Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie i z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu sprawdzają, czy rośliny wydają odgłosy w sytuacjach dla nich stresowych, np. niedoboru wody, nadmiernego przesuszenia albo ataku szkodników.
Rośliny wydają dźwięki o częstotliwościach niesłyszalnych dla ludzkiego ucha, dlatego akustycy z AGH przy użyciu specjalistycznych, czułych na ultradźwięki mikrofonów próbują rejestrować odgłosy emitowane przez rośliny.
Dane dostarczane przez akustyków mogą w niedalekiej przyszłości być wsparciem dla sadowników oraz podnieść jakość uprawianych roślin.
"Tego typu badania uznajemy za innowacyjne, a wyniki mogą nam pomóc m.in. w badaniach nad stresem roślin wywoływanym przez czynniki fizjologiczne - takie jak niedobór wody, nadmierna temperatura, niedostatek składników pokarmowych, jak również tymi spowodowanym przez choroby i szkodniki. W produkcji ogrodniczej szybkie, a w tym wypadu również bezinwazyjne rozpoznanie problemu determinuje skuteczność działań podejmowanych przez producentów" – powiedział dr inż. Janusz Mazurek z Katedry Ogrodnictwa UPWr, cytowany w komunikacie AGH.
Wyniki pomiarów mogą pomóc w badaniach nad stresem roślin_fot. Piotr Książek
Pierwszy i drugi etap badań już się zakończył. Planowane są kolejne.
W pierwszym etapie akustycy z AGH rejestrowali odgłosy emitowane przez rośliny w szklarni Ośrodka Zaawansowanych Technologii Produkcji Ogrodniczej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. W drugim etapie rośliny podsłuchiwane były w komorze bezechowej Laboratorium Akustyki Technicznej w AGH w Krakowie.
We wrocławskiej szklarni naukowcy próbowali wychwycić dźwięki sadzonek pomidorów, które przy odpowiednich warunkach szybko rosną. Badane pomidory osiągały do 30 cm na tydzień. „Pomiary w szklarni pokazały, że faktycznie rośliny emitowały impulsy w ultradźwiękach i ich częstotliwość zmieniała się w zależności od pory dnia. Więcej impulsów rośliny generowały w ciągu dnia” – zauważył dr inż. Bartłomiej Chojnacki z Laboratorium Akustyki Technicznej AGH.
Dźwięki generowane przez rośliny to tzw. hałas impulsowy, który – jak wyjaśniają akustycy – jest łatwy do odróżnienia od np. hałasu stałego generowanego przez oświetlenie, sprzęt czy ludzi. Zatem wyniki pozyskane z pomiarów z wrocławskich szklarni potwierdzają nieliczne dotychczasowe badania na roślinach (wyniki badań przeprowadzonych na roślinach opublikował zespół z Uniwersytetu w Tel Awiwie).
Z pomocą hodowcom roślin przychodzą akustycy z AGH_etap badań w szklarniach UP we Wrocławiu_fot. Piotr Książek
Pomiary w komorze bezechowej AGH prowadzone były w już w warunkach kontrolowanych przez człowieka. Tu wykorzystano mikrofony do zastosowań bioakustycznych. Dzięki takiemu sprzętowi naukowcy są w stanie rejestrować dźwięki powyżej 200 kHz (kiloherców). Zakres pomiarowy sprzętu pozwala tym samym eksperymentować z różnymi roślinami, które emitują impulsy dźwiękowe na różnych częstotliwościach. Badane pomidory hałasowały w zakresie 20-50 kHz.
„Jednak już np. zboża czy winorośl wymaga całkiem innego sprzętu o dużo większej czułości na ultradźwięki i szerszego zakresu częstotliwości. Zgodnie ze znaną nam literaturą rośliny te emitują impulsy w zakresie 80-150 kHz” – zwrócił uwagę Bartłomiej Chojnacki.
