В одном видео вы можете увидеть голодную гусеницу, которая сначала обходит края листа, приближается к основанию листа и последним укусом отделяет его от остальной части растения. Через несколько секунд вспышка флуоресцентного света омывает другие листья, сигнализируя о том, что они должны готовиться к будущим атакам гусеницы или ее сородичей.
Этот флуоресцентный свет отслеживает кальций, проносящийся по тканям растения, обеспечивая электрический и химический сигнал об угрозе. В более чем дюжине таких видеороликов профессор ботаники Университета Висконсин-Мэдисон Саймон Гилрой и его лаборатория показывают, как глутамат - широко распространенный нейротрансмиттер у животных - активирует эту волну кальция, когда растение ранено. Видео лучше всего показывают системы связи на заводах, которые обычно скрыты от глаз.
Исследование опубликовано 14 сентября в журнале Science. Масацугу Тойота руководил работой в качестве постдокторанта в лаборатории Гилроя. Гилрой и Тойота, в настоящее время работающие в Университете Сайтама в Японии, сотрудничали с исследователями из Японского агентства по науке и технологиям, Университета штата Мичиган и Университета Миссури.
«Мы знаем, что существует эта системная сигнальная система, и если вы пораните одно место, остальная часть растения вызовет защитные реакции», - говорит Гилрой. «Но мы не знали, что стоит за этой системой».
«Мы знаем, что если скрутить лист, вы получите электрический заряд, который распространится по растению», - добавляет Гилрой. Что вызвало этот электрический заряд и как он распространился по заводу, было неизвестно.
Но кальций был одним из кандидатов. Повсеместно присутствующий в клетках кальций часто действует как сигнал об изменении внешней среды. А поскольку кальций несет заряд, он также может генерировать электрический сигнал. Но кальций эфемерен, его концентрация быстро возрастает и падает. Исследователям нужен был способ увидеть кальций в режиме реального времени.
Так что Тойота разработала растения, которые показали кальций в совершенно новом свете. Растения производят белок, который флуоресцирует только вокруг кальция, что позволяет исследователям отслеживать его присутствие и концентрацию. Затем последовали укусы гусениц, порезы ножницами и раздавливающие раны.
В ответ на каждый вид повреждения на видео видно, как растения загораются, когда кальций перетекает с места повреждения на другие листья. Сигнал двигался быстро, примерно один миллиметр в секунду. Это всего лишь часть скорости нервных импульсов животных, но в растительном мире они молниеносны - достаточно быстры, чтобы распространиться на другие листья всего за пару минут. Потребовалось всего несколько минут, чтобы уровни гормонов, связанных с защитой, резко возросли в дальних листьях. Эти защитные гормоны помогают подготовить растение к будущим угрозам, например, повышая уровень вредных химических веществ для защиты от хищников.
Предыдущее исследование швейцарского ученого Теда Фармера показало, что электрические сигналы, связанные с защитой, зависят от рецепторов глутамата, аминокислоты, которая является основным нейротрансмиттером у животных, а также распространена у растений. Фармер показал, что мутантные растения, у которых отсутствуют рецепторы глутамата, также потеряли свои электрические реакции на угрозы. Итак, Тойота и Гилрой изучили выделение кальция при повреждении этих растений-мутантов.
«Смотрите, мутанты, которые отключают электрические сигналы, также полностью отключают сигналы кальция», - говорит Гилрой.
Там, где нормальные растения ярко светятся флуоресцентными кальциевыми волнами во время ранения, на видео видно, как растения-мутанты едва излучают маргинальные вспышки света. Эти результаты свидетельствуют о том, что глутамат, выделяющийся из ран, вызывает всплеск кальция, который распространяется по растению.
Исследование объединяет десятилетия исследований, которые показали, как растения, часто считающиеся инертными, динамично реагируют на угрозы, подготавливая отдаленные ткани к будущим атакам. Глутамат ведет к кальцию, ведет к гормонам защиты и изменению роста и биохимии, и все это без нервной системы.
Гилрой говорит, что в дополнение к тому, что они помогают связать все эти части воедино, видео помогают ему визуализировать шквал активности внутри растений, который обычно невидим.
"Без визуализации и наблюдения за тем, как все это разыгрывается перед вами, это так и не было доведено до конца - чувак, это быстро!" - говорит он.
Видео: