Roślina uszkodzona przez gąsienicę może w ciągu kilku minut zmienić skład substancji uwalnianych do powietrza. Sąsiednie rośliny wykrywają część tych związków i przygotowują własne mechanizmy obronne, a drapieżne owady otrzymują chemiczną wskazówkę prowadzącą do miejsca żerowania roślinożercy. Pod ziemią korzenie wydzielają natomiast mieszaniny cukrów, kwasów organicznych, aminokwasów, flawonoidów i hormonopodobnych cząsteczek, które wpływają na bakterie, grzyby, pasożytnicze rośliny oraz sąsiadującą roślinność.
Nie oznacza to, że rośliny rozmawiają tak jak ludzie, podejmują świadome decyzje albo wysyłają sobie celowo sformułowane ostrzeżenia. W dziale Kochamy Naukę przyglądamy się temu zjawisku bez antropomorfizacji: jako systemowi emisji, transportu, wykrywania i przetwarzania substancji chemicznych. To właśnie dzięki niemu organizmy pozbawione układu nerwowego mogą niezwykle precyzyjnie reagować na otoczenie.
Najważniejsze rozróżnienie: substancja uwolniona przez roślinę nie zawsze jest „wiadomością”. Dla innego organizmu może być sygnałem, przypadkową wskazówką, produktem uszkodzenia, przynętą, odstraszaczem albo związkiem, który został przechwycony i wykorzystany w sposób niekorzystny dla nadawcy.
Czy rośliny rzeczywiście się komunikują?
Odpowiedź zależy od tego, jak zdefiniujemy komunikację. W języku potocznym kojarzymy ją ze świadomym nadawaniem informacji. W biologii pojęcie to może mieć znacznie szersze znaczenie: jeden organizm wytwarza bodziec, drugi go odbiera, a odebranie bodźca zmienia jego zachowanie, fizjologię albo rozwój.
W przypadku roślin takim bodźcem mogą być cząsteczki przenoszone przez powietrze, wodę, glebę lub tkanki grzybów. Roślina odbierająca może po ich wykryciu zmienić ekspresję genów, stężenie jonów wapnia, aktywność hormonów, tempo wzrostu, skład własnych wydzielin albo produkcję substancji obronnych.
Biolodzy ewolucyjni rozróżniają przy tym sygnał i wskazówkę. Sygnał, w ścisłym znaczeniu, jest cechą ukształtowaną ewolucyjnie między innymi dlatego, że wpływa na zachowanie odbiorcy. Wskazówka może natomiast nieść informację, choć nie powstała po to, aby ją przekazywać. Zapach uszkodzonego liścia może być dla owada niezwykle użyteczny, nawet jeśli początkowo był tylko konsekwencją rozerwania komórek.
| Pojęcie | Znaczenie biologiczne | Przykład |
|---|---|---|
| Sygnał | Cecha, której funkcja ewolucyjna obejmuje wpływanie na odbiorcę. | Zapach kwiatu przyciągający określonego zapylacza. |
| Wskazówka | Informacja wykorzystywana przez odbiorcę, choć niekoniecznie wytworzona dla jego korzyści. | Lotny produkt uszkodzenia liścia wykrywany przez roślinę pasożytniczą. |
| Priming | Wprowadzenie organizmu w stan podwyższonej gotowości obronnej. | Sąsiednia roślina po kontakcie z lotnymi związkami szybciej reaguje na atak gąsienicy. |
| Allelopatia | Chemiczne oddziaływanie rośliny na kiełkowanie, wzrost lub przeżycie innych roślin. | Związek wydzielany do gleby ogranicza wzrost konkurenta. |
Zdanie „rośliny komunikują się” jest więc dopuszczalnym skrótem, o ile nie przypisujemy im języka, intencji i świadomości, których badania nie wykazały.
Z czego składa się chemiczny „język” roślin?
Rośliny produkują ogromną liczbę związków należących do metabolitów pierwotnych i wyspecjalizowanych. Nie wszystkie uczestniczą w przekazywaniu informacji, ale wiele może zmieniać zachowanie innych organizmów.
Do najważniejszych grup należą:
- terpeny i terpenoidy – między innymi monoterpeny oraz seskwiterpeny, często odpowiadające za charakterystyczny zapach roślin;
- zielone związki lotne liści, określane jako GLV od angielskiego green leaf volatiles – głównie sześciowęglowe aldehydy, alkohole i estry;
- lotne związki aromatyczne – na przykład salicylan metylu, benzoesan metylu i liczne fenylopropanoidy;
- związki zawierające azot lub siarkę – obecne między innymi w zapachach niektórych kwiatów i roślin obronnych;
- hormony i ich lotne pochodne – w tym etylen, salicylan metylu oraz pochodne szlaku jasmonianowego;
- wydzieliny korzeniowe – cukry, aminokwasy, kwasy organiczne, fenole, flawonoidy, kumaryny i strigolaktony;
- peptydy i cząsteczki rozpoznawcze uczestniczące w lokalnej komunikacji komórkowej oraz kontaktach roślina–mikroorganizm.