Badania w komorze bezechowej AGH trwały kilka tygodni. Naukowcy umieścili roślinę w kontrolowanym środowisku akustycznym o poziomie tła akustycznego poniżej 0 dB (decybeli) i braku dodatkowych odbić dźwięku, a następnie rozmieścili wokół rośliny 8 specjalistycznych mikrofonów. W ten sposób, oprócz samej rejestracji sygnału, mogli sprawdzić także kierunkowości dźwięku, to znaczy kierunku, w jakim dźwięk jest emitowany. „To stanowi novum w dotychczasowych badaniach nad dźwiękami emitowanymi przez rośliny. Na podstawie tak prowadzonych badań możliwe będzie ustalenie, który element rośliny emituje dźwięk, a następnie szczegółowa analiza jego pochodzenia” – wyjaśnił Chojnacki.
Ten etap badań przeprowadzony był już w warunkach całkowicie kontrolowanych, w komorze bezechowej Laboratorium Akustyki Technicznej w AGH w Krakowie_ fot. K. i B. Chojnaccy
Przebadano kilka sadzonek, najpierw podtrzymując odpowiednie nawożenie i podlewanie w celu uzyskania danych kontrolnych, a następnie przesuszając roślinę, aż do jej całkowitego wysuszenia.
Wstępna analiza danych pozyskanych z pomiarów w AGH wskazuje, że podobnie jak w szklarniach pomidory emitowały impulsy dźwiękowe na poziomie 30-50 kHz. Intensyfikacja impulsów następowała w momencie, kiedy roślina była przesuszona.
Naukowcy z AGH zwrócili uwagę, że badania akustyczne mogłyby znaleźć zastosowanie w zyskujących na popularności hodowlach kontrolowanych roślin. Oprócz danych związanych z wilgotnością czy temperaturą otoczenia hodowcy mogliby na podstawie sygnału bezpośrednio od rośliny decydować o wzmocnieniu nawożenia, intensywniejszym podlewaniu czy ochronie przed szkodnikami, bez fizycznej obecności na miejscu.
Rośliny ostrzegają siebie nawzajem za pośrednictwem sygnałów elektrycznych, przesyłanych na powierzchni liści. Nowy mechanizm komunikacji roślin opisał i wyjaśnił zespół kierowany przez polskiego naukowca.
Zespół naukowców kierowany przez prof. Stanisława Karpińskiego z SGGW w Warszawie we współpracy z naukowcami z University of Missouri (USA) po raz pierwszy opisał kwantowo-molekularne i fizjologiczne podstawy nieznanej wcześniej formy komunikacji między roślinami oraz uruchamiany w jej wyniku mechanizm, nazwany Sieciową Nabytą Aklimatyzacją (ang. Network Acquired Acclimation, NAA). Wyniki badań przedstawiono w The Plant Cell, najbardziej prestiżowym czasopiśmie publikującym artykuły z zakresu biologii komórki roślin.
“Wyobraźmy sobie łąkę pełną mleczy (mniszków lekarskich). To nie tylko mnóstwo pięknych, żółtych kwiatów, ale i gęstwina liści różnych gatunków roślin, które się stykają” - opisuje w rozmowie z PAP kierownik zespołu prof. S. Karpiński z SGGW w Warszawie. - “Kiedy pojedynczy liść mniszka zostanie zraniony, informacja szybko rozprzestrzenia się w formie sygnału elektrycznego po całej roślinie i przekazywana jest dalej do liści innych roślin. Jeden mniszek ‘mówi’ do sąsiada zakodowanym sygnałem elektrycznym: ‘zraniono mnie, uważajcie!’ Cała łąka aż huczy od informacji przesyłanych między roślinami”.
