneen tapauksessa hyönteisen hyökkäys voi jättää jälkeensä paljon muutakin kuin vahingoittuneita lehtiä.

Muuttamalla juurieritteitään ja maaperän bakteeriyhteisöä yksi kasvisukupolvi voi luoda seuraavalle paremmat edellytykset kasvaa ja houkutella paikalle luonnollisia puolustajia. Näin maaperästä tulee osa kasvin omaa puolustusjärjestelmää.