Znaczenie ma nie tylko obecność pojedynczej substancji. Odbiorca często reaguje na określone proporcje wielu składników, czas emisji, stężenie oraz kontekst środowiskowy. Chemiczny ślad rośliny można zatem porównać bardziej do dynamicznej mieszaniny niż do jednego słowa posiadającego zawsze to samo znaczenie.
Ciekawostka: jedna roślina może zmieniać swój profil zapachowy zależnie od pory dnia, wieku liścia, niedoboru wody, gatunku atakującego owada, obecności jego śliny, rodzaju patogenu, a nawet aktywności mikroorganizmów zasiedlających jej powierzchnię i wnętrze.
Lotne związki organiczne – komunikacja drogą powietrzną
Lotne związki organiczne, czyli VOC, mają wystarczająco wysoką prężność pary, aby w określonych warunkach przechodzić do fazy gazowej. Mogą wydostawać się z liści, kwiatów, owoców, pędów, a także z korzeni. Ich mieszaniny tworzą chemiczną warstwę informacji otaczającą roślinę.
Roślina emituje część VOC w normalnych warunkach. Inne pojawiają się albo wyraźnie zwiększają swoje stężenie dopiero po uszkodzeniu, infekcji, przegrzaniu, suszy lub ataku roślinożercy. Profil wywołany żerowaniem określa się często jako HIPV – herbivore-induced plant volatiles.
HIPV nie są jedynie zapachem rozgniecionej tkanki. Część powstaje natychmiast w miejscu uszkodzenia, ale kolejne związki są syntetyzowane aktywnie po uruchomieniu szlaków obronnych. Ich emisja może wystąpić również z nieuszkodzonych liści tej samej rośliny. Reakcja obejmuje między innymi szlak kwasu jasmonowego, sygnalizację wapniową, reaktywne formy tlenu oraz zmiany ekspresji genów.
Skład mieszanki zależy od tego, co zaatakowało roślinę. Mechaniczne przecięcie liścia nie zawsze powoduje taką samą odpowiedź jak żerowanie gąsienicy. Wydzieliny gębowe i składniki śliny owada mogą zostać rozpoznane przez roślinę, która modyfikuje wtedy swoją odpowiedź chemiczną.
Zapach przenosi się z ruchem powietrza, ale jego rzeczywisty zasięg ograniczają turbulencje, temperatura, wilgotność, promieniowanie słoneczne, opady oraz reakcje z zanieczyszczeniami. W naturze nie powstaje więc jednolita chmura. Tworzą się nieregularne smugi, w których stężenie substancji szybko się zmienia.
Zapach skoszonej trawy jako sygnał uszkodzenia
Charakterystyczny zapach świeżo skoszonego trawnika tworzą przede wszystkim zielone związki lotne liści. Po przerwaniu błon komórkowych enzymy uzyskują dostęp do wielonienasyconych kwasów tłuszczowych. Szlak lipooksygenazy i liazy wodoronadtlenkowej prowadzi do szybkiego powstawania sześciowęglowych aldehydów, takich jak (Z)-3-heksenal. Z nich mogą następnie powstawać alkohole i estry.
Dla człowieka jest to „świeży” zapach. Dla innych organizmów mieszanina GLV może oznaczać obecność uszkodzonej tkanki, aktywnego roślinożercy lub dostępnego gospodarza.
Badania na rzodkiewniku pospolitym (Arabidopsis thaliana) pokazały, że wybrane GLV wywołują w roślinie odbierającej szybkie zmiany stężenia jonów wapnia w cytozolu. W doświadczeniu opublikowanym w 2023 roku reakcję obserwowano najpierw w komórkach szparkowych, a później w komórkach mezofilu. Szczególnie aktywne były aldehydy (Z)-3-heksenal i (E)-2-heksenal.
Wapń pełni w komórkach roślin funkcję wtórnego przekaźnika. Zmiana jego stężenia nie jest jeszcze kompletną odpowiedzią obronną, ale może uruchomić kolejne elementy szlaku: aktywność enzymów, czynniki transkrypcyjne i ekspresję genów związanych z obroną.
Co właściwie „czuje” roślina? Nie ma narządu węchu ani mózgu. Cząsteczka może wejść w kontakt z powierzchnią liścia, przedostać się przez aparaty szparkowe lub warstwę kutykularną, zostać przekształcona enzymatycznie albo rozpoznana przez element szlaku molekularnego. Skutkiem jest zmiana stanu komórek, a nie świadome doznanie zapachu.
Czy rośliny ostrzegają swoich sąsiadów?