W jednym z eksperymentów zetknięto liście dwóch mniszków lekarskich. Jeden z nich połączono obwodem elektrycznym z liśćmi mimozy, która jest znana z gwałtownego opuszczania liści w reakcji na dotyk. W nagraniu wideo zarejestrowano, że gdy pierwszy z mniszków delikatnie dotykany jest drucikiem, po kilku sekundach… składają się liście mimozy. Sygnał elektryczny przekazany został z dotykanego liścia mniszka na drugi liść, który z kolei stykał się z liściem drugiego mniszka, a następnie - z drugiego mniszka - sygnał powędrował w obwodzie elektrycznym do mimozy.
“Taki sygnał elektryczny jest przekazywany całkiem szybko w kontekście reakcji roślin; pokonuje kilka milimetrów do kilku centymetrów na sekundę. Warunkiem jest wilgotne środowisko dla zamknięcia obwodu elektrycznego” - mówi prof. S. Karpiński.
Ludzie czy zwierzęta, kiedy doświadczają niebezpieczeństwa, mogą na przykład uciec, ograniczać zagrożenie czy podejmować działania informacyjne. Roślina nie może uciec, ma inne strategie obrony, ale również efektywnie przekazuje informacje o niebezpieczeństwie. Wiadomo już było, że rośliny mogą przesyłać sobie sygnały chemiczne - np. gdy liście z afrykańskich akacji zjadane są przez żyrafy, syntetyzować zaczynają lotne związki chemiczne (np. metylowane jasmoniany). To sygnał dla sąsiadujących roślin i liści, by produkowały gorzkie alkaloidy, substancje zmieniające smak - a przez to zmniejszające ich atrakcyjność jako pożywienie. Wiadomo też było, że korzenie sąsiadujących roślin komunikują swoim sąsiadom sygnały o dostępności wody i minerałów za pośrednictwem strzępek grzybów glebowych...
Filmik z eksperymentu, który pokazuje, że informacja elektryczna przepływa między liśćmi różnych roślin. Źródło: The Plant Cell, M.Szechyńska-Hebda et all. doi/10.1093/plcell/koac150/6589903
Filmik z eksperymentu, który pokazuje, że informacja elektryczna przepływa między liśćmi różnych roślin. Źródło: The Plant Cell, M.Szechyńska-Hebda et all.
doi/10.1093/plcell/koac150/6589903
„Teraz do listy mechanizmów komunikacji dołączył sygnał elektryczny przenoszony na powierzchni liści. Umiejętność wczesnego wykrywania niebezpieczeństwa niewątpliwie umożliwia indywidualnej roślinie przetrwanie, a szybka komunikacja pomiędzy roślinami może ułatwić przygotowanie do niebezpieczeństwa całej populacji roślin" – podkreśla wiodąca współautorka opublikowanych badań, dr hab. Magdalena Szechyńska-Hebda z Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin - Państwowego Instytutu Badawczego. Dodaje, że ten nieznany dotąd mechanizm przesyłania informacji w elektrycznych sygnałach po powierzchni liści może być priorytetowy, gdy sygnały chemiczne czy korzeniowe są zbyt wolne. Albo gdy roślinie trudno zdefiniować konkretnego odbiorcę jej sygnału - np. w wilgotnej gęstwinie roślin.
"Rośliny nie są takimi prymitywnymi organizmami, jak się wydaje. Wielką mnogość bodźców mogą odbierać, przetwarzać i fizjologicznie zapamiętywać. Stopień komunikacji między komórkami roślin jest tak samo skomplikowany, jak w tkance nerwowej zwierząt” - precyzuje prof. S. Karpiński.
“Nasze badania potwierdzają, że powierzchniowe sygnały elektryczne funkcjonują jako łącze komunikacyjne między roślinami, które są zorganizowane jako globalna sieć (społeczność) roślin - tak, jak to James Cameron przedstawił w filmie ‘Awatar’. Działają więc trochę jak Facebook czy Twitter” - mówi naukowiec z SGGW w Warszawie.
„Można sobie wyobrazić w niedalekiej przyszłości podłączenie do roślin amplifikatora sygnałów elektrycznych i wykorzystanie odkrytych mechanizmów jako elementu systemu wczesnego ostrzegania przed porażeniem roślin przez patogeny nekrotroficzne, szkodniki, lub przed innymi uszkodzeniami roślin w rolnictwie precyzyjnym” – mówią autorzy publikacji.
