Как растения поддерживают связь?

Новикова Татьяна Игоревн, магистрант 1 курса

Аннотация. Если кто-то позади вас похлопал вас по плечу, вашим первым ответом, вероятно, будет повернуться. Все живые организмы реагируют на раздражители, и растения не исключение из этого правила. Но поскольку они не могут поворачиваться, как они отвечают на легкий контакт с соседними растениями? Связаны ли растения со своими соседями? Мы искали ответ на этот вопрос. Мы слегка прикоснулись к растениям картофеля и измерили изменения в их трихомах (волосах растений), распределении биомассы, и выявили летучие соединения, которые они выпустили. Мы также проанализированы изменения в структуре, физиологии растений и взаимодействие с насекомыми.

Наши результаты показали, что растения действительно реагируют на легкое прикосновение с соседними растениями. Это влияет на их структуру таким образом, они становятся короче по сравнению с нетронутыми растениями. Любопытно, что насекомые не чувствуют запаха растений, которых уже кто-то потрогал, и предпочитают их нетронутые аналоги.

Введение. Как и людям, растениям может быть трудно жить друг с другом. Однако, в отличие от людей, растения не могут собраться и переехать в другой место. Чтобы выжить, они вынуждены чувствовать и реагировать на сигналы своих соседей. Изменения количества солнечного света или химических веществ в почве дают растениям сигналы о соседях. Кончики листьев растений также могут соприкасаться с соседними растениями из-за ветра или отсутствия пространства. Эти механические раздражители могут быть еще одним способом получения растениями информации о своих соседях. Растения по-разному реагируют на механические раздражители. Например, очень небольшая группа растений, включая Mimosa pudica и Venus (ловушки для мух), реагируют очень быстро. Венера закрывает свои ловушки, тогда как Mimosa pudica загибается внутрь при прикосновении. В большинстве случаев, растения, изменяют свою структуру или физиологию в течение более длительного периода времени. Растения - основа всех пищевых цепей. На изменения в растениях может повлиять их взаимодействие с другими организмами. Например, травоядные насекомые очень чувствительны к изменениям растений. Изменение в статусе растения-хозяина может привести к увеличению или уменьшению популяции травоядных насекомых. Это может иметь последствия для выращивания сельскохозяйственных культур. В этом исследовании мы использовали растения картофеля, чтобы изучить влияние прикосновений к соседним растениям. Мы изучили следующие изменения у затронутых и нетронутых (контрольных) растений: 1. Распределение биомассы, 2. Количество трихом (волосков растения), 3. Выделение летучих химических соединений, 4. Их влияние на запаховые предпочтения травоядных насекомых.

Методы. Мы использовали важную овощную культуру для питания человека - картофель (Solanum tuberosum) - как наше модельное растение. Два самых вредных вредителя для картофеля: картофельная тля и зеленая персиковая тля. Мы использовали эти два вида тлей как травоядных насекомых нашего исследования. Для имитации контакта с соседним растением мы использовали мягкую кисть, чтобы прикоснуться к концам листьев каждого растения картофеля на 1 мин в день (мы называем эти растения «обработанными»). После 8-го дня собраны пробы воздуха с летучими соединениями, выделяемыми растениями и идентифицированы газы. Мы использовали другую группу растений для изучения взаимодействия тли с растениями. Мы поместили тлю в специальную камеру, где они могли почувствовать запах растения, к которому прикоснулись, и нетронутого растения. Чтобы определить запаховые предпочтения тли, мы подсчитали количество посещений каждой тлей обработанных и необработанных растений. Мы начали структурный анализ после 17-го дня эксперимента. Мы собрали растения и измерили стебель, ветви и массу листьев каждого из них. Мы рассчитали массовое соотношение каждой части. Собрали затронутые концевые листья и первичные листья той же ветки. Мы проанализировали структурные изменения на поверхности листьев путем определения количества трихом.