Jednym z najbardziej interesujących zjawisk jest wpływ rośliny zaatakowanej na niezaatakowane osobniki rosnące w pobliżu. U części badanych gatunków kontakt z substancjami lotnymi zwiększa późniejszą odporność odbiorcy, zmienia produkcję metabolitów obronnych albo przyspiesza reakcję na rzeczywisty atak.
Nie zawsze oznacza to natychmiastowe uruchomienie kosztownej obrony. Często występuje priming, czyli przygotowanie systemu do szybszej lub silniejszej reakcji w przyszłości. Można porównać go do ustawienia obrony w stan gotowości, ale bez pełnej mobilizacji wszystkich zasobów.
Taka strategia jest ekonomiczna. Stała produkcja dużych ilości toksycznych lub odstraszających metabolitów wymaga energii i składników, które mogłyby zostać przeznaczone na wzrost albo rozmnażanie. Priming pozwala ograniczyć te koszty, a jednocześnie skrócić czas reakcji, gdy zagrożenie stanie się realne.
W doświadczeniach z bylicą trójzębową (Artemisia tridentata) uszkodzone gałązki wpływały na odporność innych pędów oraz sąsiednich roślin. Istotne były substancje lotne, a odpowiedź mogła zależeć od podobieństwa chemicznego i genetycznego osobników. Nie należy jednak automatycznie przenosić wyników dotyczących jednego gatunku na wszystkie rośliny.
Roślina odbierająca nie musi być zamierzonym adresatem emisji. Może po prostu podsłuchiwać chemiczne konsekwencje ataku na sąsiada. Z perspektywy ewolucyjnej szczególnie ważne jest pytanie, czy emisja zwiększa dostosowanie nadawcy, odbiorcy, obu stron czy może przede wszystkim trzeciego organizmu.
Czy roślina może ostrzegać samą siebie?
Tak. Lotne związki uwalniane przez jeden liść mogą docierać do innych części tego samego osobnika. W dużej, rozgałęzionej koronie transport drogą powietrzną bywa szybszy niż przesyłanie niektórych sygnałów przez tkanki rośliny. Zjawisko to nazywa się komunikacją wewnątrzroślinną lub autokomunikacją.
Ta sama cząsteczka może zatem jednocześnie uczestniczyć w sygnalizacji w obrębie rośliny, wpływać na sąsiadów oraz przyciągać albo odstraszać zwierzęta.
Chemiczne wezwanie ochroniarzy
Roślina atakowana przez roślinożercę nie musi ograniczać się do produkcji substancji gorzkich, toksycznych lub utrudniających trawienie. Może także zmienić zapach w sposób ułatwiający drapieżnikom i parazytoidom odnalezienie napastnika. Mechanizm ten określa się jako obronę pośrednią.
Klasyczne badania nad kukurydzą wykazały, że zapach roślin uszkodzonych przez żerujące gąsienice może przyciągać pasożytnicze błonkówki. Samica parazytoida wykorzystuje mieszaninę lotnych związków, aby zlokalizować gospodarza, w którym lub na którym złoży jaja. Roślina zyskuje szansę na ograniczenie dalszego żerowania.
Podobne układy opisano między innymi u fasoli zaatakowanej przez przędziorki. Zmieniony profil zapachowy może przyciągać drapieżne roztocze polujące na roślinożerców.
Nie jest to jednak prosty alarm o znaczeniu „tu znajduje się gąsienica”. Owady uczą się kojarzyć określone mieszaniny z dostępnością gospodarza lub pożywienia. Na ich wybór wpływa wcześniejsze doświadczenie, gatunek rośliny, odmiana, faza rozwoju, pora dnia i stan odżywienia.
Co więcej, chemiczna emisja może mieć skutki niekorzystne. Zapach uszkodzonej rośliny mogą wykrywać także kolejne roślinożerne owady. Jeden sygnał jest więc dostępny dla wielu odbiorców, którzy wykorzystują go zgodnie z własnym interesem.
Kwiaty, zapylacze i rośliny pasożytnicze
Chemiczna komunikacja nie dotyczy wyłącznie obrony. Zapach kwiatów jest częścią wielokanałowego systemu wabienia zapylaczy. Kolor, kształt, temperatura, nektar i substancje lotne tworzą razem informację o obecności oraz jakości kwiatu.
Niektóre zapachy są szeroko atrakcyjne, inne odpowiadają preferencjom bardzo określonych grup zwierząt. Profil emisji może zmieniać się w ciągu doby zgodnie z aktywnością głównego zapylacza. Kwiaty zapylane nocą często intensyfikują emisję po zmierzchu, natomiast część gatunków dziennych osiąga szczyt zapachu w świetle dnia.
System nie zawsze opiera się na uczciwej wymianie nagrody za usługę. Niektóre rośliny naśladują woń samic owadów, padliny, odchodów albo miejsca składania jaj. Przyciągnięte zwierzę wykonuje pracę zapylacza, choć nie otrzymuje oczekiwanej korzyści.