Na razie nie wiadomo, czy między liśćmi przesyłane są jedynie informacje zero-jedynkowe o niebezpieczeństwie, czy komunikacja jest bardziej zaawansowana w kontekście natężenia, częstotliwości, wielokrotności sygnałów. Nie wiadomo też, czy rośliny przekazują tylko „uczciwy” sygnał swoim sąsiadom, czy też mogą przesyłać i sygnały wprowadzające w błąd konkurencję. ”To całkiem nowy obszar badań. Jedno odkrycie prowadzi do całej serii kolejnych odkryć, nad którymi już pracujemy” - mówi prof. S. Karpiński.
Naukowiec tłumaczy, że mechanizm NAA, który pozwala komunikować się roślinom, musi być bardzo stary ewolucyjnie - sygnał elektryczny powstaje bowiem za pośrednictwem chloroplastów, odpowiedzialnych za proces fotosyntezy, które są kluczowym dla życia roślin organellum komórkowym. Można zatem założyć, że wszystkie zielone gatunki roślin, drzewa, byliny, paprocie, czy mchy i wodorosty mogą wytwarzać powierzchniowe sygnały elektryczne.
„Fascynujący jest fakt, że rośliny mogą przekazywać tak precyzyjnie informacje w systemie nadziemnym - ponieważ oznacza to, że ten sam system mogą wykorzystywać do ‘komunikacji’ z innymi organizmami, np. zapylającymi je owadami” – dodają autorzy badania.
Prof. Karpiński wskazuje, że odkryciu i opisaniu mechanizmu Sieciowej Nabytej Aklimatyzacji (NAA) sprzyjały dwa wcześniejsze ważne odkrycia. Jedno dotyczy Systemowej Nabytej Aklimatyzacji (ang. SAA, więcej w publikacji: Science, 1999), drugie - Świetlnej Pamięci Komórkowej w obrębie jednej rośliny (CLM – więcej w publikacji w The Plant Cell, 2010). Kluczową rolę w obu tych fizjologicznych procesach odgrywają zintegrowane sygnały elektryczne, mechanizm niefotochemicznego wygaszania nadmiaru zaabsorbowanej energii w fotosystemach (ang. non-photochemical quenching, NPQ), oraz reaktywne formy tlenu (ang. Reactive Oxygen Species, ROS).
„Obecnie stwierdziliśmy, że sygnały elektryczne i reaktywne formy tlenu mogą być bezpośrednio przesyłane między dwoma różnymi roślinami i mogą regulować zmiany NPQ w sąsiadujących roślinach, czego dotychczas nie było wiadomo. Odkryliśmy nowy rodzaj bezpośredniej komunikacji naziemnej między roślinami, obejmujący: sygnalizację elektryczną na powierzchni liści, reaktywne formy tlenu i sieć fotosystemów. Sygnał elektryczny wywołany zranieniem lub silnym stresem świetlnym w pojedynczym liściu mniszka lekarskiego może zostać przekazany przez opisane wcześniej przez nasz zespół mechanizmy SAA i CLM do wszystkich liści tego mniszka i do rośliny, która jest w bezpośrednim kontakcie z jednym z liści stymulowanej rośliny. Zaś przez nowoopisany mechanizm NAA powoduje to zmiany w obu roślinach. Co więcej, podobne zmiany mogą być indukowane w sieci roślin połączonych szeregowo ze sobą wyłącznie za pomocą styku liści” - opisuje prof. Stanisław Karpiński. I dodaje, że w średnim drzewie z tysiącem liści mamy biliony możliwych wirtualnych komunikacyjnych połączeń między poszczególnymi fotosystemami.
Badania były finansowane przez NCN.
Źródło: naukawpolsce.pl, PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala i inni
lt/ zan/
