Vísindamenn varpa ljósi á taugakerfi plantna

Þær ræða saman, bera kennsl á ættingja og muna hitt og þetta. Plöntur eru útbúnar þróuðum skynfærum og nýleg rannsókn leiddi í ljós að þessir grænu snillingar nota sams konar boðskipti og spendýr til að koma upp um árásir og skemmdir.

BIRT: 20/02/2022

LESTÍMI:

7 mínútur
Share on facebook

Soltin lirfa skríður hægt og rólega upp eftir plöntustönglinum þar til hún loks er komin að grænu laufblaði sem hún bítur í.

 

Að öðru leyti lítur allt friðsamlega út og ekkert bendir til að plantan hafi veitt þessum óboðna gesti neina athygli. Undir yfirborðinu hefur plantan hins vegar sent frá sér viðvörunarmerki og hún er þegar byrjuð að verja sig gegn árás lirfunnar.

 

Bitið hefur nefnilega leyst úr læðingi rafboð sem eiga rætur að rekja til rafhlaðinna jóna, sem breiða hratt úr sér frá staðnum sem ráðist var á, til allra frumna plöntunnar, í því skyni að vara við þessum soltna vágesti.

 

Rafboðin voru virkjuð af amínósýrunni glútamati, sem einnig gegnir hlutverki boðefnis í taugakerfi spendýra. Vísindamönnum tókst nýverið að sanna að það er einmitt glútamat sem skiptir sköpum í örum samskiptum ólíkra plöntuhluta, sem gerir plöntunum kleift að verjast árásum á borð við bit lirfunnar.

 

Árás, t.d. af hálfu lirfu, hrindir af stað boðskiptum sem breiðast hratt til allra frumna plöntunnar.

Lirfubit hrindir af stað boðskiptum

Með aðstoð lýsandi próteins í plöntunum gefst vísindamönnum kostur á að sjá kalsíumhring seytla fram umhverfis bitið.

Boðefni seytla út í blaðið

Um það bil 66 sekúndum síðar hefur kalsíumbylgjan breiðst út um allt blaðið, sem lýsir nú upp.

Öll plantan í viðbragðsstöðu 

Á tæpum 100 sekúndum hafa kalsíumjónirnar breiðst frá bitsvæðinu út í alla afkima plöntunnar.

 

Þetta kom í ljós fyrir algera tilviljun þegar hópur bandarískra og japanskra vísindamanna frá m.a. háskólanum í Wisconsin og Saitama háskólanum í Japan höfðu í hyggju að rannsaka áhrif þyngdaraflsins á plöntur.

 

Vísindamönnunum til mikillar furðu komst þeir að raun um að plöntur búa yfir eins konar taugakerfi, sem líkja mætti við taugakerfi dýra og manna, en uppgötvun þessi leiddi í ljós, svo ekki verður um villst, að líf og samskiptanet þessara jarðbundnu ættingja okkar er langtum fullkomnara og fjölbreytilegra en álitið hafði verið áður.

 

Árás virkjar viðbragðsáætlun

Í rannsókn þessari, sem kynnt var til sögunnar fyrir skemmstu, komu vísindamennirnir erfðabreyttum plöntum fyrir undir ljósasmásjá, þar sem ætlunin var að fylgjast með magni kalsíumjóna í plöntufrumunum.

 

Kalsíumjóna verður oft vart í plöntum sem viðbragð við snertingu, breytingum á stefnu þyngdarkraftsins og hitastigssveiflum. Með því að gera plöntunum kleift að framleiða prótein, sem lýsir í takt við hækkað kalsíumhlutfall, tókst vísindamönnunum að fylgjast grannt með viðbrögðum plantnanna í smásjá.

 

Þegar vísindamennirnir slepptu lirfu á plöntu gátu þeir greint ljósbylgju sem birtist fyrst umhverfis svæðið sem bitið var í og breiddi síðan úr sér út í alla afkima plöntunnar á nokkrum sekúndum.

 

Þetta hrinti svo af stað framleiðslu ólíkra eiturefna sem ætlað var að verja plöntuna gegn frekari árásum.