Roślina, która „wywąchuje” gospodarza
Kanadyjskie i amerykańskie kanianki z rodzaju Cuscuta są roślinami pasożytniczymi. Młoda siewka ma ograniczone zapasy, dlatego szybko musi odnaleźć gospodarza i utworzyć ssawki pobierające wodę oraz substancje odżywcze.
W doświadczeniach wykazano, że siewki kanianki kierują wzrost w stronę źródeł określonych substancji lotnych. Potrafiły odróżniać potencjalnych gospodarzy, a skład mieszaniny chemicznej wpływał na ich wybór. W tym przypadku zapach rośliny zostaje przechwycony przez pasożyta i wykorzystany przeciwko niej.
Komunikacja chemiczna nie oznacza współpracy. Informację mogą wykorzystywać zapylacze, drapieżniki, pasożyty, roślinożercy, patogeny oraz konkurenci. Chemiczny kanał przypomina otwartą transmisję: jego przechwycenie nie jest zarezerwowane dla organizmu, któremu emisja przynosi korzyść.
Komunikacja pod ziemią
Gleba jest środowiskiem niezwykle bogatym chemicznie. Korzenie nie tylko pobierają wodę i składniki mineralne. Wydzielają także związki tworzące ryzosferę – strefę, w której bezpośredni wpływ korzenia zmienia właściwości chemiczne i biologiczne gleby.
W skład wydzielin korzeniowych mogą wchodzić:
- cukry i aminokwasy stanowiące źródło węgla i azotu dla mikroorganizmów;
- kwasy organiczne wpływające na dostępność składników mineralnych;
- flawonoidy uczestniczące w kontaktach z bakteriami brodawkowymi;
- kumaryny i związki fenolowe wpływające na mikrobiom oraz gospodarkę żelazem;
- śluz, enzymy, białka i fragmenty komórek;
- strigolaktony uczestniczące w dialogu z grzybami mikoryzowymi;
- substancje ograniczające kiełkowanie lub wzrost konkurentów.
Skład wydzieliny nie jest stały. Zależy od gatunku, wieku rośliny, części systemu korzeniowego, dostępności fosforu i azotu, stresu wodnego, obecności sąsiadów oraz składu mikroorganizmów. Mikroby dodatkowo przekształcają uwolnione cząsteczki, dlatego substancja wykryta w glebie nie musi mieć takiej samej postaci jak w momencie wydzielenia przez korzeń.
Flawonoidy i bakterie brodawkowe
Rośliny bobowate nawiązują symbiozę z bakteriami wiążącymi azot atmosferyczny. Korzeniowe flawonoidy mogą aktywować u odpowiednich bakterii geny nod. Mikroorganizmy wytwarzają następnie cząsteczki sygnałowe nazywane czynnikami Nod, które są rozpoznawane przez roślinę.
Uruchamia to precyzyjny program rozwojowy obejmujący deformację włośników, podziały komórkowe i powstanie brodawki korzeniowej. W jej wnętrzu bakterie przekształcają azot cząsteczkowy w formę użyteczną biologicznie, otrzymując od rośliny związki węgla.
Jest to przykład molekularnego dialogu między przedstawicielami różnych królestw życia. Jednocześnie roślina musi kontrolować partnera i odróżniać go od patogenów.
Strigolaktony i grzyby mikoryzowe
Przy niedoborze fosforu wiele roślin zwiększa wydzielanie strigolaktonów. Związki te wpływają na grzyby mikoryzy arbuskularnej, pobudzając rozgałęzianie strzępek i zwiększając prawdopodobieństwo kontaktu z korzeniem.
W przełomowym doświadczeniu z 2005 roku wyizolowany z wydzieliny korzeniowej lotosu strigolakton wywoływał intensywne rozgałęzianie strzępek grzyba Gigaspora margarita już przy bardzo małych stężeniach.
Po ustanowieniu symbiozy grzyb zwiększa zasięg eksploracji gleby i może dostarczać roślinie fosfor oraz inne składniki, otrzymując w zamian produkty fotosyntezy, głównie lipidy i cukry.
Ten sam kanał chemiczny bywa jednak przechwytywany przez nasiona pasożytniczych roślin z rodzajów Striga i Orobanche. Strigolakton informuje je, że w pobliżu znajduje się korzeń potencjalnego gospodarza, dzięki czemu kiełkują dopiero wtedy, gdy mają szansę szybko się do niego przyłączyć.
Mikoryza i „leśny internet” – co rzeczywiście wiadomo?
Korzenie różnych roślin mogą być kolonizowane przez strzępki tych samych grzybów mikoryzowych. Powstają wówczas wspólne sieci grzybni, określane jako CMN – common mycorrhizal networks. W doświadczeniach wykazywano przemieszczanie się przez takie układy znakowanego węgla, azotu lub fosforu, a także zmiany odpowiedzi obronnej roślin połączonych grzybnią.
