Rastliny si pamätajú útoky

Rastliny môžu pôsobiť pasívne, keď sa na nich začne živiť hmyz, no ich obranné stratégie môžu byť prekvapivo sofistikované. Niektoré vytvárajú toxíny, iné si budujú fyzické bariéry a mnohé uvoľňujú do vzduchu chemické látky, ktoré priťahujú predátorov hmyzu, ktorý ich napáda.

Nový výskum naznačuje, že rastliny krmovníka môžu zájsť ešte ďalej. Po poškodení spôsobenom mínermi listov zrejme menia pôdu okolo svojich koreňov tak, aby pomohli ďalšej generácii rastlín brániť sa – dokonca aj vtedy, keď tieto mladšie rastliny nikdy neboli napadnuté.

Rastliny majú viacero obranných mechanizmov

Rastliny používajú niekoľko spôsobov, ako odradiť hladný hmyz a väčšie bylinožravce. Drobné chĺpky môžu spomaliť malých škodcov, tŕne môžu odradiť pasúce sa zvieratá a chemické zlúčeniny môžu spôsobiť, že listy budú nepríjemné alebo toxické. Niektoré rastliny tiež uvoľňujú špeciálne pachové látky do vzduchu známe ako prchavé látky vyvolané bylinožravcami alebo HIPV. Tieto chemikálie môžu fungovať takmer ako poplašný signál.

Namiesto priameho útoku na škodcu rastlina uvoľní pach, ktorý priláka prirodzených nepriateľov, ako sú parazitické osy. Tieto osy vyhľadávajú hmyz, ktorý sa živí rastlinou, a môžu pomôcť obmedziť škody.

Slabinou tohto systému je, že tieto signály šíriace sa vzduchom zvyčajne zmiznú, keď bezprostredná hrozba pominie. Vedci preto chceli zistiť, či by rastliny mohli prostredníctvom pôdy vytvoriť dlhodobejšiu formu obrany.

Pôda môže uchovávať informácie

Korene robia oveľa viac než len absorbujú vodu a živiny. Rastliny neustále uvoľňujú do okolitej pôdy zmesi rôznych zlúčenín. Tieto látky, známe ako koreňové exudáty, ovplyvňujú mikroorganizmy žijúce v okolí koreňov. Tieto mikrobiálne spoločenstvá následne môžu ovplyvňovať rast rastlín, príjem živín a odolnosť voči chorobám a škodcom.

Predchádzajúce štúdie už ukázali, že poškodenie listov hmyzom môže meniť chemické zloženie koreňov aj zloženie pôdnych mikroorganizmov. Nebolo však jasné, či by tieto zmeny mohli poskytnúť užitočnú obranu rastlinám, ktoré neskôr vyrastú v rovnakej pôde.

Krmovník odhaľuje tento účinok

Vedci sa zamerali na krmovník, ktorý často napádajú mínery listov. O krmovníku je už známe, že keď mínery listov začnú požierať jeho listy, uvoľňuje do vzduchu signály, ktoré priťahujú parazitické osy.

Vedci chceli zistiť, či sa táto reakcia môže preniesť aj do pôdy, a preto pestovali nové rastliny krmovníka v pôde, v ktorej predtým rástli rastliny poškodené hmyzom alebo nepoškodené rastliny. Potom skúmali chémiu rastlín, aktivitu génov, prchavé zlúčeniny a zmeny v pôdnom mikrobióme.

Vedci tiež sterilizovali pôdu a znovu do nej zaviedli vybrané mikrobiálne spoločenstvá. Mohli tak overiť, či za týmto účinkom skutočne stoja mikroorganizmy, a nie iba súvisia s jeho vznikom.

Nové rastliny získali ochranu

Výsledky ukázali výrazný rozdiel. Krmovník pestovaný v pôde, v ktorej predtým rástli rastliny poškodené mínermi listov, prilákal viac parazitických ôs, hoci samotné nové rastliny nikdy neboli napadnuté. Zároveň vyrástli väčšie.

To znamená, že pôvodný kontakt rastliny s hmyzom zmenil prostredie v pôde spôsobom, ktorý bol prospešný pre ďalšiu generáciu. Vedci tento účinok vysledovali cez reťaz biologických reakcií, ktoré sa začali počiatočným poškodením listov.