 

Þegar vísindamennirnir hindruðu þau prótein á yfirborði frumnanna, sem virkjuð eru af glútamati, hvarf ljósbylgjan og þetta þótti sanna með óyggjandi hætti að amínósýrur skipta sköpum fyrir hröð viðbrögð plöntunnar og vörn hennar gegn frekari skemmdum, svipað því sem gerist í taugakerfi spendýra, þar sem boð berast jafnframt milli frumna með því að jónahlið opnast.

 

Plöntur geta séð, sofið og spjallað

Tilraunir hafa leitt í ljós að plöntur eru útbúnar ýmsum eiginleikum sem dýr hafa yfir að ráða. Sem dæmi má geta þess að þær geta skynjað umhverfi sitt með aðstoð ljósnæmra frumna í blöðunum, geta sofið með því að breyta vökvaþrýstingi blaðanna og geta átt í samskiptum með aðstoð efnaboða sem berast með loftinu.

 

1 – Hlusta með því að greina loftsveiflur frá m.a. rennandi vatni gegnum ræturnar.

 

2 – Rabba saman með aðstoð kemískra efna í lofti, sem vara við plöntuætum og sjúkdómum.

 

3 – Sjá með aðstoð ljósnæmra frumna á blöðunum.

 

4 – Sofa með því að leggjast í eins konar dvala, jafnframt því sem vökvaþrýstingurinn í plöntufrumunum breytist.

 

 

Jafnvel þótt rannsóknir hafi leitt í ljós að bæði plöntur og dýr notist við glútamat til að eiga frumusamskipti, þá er engu að síður mikill munur á því hvernig kerfin tvö starfa.

 

Munurinn er einkum fólginn í því að plöntur, andstætt við dýr, hafa ekki yfir að ráða eiginlegum taugafrumum og skynja fyrir vikið ekki sársauka, sem er skiljanlegt þar sem plöntur eiga í hlut, því tilgangur sársaukaboða er að gefa til kynna að nú skuli flúið frá hættunni og það geta plöntur að sjálfsögðu ekki gert. Þá er einnig mikill munur á hraða rafboðanna.

 

Í nýju tilrauninni ferðuðust kalsíumboðin í erfðabreyttu plöntunum á leifturhraða, sem nam u.þ.b. einum millímetra á sekúndu, sem telst vera ógnarhraði þegar plöntur eiga í hlut en óttalegur hægagangur sé miðað við rafboðahraða dýranna, þar sem rafboðin geta náð allt að 120 metra hraða á sekúndu.

 

Plöntur hafa gott minni

Þrátt fyrir augljósan mun á dýrum og plöntum nota þau engu að síður sama boðefni fyrir frumusamskipti. Þess má svo geta að þetta er ekki í fyrsta sinn sem grænu, margfrumna lífverurnar koma vísindamönnum á óvart vegna eiginleika sem minna á dýr.

 

Sem dæmi má nefna að fjölmargar rannsóknir hafa leitt í ljós að plöntur eru færar um að læra og einnig að muna.

 

Í tilraun einni sem gerð var við háskólann í Vestur-Ástralíu var gerð tilraun með að þjálfa baunaplöntur á sama hátt og gert er við hunda, t.d. með því að láta tiltekið bjölluhljóð tákna að nú væri fæða á næsta leiti, en slík aðferð nefnist tengslanám.

 

Í tilrauninni voru litlir baunaplöntugræðlingar staðsettir undir einföldu völundahúsi, gerðu úr vatnsröri með tveimur opnum endum. Þegar plönturnar höfðu náð tiltekinni hæð komu þær að krossgötum, þar sem þær annaðhvort áttu að vaxa í átt til vinstri eða hægri í rörinu.

 

Svokallaðar svepprætur mynda umfangsmikið net í framhaldi af rótum plantna í jörðu, sem plöntur m.a. nota til að deila með næringarefnum og til að vara hver aðra við sjúkdómum.

 

Vísindamennirnir skiptu plöntunum í tvo flokka, sem brugðust við með ólíkum hætti. Annar flokkurinn varð fyrir loftblæstri frá viftu og fékk síðan á sig blátt ljós úr sama röri á meðan hinn flokkurinn fékk fyrst á sig loftblástur úr öðru rörinu og því næst blátt ljós úr hinu.

 

Plönturnar voru svo rannsakaðar að þessu loknu og í ljós kom að baunaplönturnar úr fyrri flokknum uxu í átt að blæstrinum, jafnvel þegar ekkert ljós skein á þær.