Nie uzasadnia to jednak popularnej wizji lasu jako świadomego, altruistycznego internetu, w którym drzewa dowolnie rozdzielają zasoby i celowo przesyłają wiadomości potrzebującym sąsiadom.
Wynik eksperymentu może zależeć od:
- gatunku rośliny i grzyba;
- gradientu stężeń między organizmami;
- relacji źródło–odbiorca;
- konkurencji grzyba o węgiel;
- dyfuzji substancji przez glebę;
- przepływu wody;
- aktywności bakterii;
- bezpośrednich kontaktów korzeni;
- warunków sztucznego układu eksperymentalnego.
Samo stwierdzenie, że izotop znakowanego węgla pojawił się w sąsiedniej roślinie, nie dowodzi jeszcze celowego „karmienia” jej przez dawcę. Nie mówi także automatycznie, ile netto zyskuje odbiorca i czy transfer ma znaczenie ekologiczne w naturalnym lesie.
Wspólne sieci mikoryzowe są rzeczywistym zjawiskiem biologicznym. Kontrowersje dotyczą przede wszystkim skali, powszechności, kierunku przepływu i interpretacji funkcjonalnej. Najbezpieczniej opisywać je jako dynamiczne układy wymiany i oddziaływań roślin z grzybami, a nie jako dokładny odpowiednik sieci telekomunikacyjnej.
Allelopatia, konkurencja i chemiczna manipulacja
Substancje wydzielane przez roślinę mogą ograniczać kiełkowanie, wzrost korzeni, fotosyntezę albo pobieranie składników przez inne gatunki. Taki wpływ nazywa się allelopatią. Związki mogą trafiać do środowiska przez korzenie, opadające liście, rozkładające się szczątki, wymywanie przez deszcz albo emisję lotną.
Udowodnienie allelopatii w naturze jest trudniejsze, niż sugeruje doświadczenie wykonane na szalce Petriego. Substancja hamująca kiełkowanie w wysokim stężeniu laboratoryjnym może w glebie zostać szybko rozcieńczona, związana przez minerały albo rozłożona przez mikroorganizmy. Trzeba więc wykazać nie tylko aktywność związku, ale również jego obecność w ekologicznie realistycznym stężeniu.
Na rozwój sąsiada wpływa równocześnie konkurencja o wodę, światło, przestrzeń i składniki mineralne. Rozdzielenie działania chemicznego od pozostałych mechanizmów wymaga dobrze zaprojektowanych kontroli.
Nie każda allelopatia jest też komunikacją w ścisłym znaczeniu. Jeżeli związek bezpośrednio uszkadza komórki konkurenta, bardziej precyzyjne może być określenie go jako chemicznej broni. Jeżeli natomiast wywołuje u odbiorcy specyficzną zmianę programu rozwojowego, granica staje się mniej oczywista.
Jak roślina odbiera chemiczny sygnał?
Emisja substancji jest tylko pierwszym etapem. Aby mówić o przekazaniu informacji, cząsteczka musi dotrzeć do odbiorcy i wpłynąć na jego funkcjonowanie.
1. Kontakt z powierzchnią rośliny
Lotny związek dociera do liścia w zmiennej smudze powietrza. Może osiąść na kutykuli, rozpuścić się w jej lipidach albo dostać się do wnętrza przez aparaty szparkowe. W przypadku korzeni cząsteczki przemieszczają się w roztworze glebowym, przyłączają do cząstek gleby lub są transportowane i przekształcane przez mikroorganizmy.
2. Rozpoznanie albo przemiana chemiczna
W niektórych szlakach znane są receptory lub białka niezbędne do odpowiedzi. Dla wielu VOC dokładny pierwszy etap percepcji wciąż pozostaje niejasny. Cząsteczka może wiązać się z białkiem, zmieniać właściwości błony, zostać przekształcona do aktywniejszego metabolitu albo wpłynąć na stan redoks komórki.
Przykładem przetwarzania sygnału jest pobieranie (Z)-3-heksenolu emitowanego przez zaatakowanego sąsiada. Roślina odbierająca może przekształcić go w glikozyd o działaniu obronnym. Oznacza to, że przejęta z powietrza cząsteczka staje się substratem do produkcji własnego metabolitu.
3. Wtórne przekaźniki
Po wykryciu bodźca mogą pojawić się zmiany stężenia jonów wapnia, produkcja reaktywnych form tlenu, aktywacja kinaz białkowych i zmiany potencjału elektrycznego błon. Sygnały te rozchodzą się lokalnie lub systemowo.
4. Integracja z hormonami
Odpowiedź jest koordynowana przez sieć hormonów, przede wszystkim jasmoniany, kwas salicylowy, etylen, kwas abscysynowy i auksyny. Szlaki te nie działają niezależnie. Mogą się wzmacniać, osłabiać albo zmieniać priorytet zależnie od rodzaju zagrożenia.