Hormón spúšťa celý proces

Keď mínery listov poškodili listy krmovníka, útok aktivoval signalizáciu jasmonátov. Jasmonát je dôležitý rastlinný hormón, ktorý sa podieľa na reakciách na poškodenie a požieranie rastlín bylinožravcami. Táto hormonálna reakcia spôsobila, že korene začali uvoľňovať väčšie množstvo dvoch flavonoidových zlúčenín: daidzeínu a genisteínu. Tieto zlúčeniny následne zmenili mikrobiálne spoločenstvo v okolí koreňov. V takto upravenej pôde sa zvýšilo zastúpenie niekoľkých druhov baktérií rodu Bradyrhizobium. Keď v nej neskôr vyrástli nové rastliny krmovníka, zdá sa, že tieto obohatené mikroorganizmy znovu aktivovali obranné mechanizmy súvisiace s jasmonátmi.

Výsledkom bola vyššia produkcia pachu, ktorý bol atraktívny pre parazitické osy. Prvá rastlina v podstate zmenila pôdny mikrobióm tak, že neskoršie rastliny boli už lepšie pripravené prilákať prirodzených nepriateľov hmyzu.

Obrana naprieč generáciami

Tento mechanizmus sa líši od bežného krátkodobého varovného systému šíreného vzduchom. Rastlina zvyčajne uvoľňuje obranné pachy vtedy, keď ju práve požiera hmyz. V tomto prípade však vedci zistili, že rastliny dokázali prilákať parazitické osy aj bez bezprostredného útoku hmyzu. Predchádzajúca generácia v podstate pripravila pôdu.

Vedci to opísali ako formu spätnej väzby medzi rastlinami a pôdou, pri ktorej poškodenie spôsobené bylinožravcami zanecháva trvalú stopu v prostredí. Tento obranný vplyv tak môže presahovať nielen pôvodnú rastlinu, ale aj obdobie, keď bol hmyz skutočne prítomný.

Mikroorganizmy sú nevyhnutné

Experimenty so sterilizovanou pôdou pomohli ukázať, že mikrobiálne spoločenstvo je kľúčovou súčasťou tohto procesu. Samotná pôda, v ktorej kedysi rástla napadnutá rastlina, nestačila, ak boli príslušné mikroorganizmy odstránené. Keď vedci obnovili prítomnosť určitých baktérií, obranná reakcia sa vrátila. To naznačuje, že rastliny si túto „pamäť“ neuchovávajú samy.

Účinok namiesto toho vzniká prostredníctvom spolupráce medzi rastlinami, koreňovými chemickými látkami a pôdnymi mikroorganizmami. Tento vzťah môže predstavovať doteraz podceňovanú súčasť biológie obrany rastlín.

Možné využitie v poľnohospodárstve

Tieto zistenia by sa časom mohli prakticky využiť v poľnohospodárstve. Ak dokážu niektoré plodiny cielene ovplyvňovať pôdne mikroorganizmy a posilňovať prirodzenú ochranu proti škodcom, poľnohospodári by mohli tieto vzťahy podporovať namiesto toho, aby sa úplne spoliehali na širokospektrálne insekticídy.

Plodina by potenciálne mohla pomôcť vytvoriť pôdne podmienky, vďaka ktorým budú budúce rastliny atraktívnejšie pre užitočný hmyz. To by mohlo podporiť biologickú ochranu proti škodcom a zároveň znížiť používanie chemických látok. Vedci však upozorňujú, že experimenty zahŕňali iba jednu plodinu a jeden systém rastlina–škodca. Zatiaľ nie je známe, či rovnaký účinok vytvárajú aj iné rastliny.

Štúdia tiež sledovala tento vplyv pôdy iba počas jedného cyklu, takže vedci ešte musia zistiť, ako dlho ochrana vydrží. Na overenie toho, či účinok pretrváva pri meniacom sa počasí, rôznych typoch pôdy a opakovanom pestovaní, budú potrebné terénne experimenty.

Podzemné partnerstvo

Štúdia pridáva ďalšiu vrstvu k nášmu chápaniu toho, ako rastliny reagujú na nebezpečenstvo. Ich obrana sa neobmedzuje na listy, tŕne či dočasné chemické poplachové signály. Dokážu tiež meniť mikroskopický ekosystém pod sebou.