 

Þær lærðu með öðrum orðum af fyrri reynslu og tengdu blástur viftunnar við ljósið. Tilraunir með mímósur renna stoðum undir þetta þróaða atferli. Plönturnar eru einkar viðkvæmar fyrir snertingu og leggja blöð sín saman í eins konar viðbragðsstöðu um leið og þau eru snert.

 

Gerð var tilraun sem fól það í sér að plönturnar voru látnar detta aftur og aftur úr 15 cm hæð. Í fyrstu þrjú til fjögur skiptin lokuðust blöðin, líkt og gert hafi verið ráð fyrir, en í fimmta fallinu virtust blómin hika og eftir alls 60 föll lokuðust blöðin alls ekki.

 

Blómunum hafði lærst að föllin væru ekki lífshættuleg og þau hættu fyrir vikið að verja kröftum í að verja sig, líka að mánuði liðnum þegar tilraununum var haldið áfram.

 

Þegar blómin voru hrist lokuðust blöð þeirra hins vegar, sem sýndi svo ekki varð um villst að viðbragðsleysið við fallinu stafaði ekki af skemmdum á plöntunum.

 

Vara hver aðra við

Lengi hefur verið vitað að plöntur fela í sér annað og meira en virðist við fyrstu sýn.

 

Árið 1880 hélt enski náttúruvísindamaðurinn Charles Darwin því fram að plöntur byggju yfir greind og að „heilar“ þeirra leyndust í rótunum. Þessi kenning hefur verið sönnuð hvað eftir annað, m.a. eftir að net fannst í framhaldi rótanna, sem gagnast plöntum við að senda næringarefni og aðvörunarboð yfir tiltekna vegalengd.

 

Plöntur nota sama boðefni og dýr

Ef planta verður fyrir meiðslum sendir hún frá sér rafmagnsbylgju til allra frumna og virkjar þar með eins konar ónæmisviðbrögð.

 

Vísindamönnum hefur nú tekist að sýna fram á að það er amínósýran glútamat sem virkjar boðskiptin, en hún er einnig mikilvægt boðefni í taugakerfi spendýra.

 

1.

Plöntuæta bítur í plöntuna, sem örfáum sekúndum síðar hefur boðefnið glútamat verið leyst úr læðingi í skemmda vefnum.

2.

Boðefninu er lekið beint frá skemmda svæðinu ellegar það losað úr frumunum í kjölfar skaðans. Þaðan seytlar glútamatið út í nærliggjandi æðakerfi.

3.

Glútamatið festist við svonefnda glútamatviðtaka, sem er að finna á yfirborði frumnanna og sjá um að opna jónahliðin.

4.

Þegar jónahliðin opnast streymir kalsíum inn í frumurnar og opnar ný hlið þannig að kalsíumjónirnar geta flust milli frumnanna.

5.

Hlöðnu kalsíumjónirnar hrinda af stað bylgju af rafboðum milli frumnanna og virkja að sama skapi ensím sem auka framleiðslu plöntuhormónsins jasmínats.

 

6.

Hormón þetta ver plöntuna með því að hrinda af stað framleiðslu beiskra eiturefna, m.a. sútunarsýru, sem sýkt geta lirfuna.

 

Net þessi samanstanda af svokölluðum svepprótum og heildarþyngd sveppróta um gjörvallan heim er álitin nema alls 30 milljörðum tonna.

 

Mikill hluti plöntutegunda heims er álitinn tengjast rösklega 400 milljón ára gömlu netinu, sem m.a. gagnast plöntum við að vara hver aðra við sjúkdómum í grenndinni með aðstoð efnaboða og einnig til að senda kolvetni til annarra plantna, sem lifa í skugga og skortir orku frá sólinni.

 

Ýmislegt gefur sem sé til kynna að grænu lífverurnar hafi yfir að ráða fleiru en álitið hefur verið til þessa. Þegar svo í ljós kom að glútamat gegndi mikilvægu hlutverki sem boðefni fyrir varnir plantna gegn árásum kom enn skýrar í ljós með hvaða hætti lífverur þessar eiga í samskiptum.

BIRT: 20/02/2022

HÖFUNDUR: Jonas Grosen Meldal

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: © Science Source/ImageSelect,© Ken Ikeda/Shutterstock,© Simon Gilroy,

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is