5. Zmiana ekspresji genów i metabolizmu
Ostatecznie roślina może produkować inhibitory enzymów trawiennych owada, związki toksyczne lub odstraszające, wzmacniać ściany komórkowe, zmieniać emisję własnych VOC albo przygotować te procesy do szybszego uruchomienia po ataku.
Roślina nie potrzebuje mózgu, aby przetwarzać informacje. Integracja bodźców może zachodzić w sieciach receptorów, enzymów, kanałów jonowych, hormonów i regulowanych genów. Jest to złożona biochemia komórkowa, ale nie stanowi sama w sobie dowodu świadomości, emocji ani celowego myślenia.
Dlaczego komunikacja może się opłacać?
Z biologicznego punktu widzenia emisja i odbiór substancji chemicznych podlegają kosztom oraz korzyściom. Produkcja metabolitów zużywa węgiel, energię i składniki mineralne. Silna obrona może także spowalniać wzrost.
Potencjalne korzyści obejmują:
- szybsze przygotowanie niezaatakowanych części tej samej rośliny;
- uruchomienie obrony dopiero wtedy, gdy ryzyko ataku wzrasta;
- przyciągnięcie naturalnych wrogów roślinożercy;
- skuteczniejsze odnalezienie zapylacza;
- pozyskanie partnera mikoryzowego lub bakteryjnego;
- dostosowanie wzrostu korzeni do obecności sąsiadów;
- ograniczenie rozwoju konkurencyjnej roślinności.
Korzyść sąsiada nie musi oznaczać altruizmu nadawcy. Sąsiednia roślina może podsłuchiwać sygnał przeznaczony pierwotnie dla innych części tego samego osobnika, mikroorganizmów albo drapieżników. Nadawca może tolerować koszt „podsłuchu”, jeżeli emisja nadal zapewnia mu przewagę.
Znaczenie może mieć pokrewieństwo. Jeżeli pobliskie rośliny są genetycznie spokrewnione, korzyść odniesiona przez odbiorcę może pośrednio sprzyjać rozpowszechnianiu wspólnych genów. Wyniki nie są jednak jednakowe dla wszystkich gatunków i układów doświadczalnych.
Czego badania jeszcze nie wyjaśniły?
Eksperymenty nad komunikacją roślin są trudne, ponieważ badacze muszą oddzielić działanie konkretnej substancji od wielu innych bodźców. Uszkodzona roślina zmienia równocześnie zapach, fizjologię, przepływ wody, aktywność mikrobiomu oraz warunki w bezpośrednim otoczeniu.
Do najważniejszych ograniczeń należą:
- nierealistyczne stężenia – dawka stosowana w komorze laboratoryjnej może być wyższa niż występująca w terenie;
- zamknięte układy – w pojemniku VOC kumulują się, podczas gdy na otwartej przestrzeni są szybko rozpraszane;
- brak właściwych kontroli – trzeba wykluczyć kontakt korzeni, wspólną wodę, mikroorganizmy i różnice mikroklimatu;
- różnice gatunkowe – reakcja rzodkiewnika nie jest automatycznie właściwością drzew, traw i roślin uprawnych;
- problem intencji – korzyść odbiorcy nie dowodzi, że nadawca wyprodukował substancję po to, aby mu pomóc;
- różnica między reakcją molekularną a korzyścią ekologiczną – zmiana ekspresji genu nie musi zwiększać przeżycia lub liczby potomstwa;
- złożoność mieszanin – działanie pojedynczej oczyszczonej substancji może różnić się od działania naturalnego bukietu zapachowego.
Zanieczyszczenie powietrza może zakłócać chemiczne informacje
Ozon, rodniki azotanowe i inne reaktywne składniki atmosfery mogą przekształcać terpeny oraz pozostałe VOC. Skracają czas utrzymywania się smugi zapachowej i zmieniają proporcje związków docierających do odbiorcy.
Może to utrudniać zapylaczom odnalezienie kwiatów, drapieżnikom lokalizację roślinożerców, a roślinom – wykrywanie sygnałów sąsiadów. Skala efektu zależy od związku, pogody, odległości oraz lokalnego poziomu zanieczyszczeń.
Zmiana klimatu może dodatkowo modyfikować emisję. Temperatura, susza i stężenie dwutlenku węgla wpływają na metabolizm roślin, aktywność aparatów szparkowych oraz ilość uwalnianych substancji. Chemiczna sieć ekosystemu nie jest więc odporna na przemiany środowiska.
Czy chemiczną komunikację można wykorzystać w rolnictwie?
Zrozumienie chemicznych oddziaływań roślin otwiera możliwość ograniczania strat przy mniejszym wykorzystaniu insektycydów. Nie oznacza to jednak, że wystarczy rozpylić jeden „zapach alarmowy”.
Odmiany przyciągające naturalnych wrogów szkodników
Hodowla roślin mogłaby uwzględniać zdolność do emisji mieszanin skutecznie przyciągających drapieżniki i parazytoidy. Niektóre nowoczesne odmiany mogły utracić część takich cech w trakcie selekcji ukierunkowanej głównie na plon.
