Японские ученые поняли и показали, как «разговаривают» растения

Визуализация связи между растениями с помощью летучих органических соединений (ЛОС) в режиме реального времени помогла японским ученым из Университета Сайтама установить, как ЛОС поглощаются растениями, инициируя у них защитные реакции против возможных угроз, 17 октября сообщает сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу университета.

При механических повреждениях или атаках насекомых растения выделяют в атмосферу летучие органические соединения (ЛОС). Соседние растения воспринимают выделенные ЛОС как сигналы опасности и принимают необходимые защитные меры против предстоящих угроз.

Это явление воздушного общения между растениями с помощью ЛОС было впервые описано в 1983 году, и его уже наблюдали у более чем 30 различных видов растений. Тем не менее до сих пор остаются неясными молекулярные механизмы восприятия ЛОС и ответной выработки защитной реакции.

Команда под руководством профессора Университета Сайтама Масацугу Тойота провела исследование этих механизмов, его результаты опубликованы 17 октября в журнале Nature Communications.

Масацугу Тойота рассказал о проведенных исследованиях: «Мы сконструировали оборудование для перекачки ЛОС, выделяемых растениями, поедаемыми гусеницами, на неповрежденные соседние растения и объединили его с системой флуоресцентной визуализации в реальном времени. Эта инновационная установка визуализировала всплески распространения флуоресценции на растении горчицы Arabidopsis thaliana после воздействия ЛОС, выделяемых растениями, поврежденными насекомыми».

Он пояснил, что растения при этом создают флуоресцентные белковые сенсоры для улавливания концентрации внутриклеточного Ca²⁺ и, следовательно, изменения такой концентрации можно отслеживать, наблюдая за изменениями флуоресценции.

«Помимо нападений насекомых, ЛОС, выделяемые из разорванных вручную листьев, также вызывают сигналы Ca²⁺ в неповрежденных соседних растениях», — отметил ученый.

Для определения типа ЛОС, вызывающего в растениях сигналы Ca²⁺, группа Тойоты исследовала различные ЛОС, вызывающие защитные реакции у растений. Были выявлены два ЛОС, (Z)-3-гексеналь (Z-3-HAL) и (E)-2-гексеналь (E-2-HAL) (оба представляют собой шестиуглеродистые альдегиды), которые индуцируют сигналы Ca²⁺ у Arabidopsis.

Z-3-HAL и E-2-HAL — химические вещества с запахом травы, они относятся к летучим веществам зеленых листьев (GLV), выделяемых растениями, поврежденными механически или травоядными животными.

Воздействие на арабидопсис ЛОС Z-3-HAL и E-2-HAL вызывало усиление регуляции генов, связанных с защитой. Чтобы понять взаимосвязь между сигналами Ca²⁺ и защитными реакциями, ученые обрабатывали Arabidopsis химическими веществами, подавляющими как сигналы Ca²⁺, так и индукцию генов, связанных с защитой, доказав, что Arabidopsis воспринимает GLV и активирует защитные реакции зависимым от Ca²⁺ образом.

Исследователи также определили конкретные клетки, выделяющие сигналы Ca²⁺ в ответ на GLV. Для этого они создали трансгенные растения, экспрессирующие сенсоры флуоресцентного белка исключительно в защитных клетках, мезофилле или эпидермисе.

При воздействии Z-3-HAL сигналы Ca²⁺ генерировались в защитных клетках в течение примерно 1 минуты, а затем в клетках мезофилла, при этом эпидермальные клетки генерировали сигналы Ca²⁺ медленнее.

Защитные клетки расположены на поверхности растений и образуют устьица — небольшие поры, через которые атмосферный воздух поступает к внутренним тканям растений. «У растений нет „носа“, но устьица служат воротами для растений, обеспечивая быстрое проникновение GLV», — пояснил Тойота.

Роль устьиц ученые проверили, обработав их фитогормоном, способным закрывать устьица. При этом произошло снижение реакции Ca²⁺ в листьях. Однако генетические мутанты с нарушенным закрытием устьиц сохраняли нормальные сигналы Ca²⁺ в листьях даже при обработке этим фитогормоном.

«Мы наконец-то раскрыли запутанную историю того, когда, где и как растения реагируют на передаваемые по воздуху „предупреждающие сообщения“ от своих соседей, находящихся под угрозой, — заявил Тойота. — Эта эфирная коммуникационная сеть, скрытая от наших глаз, играет ключевую роль в своевременной защите соседних растений от неминуемых угроз.