Результаты. Наши данные показали, что прикосновение привело к снижению по высоте растений и массовой доли стебля, но увеличение по массовой доле ветвей и листьев. В результате этих изменений, тронутые растения стали короче по сравнению с контрольной группой. Что касается трихом, мы обнаружили, что обработанные терминальные листья не показали значительных изменений. Тем не менее первичные листья на одних и тех же ветвях показали значительное увеличение количества трихом. Мы обнаружили 16 различных летучих соединений, выделяемых картофельные растениями. Общее количество высвобожденных соединений по тронутым и контрольным растениям было равным, но точное количество каждого из соединений было различным. Оба вида тлей показали значительно меньшее предпочтение к запаху прикосновения картофеля по сравнению с необработанными растениями. Обсуждение. Растения явно находятся в контакте со своими соседями. Oни перепрограммируют себя разными способами, когда чувствуют легкие прикосновения, но почему? Давайте сначала проанализируем структурные изменения. Тронутые растения изменили свое распределение биомассы и стали более компактнее, чем другие. Это обычный ответ на механические раздражители среди видов растений и заставляет их быть более устойчивыми к потенциальным повреждениям. Например, растения которые живут в очень ветреной среде, как правило, имеют более короткие и более коренастые стволы, чем растения того же вида, которые растут в менее ветренной среде. Кроме того, у компактных растений может быть больше шансов на выживание, так как им нужно соревноваться за место с соседними растениями. Что касается физиологических изменений, увеличение поверхности листа и количество трихом помогает растениям использовать солнечный свет и фотосинтезировать более эффективно. Это может быть очень полезно когда ресурсов не хватает и дает растениям конкурентоспособное преимущество над соперниками. А как насчет взаимодействия растений и насекомых? Тля и др. травоядные насекомые используют обоняние, чтобы найти растения-хозяева. В нашем исследовании изменения в смеси летучих соединения изменили запах затронутых растений и сделали их менее привлекательными для тли. Заключение. Ученые используют причинно-следственный анализ, чтобы понять сложные взаимоотношения между организмами. Как мы видим в наших результатах, легкое прикосновение между растениями может вызвать изменения в их строении и физиологии. Кроме того, делая растения менее привлекательными, эти изменения могут распространяться на организмы более высоких трофических уровней.

Может ли реакция растений на механические стимулы иметь экологическое и эволюционное значение? Возможно, но отвечая на это потребуются дальнейшие исследования. Теперь главный вопрос: может ли стимул, столь же тонкий, как прикосновение, вести к эволюционным изменениям в растениях и организмах, стоящих выше в пищевой цепочке? Может быть эволюция растений картофеля разворачивается прямо на наших глазах?

Вопросы.

1. Реакция растений на механические раздражители – прикосновения соседних растений, анализируется в этом исследовании. Можете ли вы вспомнить другие стимулы, которые заставляют растения реагировать определенным образом?

 

Plants can react to gusts of wind or confined spaces.

 

2. Как прикосновение влияет на структуру и физиологию растений? Как эти эффекты помогают растениям конкурировать со своими соседями?The plants that are touched become more compact, increase the size of the leaf plate and the number of trichomes and also begin to emit volatiles. Compact plants may have a better chance of survival as they have to compete for space with neighboring plants. Increasing leaf surface and trichomes helps plants use sunlight and photosynthesize more efficiently. 3. Почему для ученого было важно изучить эффект взаимоотношения растений и насекомых?

Because aphids and other herbivorous insects use their sense of smell to find host plants.

4. Как мы можем использовать эту информацию в отношении выращивания сельскохозяйственных культур?

For crops, we can do further research to understand how plants interact with each other.

 

Glossary.

Tapped – постучать

Response – ответ

Turn around – оборачиваться

Respond to stimuli – реагировать на раздражители

Exception to rule – исключение из правила

Neighboring – соседний

Applied – применяться

Distribution – распространение

Volatile compounds – летучие соединения

Released – выпущенный, выделенный

Interactions – взаимодействие

Curiously – любопытно

Insects – насекомые

Attractive – привлекательный

Prefer – предпочитать

Cues – сигналы

Amount – количество

Leaf tips – кончики листьев

Due to wind – из-за ветра

Lack of space – недостаток места, пространства

Gain infirmation – получать информацию

Fly trap – ловушка для мух

Whereas – в то время как

Food webs – пищевые цепи

Impact – влияние

Herbivorous insects – травоядные насекомые

Host plant – растение-хозяин

Consequences – последствия

Crop – урожай

Crop production – растениеводство

Harmful pests – вредители

Aphid - тля