Uprawy typu push–pull
W systemie „odpychaj–przyciągaj” rośliny towarzyszące zniechęcają szkodnika do żerowania na głównej uprawie, a rośliny pułapkowe przyciągają go w inne miejsce. Istotną rolę odgrywają tutaj bodźce zapachowe, choć działanie systemu obejmuje również strukturę łanu, jakość pokarmu i naturalnych wrogów.
Priming obrony
Substancje chemiczne albo odpowiednio dobrane mikroorganizmy mogą wprowadzać roślinę w stan gotowości obronnej. Korzyścią byłaby szybsza reakcja po ataku bez kosztu ciągłej, maksymalnej produkcji metabolitów obronnych.
Manipulowanie mikrobiomem korzeni
Dobór roślin, nawożenia i mikroorganizmów wpływających na wydzieliny korzeniowe może poprawiać pobieranie składników mineralnych oraz odporność. Trzeba jednak uwzględniać lokalną glebę i istniejącą wspólnotę mikroorganizmów. Preparat skuteczny w sterylnym podłożu nie musi działać w polu.
Wykrywanie stresu na podstawie zapachu
Czujniki analizujące profil VOC mogłyby rozpoznawać stres, infekcję albo żerowanie przed pojawieniem się wyraźnych objawów wzrokowych. Problemem pozostaje odróżnienie sygnału choroby od zmian wywołanych temperaturą, suszą czy naturalnym etapem rozwoju.
Od laboratorium do pola prowadzi długa droga. Technologia oparta na roślinnych VOC musi działać mimo wiatru, deszczu, zmiennej temperatury, różnic odmianowych i obecności setek innych zapachów. Potrzebne jest również sprawdzenie, czy nie przyciąga dodatkowych szkodników lub nie zakłóca zachowania pożytecznych owadów.
Co warto zapamiętać?
Rośliny są osiadłe, ale nie są bierne. Stale monitorują własne tkanki i środowisko, wykrywają substancje pochodzące od innych organizmów oraz modyfikują wzrost, metabolizm i obronę.
Nad ziemią rolę nośników informacji pełnią przede wszystkim lotne związki organiczne. Mogą informować o uszkodzeniu, przyciągać zapylacze, naprowadzać naturalnych wrogów roślinożerców i przygotowywać sąsiednie tkanki do ataku. Pod ziemią korzenie wpływają na bakterie, grzyby, pasożyty i konkurentów poprzez złożone wydzieliny korzeniowe.
Najbardziej fascynujące jest to, że jedna cząsteczka może uzyskać różne znaczenia zależnie od odbiorcy. Dla sąsiedniej rośliny jest ostrzeżeniem, dla parazytoida drogowskazem, dla roślinożercy informacją o pokarmie, a dla pasożyta wskazówką prowadzącą do gospodarza.
Nie jest to rozmowa w ludzkim rozumieniu. To dynamiczny system chemicznych emisji, receptorów, enzymów, wtórnych przekaźników i odpowiedzi ewolucyjnie ukształtowanych w środowisku pełnym współpracy, konkurencji oraz biologicznego „podsłuchiwania”.
Pytania i odpowiedzi
Czy rośliny rozmawiają ze sobą?
Rośliny przekazują i odbierają bodźce chemiczne, które zmieniają fizjologię innych roślin. Określanie tego jako rozmowy jest jednak metaforą. Nie wykazano, aby rośliny tworzyły świadome komunikaty na wzór ludzkiego języka.
Czy zapach skoszonej trawy jest wołaniem o pomoc?
Zapach ten tworzą głównie zielone związki lotne liści uwalniane i syntetyzowane po uszkodzeniu tkanek. Mogą być wykrywane przez inne rośliny i zwierzęta, ale określenie „wołanie o pomoc” nadmiernie przypisuje roślinie intencję.
Czy drzewa przesyłają sobie informacje przez grzybnię?
Wspólne sieci mikoryzowe mogą łączyć korzenie różnych roślin, a badania wykazują transport wybranych substancji i zmiany odpowiedzi obronnych. Zakres, kierunek i ekologiczne znaczenie tych procesów zależą jednak od warunków. Popularna wizja świadomego „leśnego internetu” wykracza poza dostępne dowody.
Czy roślina rozpoznaje, jaki owad ją atakuje?
Roślina może reagować nie tylko na mechaniczne uszkodzenie, lecz także na składniki śliny, wydzielin lub jaj określonych owadów. W rezultacie różni napastnicy mogą wywoływać odmienne profile hormonów i substancji lotnych. Nie jest to jednak rozpoznanie świadome.
Czy rośliny mogą wyczuwać zagrożenie z wyprzedzeniem?
Kontakt z lotnymi substancjami emitowanymi przez zaatakowanego sąsiada może wprowadzić roślinę w stan primingu. Dzięki temu po rzeczywistym ataku reakcja obronna bywa szybsza albo silniejsza.
Czy rośliny rozpoznają swoich krewnych?
U niektórych gatunków obserwowano reakcje zależne od pokrewieństwa albo podobieństwa chemicznego. Wyniki nie są jednak uniwersalne, a mechanizmy mogą obejmować zarówno wydzieliny korzeni, jak i lotne związki oraz mikroorganizmy.
Czy chemiczna komunikacja oznacza, że rośliny są świadome?
Nie. Wykrywanie bodźców, sygnalizacja wapniowa, regulacja genów i elastyczna odpowiedź są przejawami złożonej biologii. Same w sobie nie dowodzą istnienia świadomości, myśli ani emocji.
Źródła naukowe
- Aratani Y. i wsp., „Green leaf volatile sensory calcium transduction in Arabidopsis”, Nature Communications, 2023; 14:6236. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41589-9
- Sugimoto K. i wsp., „Intake and transformation to a glycoside of (Z)-3-hexenol from infested neighbors reveals a mode of plant odor reception and defense”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; 111(19):7144–7149. https://doi.org/10.1073/pnas.1320660111
- Karban R. i wsp., „Damage-induced resistance in sagebrush: volatiles are key to intra- and interplant communication”, Ecology, 2006; 87(4):922–930. DOI publikacji
- Shulaev V., Silverman P., Raskin I., „Airborne signalling by methyl salicylate in plant pathogen resistance”, Nature, 1997; 385:718–721. https://doi.org/10.1038/385718a0
- Turlings T.C.J., Tumlinson J.H., Lewis W.J., „Exploitation of herbivore-induced plant odors by host-seeking parasitic wask+kps”, Science, 1990; 250(4985):1251–1253. https://doi.org/10.112+k+6/science.250.4985.1251
- Dicke M. i wsp., „Infochemical use by natural enemies in a tritrophic context: consequences for plant fitness”, <k+em>Entomologia Experimentalis et Applicata, 1990; 56:207–214. https://doi.org/10.1111/j.1570-7458.1990.tb01401.x
- Runyon J.B., Mescher M.C., De Moraes C.M., „Volatile chemical cues guide host location and host selection by parasitic plants”, Science</uk+em>, 2006; 313(5795):1964–1967. https://doi.org/10.1126/science.1131371
- Akiyama K., Matsuzaki K., Hayashi H., „Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi”, Nature</k+em>, 2005; 435:824–827. https://doi.org/10.1038/nature036+k+08
- Oldroyd G.E.D., Murray J.D., Poole P.S., Downie J.A., „The rules of engagement in the legume–rhizobial symbiosis”, Annual Review of Genetics, 2011; 45:119–144. https://doi.org/10.1146/annurev-genet-110410-132549
- Heil M., Karban R., „Explaining evolution of plant communication by airborne signals”, Trends in Ecology & Evolution, 2010; 25(3):137–144. https://doi.org/10.1016/j.tree.2009.09.010
- Ninkovic V., Markovic D., Rensing M., „Plant volatiles as cues and signals in plant communication”, <k+em>Plant, Cell & Environment, 2021; 44(4):1030–1043. https://doi.org/10.1111/pce.13910
- Karban R., Yang L.H., Edwards K.F., „Volatile communication between plants that affects herbivory: a meta-analysis”, Ecology Letters, 2014; 17(1):44–52. https://doi.org/10.1111/ele.12205
- Kegge W., Pierik R., „Biogenic volatile organic compounds and plant competition”, Trends in Plant Science</k+em>, 2010; 15(3):126–132. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.007
- Babikova Z. i wsp., „Underground signals carried through common mycelial networks warn neighbouring plants of aphid attack”, Ecology Letters, 2013; 16(7):835–843. https://doi.org/10.1111/ele.12115
- Karst J., Jones M.D., Hoeksema J.D., „Positive citation bias and overinterpreted results lead to misinformation on common mycorrhizal networks in forests”, Nature Ecology & Evolution, 2023; 7:501–511. https://doi.org/10.1038/s41559-023-01986-1
- Peñuelas J. i wsp., „Biogenic volatile emissions from the soil”, Plant, Cell & Environment, 2014; 37(8):1866–1891. https://doi.org/10.1111/pce.12340
- Rosenkranz M. i wsp., „The ecology of plant–microbe–insect interactions mediated by volatile organic compounds”, Journal of Chemical Ecology, 2021; 47:411–429. https://doi.org/10.1007/s10886-021-01255-4
Artykuł ma charakter popularnonaukowy. Określenia takie jak „język”, „ostrzeżenie”, „podsłuchiwanie” i „wezwanie ochroniarzy” są metaforami opisującymi mierzalne procesy chemiczne i fizjologiczne, a nie dowodem świadomej komunikacji roślin.
