Рослини пам'ятають атаки

Рослини можуть виглядати пасивними, коли комахи починають ними харчуватися, але їхні захисні стратегії можуть бути напрочуд складними. Деякі виробляють токсини, інші створюють фізичні бар'єри, а багато хто виділяє хімічні речовини, що переносяться повітрям, що приваблюють хижаків комах, що на них нападають.

Нові дослідження показують, що рослини вігни можуть зайти ще далі. Після пошкодження листопадними комахами вони, здається, змінюють ґрунт навколо своїх коренів таким чином, що допомагає наступному поколінню рослин захищатися — навіть якщо ці молодші рослини ніколи не зазнавали нападів.

Рослини мають кілька захисних механізмів

Рослини використовують кілька методів, щоб відлякувати голодних комах та великих травоїдних. Крихітні волоски можуть уповільнити дрібних шкідників, колючки можуть відлякати пасовищних тварин, а хімічні сполуки можуть зробити листя неприємним або токсичним. Деякі рослини також виділяють особливі повітряні запахи, відомі як леткі речовини рослин, індуковані травоїдними, або HIPV. Ці хімічні речовини можуть діяти майже як сигнал тривоги.

Замість того, щоб безпосередньо атакувати шкідника, рослина виділяє запах, який приваблює природних ворогів, таких як оси-паразитоїди. Ці оси шукають комах, які харчуються рослиною, і можуть допомогти зменшити шкоду.

Слабкість цієї системи полягає в тому, що ці повітряні сигнали зазвичай зникають, як тільки безпосередня загроза зникає. Тому дослідники хотіли дізнатися, чи можуть рослини створити довготривалішу форму захисту через ґрунт.

Ґрунт може зберігати інформацію

Коріння робить набагато більше, ніж просто поглинає воду та поживні речовини. Рослини безперервно виділяють суміші сполук у навколишній ґрунт. Ці речовини, відомі як кореневі ексудати, впливають на мікроорганізми, що живуть навколо коренів. Ці мікробні спільноти можуть потім впливати на ріст рослин, поглинання поживних речовин та стійкість до хвороб і шкідників.

Попередні дослідження вже показали, що пошкодження листя комахами може змінити як хімію коренів, так і склад ґрунтових мікробів. Залишалося незрозумілим, чи можуть ці зміни забезпечити корисний захист для рослин, які пізніше ростуть у тому ж ґрунті.

Вигняний горох розкриває ефект

Дослідники зосередилися на вигні, яку зазвичай атакують мінні жучки. Вже відомо, що вигняний горох виділяє повітряно-крапельні сигнали, які приваблюють ос-паразитів, коли мінні жучки починають харчуватися його листям.

Щоб дослідити, чи може ця реакція поширитися на ґрунт, вчені виростили нові рослини вигни в ґрунті, який раніше містив пошкоджені комахами або непошкоджені рослини. Потім вони дослідили хімію рослин, активність генів, леткі сполуки та зміни в мікробіомі ґрунту.

Дослідники також стерилізували ґрунт і повторно ввели вибрані мікробні популяції, що дозволило їм перевірити, чи справді мікроби відповідають за цей ефект, а не просто пов'язані з ним.

Нові рослини отримали захист

Результати показали разючу різницю. Вигняний горох, вирощений у ґрунті, який раніше займали рослини, пошкоджені мінними жучками, приваблював більше ос-паразитів, хоча самі нові рослини ніколи не зазнавали нападу. Вони також виросли.

Це означає, що зустріч початкової рослини з комахами змінила ґрунтове середовище таким чином, що це принесло користь наступному поколінню. Дослідники простежили цей ефект через ланцюг біологічних реакцій, починаючи з початкового пошкодження листя.

Гормон запускає ланцюжок

Коли листові мінери пошкоджували листя вігни, атака активувала сигналізацію жасмонату. Жасмонат – важливий рослинний гормон, що бере участь у реакціях на травми та травоїдність. Ця гормональна реакція призводила до того, що коріння вивільняло збільшену кількість двох флавоноїдних сполук: даїдзеїну та геністеїну. Ці сполуки потім змінювали мікробну спільноту навколо коренів. Кілька видів бактерій Bradyrhizobium стали більш поширеними в кондиціонованому ґрунті. Коли пізніше там виросли нові рослини вігни, ці збагачені мікроби, здається, реактивували захисні механізми, пов'язані з жасмонатом.

Результатом стало збільшення виробництва запаху, який приваблювали оси-паразитоїди. Фактично, перша рослина змінила мікробіом ґрунту, так що пізніші рослини вже були краще підготовлені до вербування комах-ворогів.

Захист через покоління

Цей механізм відрізняється від звичайної короткочасної системи попередження, що передається повітрям. Рослина зазвичай вивільняє захисні запахи, коли її їдять. Однак тут дослідники виявили, що рослини могли приваблювати ос-паразитоїдів навіть без будь-якої негайної атаки комах. Попереднє покоління ефективно підготувало ґрунт.

Дослідники описали це як форму зворотного зв'язку між рослинами та ґрунтом, за якої пошкодження травоїдними тваринами залишає тривалий екологічний слід. Цей захисний вплив може поширюватися як на початкову рослину, так і на період, коли комахи фактично були присутні.

Мікроби є важливими

Експерименти зі стерилізованим ґрунтом допомогли продемонструвати, що мікробна спільнота є вирішальною частиною процесу. Простого наявності ґрунту, який колись містив уражену рослину, було недостатньо, якщо відповідні мікроорганізми були видалені. Коли дослідники відновили певні бактерії, захисна реакція повернулася. Це свідчить про те, що рослини не зберігають лише «пам'ять».

Натомість, ефект виникає завдяки партнерству між рослинами, кореневими хімічними речовинами та ґрунтовими мікробами. Цей зв'язок може представляти раніше недооцінену частину біології захисту рослин.

Можливі переваги для сільського господарства

Результати можуть зрештою мати практичне сільськогосподарське застосування. Якщо певні культури можуть навмисно формувати ґрунтові мікроби для посилення природного контролю шкідників, фермери зможуть заохочувати ці зв'язки, а не покладатися виключно на інсектициди широкого спектру дії.

Культура потенційно може допомогти створити ґрунтові умови, які зроблять майбутні рослини більш привабливими для корисних комах. Це може сприяти біологічному контролю шкідників, одночасно зменшуючи використання хімікатів. Однак дослідники застерігають, що експерименти стосувалися лише однієї культури та однієї системи шкідників. Поки що невідомо, чи інші рослини мають такий самий ефект.

У дослідженні також спостерігалося вплив ґрунту лише протягом одного циклу, тому дослідникам ще потрібно визначити, як довго триватиме захист. Необхідні польові експерименти, щоб перевірити, чи витримає ефект зміну погоди, різні типи ґрунту та повторну посадку.

Підземне партнерство

Дослідження додає ще один рівень до нашого розуміння того, як рослини реагують на небезпеку. Їхній захист не обмежується листям, колючками чи тимчасовими хімічними сигналами тривоги. Вони також можуть змінювати мікроскопічну екосистему під собою.

Напад комах може залишити після себе не лише пошкоджене листя, але й більше. Змінюючи хімію коренів та формуючи ґрунтові бактерії, одне покоління може створити умови, які допоможуть наступному краще рости та залучати природних захисників, перетворюючи сам ґрунт на частину захисної системи рослини.