Sygnał z serca rośliny

W latach 90. na Uniwersytecie Genewskim w Szwajcarii, gdzie prof. Hazem M. Kalaji odbywał staż naukowy, rozpoczęto opracowywanie nieinwazyjnej metody badania stanu fizjologicznego (kondycji) roślin, która polega na pomiarze sygnału fluorescencji chlorofilu. Może ona zastąpić destrukcyjną, czasochłonną i kosztowną (wymagającą posiadania laboratorium wyposażonego w odczynniki i sprzęt) metodę badania polegającą na analizie chemicznej składu rośliny.

Na początku trzeba skalibrować system, tzn. nauczyć go, jakie sygnały wskazują na zaburzenia procesu fotosyntezy związane z niedoborem poszczególnych składników mineralnych. Każdy niedobór można scharakteryzować odpowiednim sygnałem mierzonym fluorymetrem.

„Kalibrowanie systemu polega na stosowaniu jednocześnie dwóch metod: pierwsza to bezinwazyjny pomiar sygnału fluorescencji chlorofilu fluorymetrem, a druga – przeprowadzanie analizy chemicznej roślin. Przykładowo: w kombinacji doświadczalnej nie podawaliśmy roślinom fosforu i mierzyliśmy wysyłane przez nie sygnały. W innej kombinacji nie podawaliśmy innego składnika i znów sprawdzaliśmy, jaki sygnał pojawi się tym razem. Potem wszystkie wyniki «wpuszczaliśmy» do tzw. czarnej skrzynki, w tym przypadku sztucznych sieci neuronowych, które nauczyliśmy identyfikować, jakie sygnały są wskaźnikami danego niedoboru” – tłumaczy prof. Kalaji. Proponowana metoda jest nieinwazyjna, szybka, tania i o znacznym stopniu wiarygodności. Jej niewątpliwą zaletą jest też to, że można ją zastosować dla wszystkich organizmów posiadających chlorofil.

EKG chloroplastu

Sygnały fluorescencji pochodzą z fotosystemu II (PSII) znajdującego się w chloroplastach. PSII jest enzymem składającym się z barwników asymilacyjnych i różnych białek. Jest bardzo czuły i wysyła sygnał analogiczny do tego, jaki wysyła serce człowieka. Filmy krótkometrażowe, które nakręcił prof. Kalaji wraz ze studentami i studentkami Akademii Sztuk Pięknych w Warszawie, pokazują że rośliny wyraźnie reagują na docierające do nich bodźce z otoczenia (dotyk, dźwięk, obecność człowieka, wzrost temperatury, zasolenie, obecność metali ciężkich) w ten sposób, że standardowe wartości sygnałów fluorescencji chlorofilu obniżają się lub wzrastają. Reakcje te można następnie odczytywać podobnie jak elektrokardiogram – czyli swoisty zapis pulsu serca roślin.

Dzięki pomiarom sygnału wysyłanego przez fotosystem II (PSII) naukowcy uzyskują informacje w momencie, kiedy roślina jest poddawana działaniu określonego czynnika stresowego. Następnie mogą zanalizować poszczególne wskazania fluorymetru i podjąć odpowiednie działania, aby wyeliminować lub w znacznym stopniu ograniczyć niekorzystne oddziaływanie.

Metoda pozwala także przewidywać zmiany i zapobiegać im, zanim pojawią się wizualne objawy. Do tej pory w rolnictwie reagowano dopiero wtedy, gdy zmiany było widać „gołym okiem” – na ogół w momencie, kiedy stresor spowodował już istotne i nieodwracalne zmiany w wyglądzie i funkcjonowaniu całej rośliny. Teraz nie trzeba czekać – opracowany system pozwala w rzeczywistym czasie monitorować stan fizjologiczny roślin. Dzięki temu można zainterweniować na możliwie wczesnym etapie i znaczne ograniczyć negatywne następstwa oddziaływania czynnika stresowego.

Szklarnia jak dyskoteka

Dalszym etapem badań było nauczenie programu, aby na podstawie wskazań pomiarowych informował o danym problemie i jego rozwiązaniu. „System przetwarza informację i wyświetla określony komunikat np. o tym, że w otoczeniu rośliny jest za duże lub za małe naświetlenie lub widmo światła jest nieodpowiednie” – tłumaczy prof. Kalaji.

Ujawnia też dalsze plany badawcze: „Istnieje w języku angielskim pojęcie «plant talk» – mowy roślin. Rośliny nieustannie komunikują się między sobą, a naukowcy uczą system słuchać tej mowy, sami próbują ją zrozumieć i odpowiadać na nią”. Rośliny w szklarniach rosną w warunkach stworzonych przez producentów. Tymczasem każda z nich może mieć swoje indywidualne potrzeby zależne od różnych czynników, np. pory roku albo dnia. „Zamierzamy dać roślinom narzędzie w postaci systemu samokontroli do tego, by mogły samodzielnie sterować warunkami, w jakich przebywają, np. intensywnością i jakością światła.”

W Katedrze Fizjologii Roślin SGGW powstał prototyp urządzenia. Póki co pozwala kontrolować intensywność światła: roślina, wysyłając sygnał fluorescencji chlorofilu, steruje systemem oświetleniowym, tak by natężenie i barwa światła były ustawione na optymalnym dla niej poziomie. Docelowo taki system ma być trwale montowany w szklarniach.

„Szklarnia przyszłości to dyskoteka – wyjaśnia prof. Kalaji. – Światła LED zmieniają się na niebieskie, czerwone i białe w zależności od potrzeb: na przykład gdy na zewnątrz szklarni jest pochmurnie lub deszczowo. Oddanie głosu roślinom wydaje się o tyle proste, że zazwyczaj w jednej szklarni uprawia się jedną odmianę. Sygnał będzie mierzony z kilku punktów i uśredniony tak, by uwzględniać potrzeby roślin rosnących zarówno przy szybach (i potencjalnie mających najwięcej światła słonecznego), jak i gdzieś w środku (z przewagą cienia). Trudno zadowolić każdą roślinę, nie mówiąc o każdym liściu – ale staramy się”.

SGGW już odczytuje sygnały roślin

System do kontrolowania warunków w otoczeniu roślin lub owoców za pomocą pomiaru sygnałów fluorescencji chlorofilu został opracowany i wdrożony już w kilku miejscach, m.in. w sadach doświadczalnych SGGW (prof. Kalaji współpracował przy tym projekcie z prof. Kazimierzem Tomalą). Jabłka po zbiorze przechowuje się w magazynach, w których panują ściśle określone warunki mające nie dopuścić do psucia się owoców: niska temperatura oraz obniżona zawartość tlenu. Dotychczas jedynym sposobem na sprawdzenie jakości owoców podczas ich przechowywania była analiza fizyczna i organoleptyczna. To wiązało się z koniecznością otwarcia magazynu, wpuszczenia do niego tlenu i podwyższenia temperatury . Potem trzeba było przywrócić odpowiednie warunki – a to powodowało kolejne koszty. Wyżej opisany system działa automatycznie: kontroluje i reguluje dopływ gazu do owoców zgodnie z zapotrzebowaniem.

Prof. Kalaji uważa, że naukowcy i rolnicy muszą gruntownie zmienić swoje podejście do sposobu uprawy roślin. Trzeba wsłuchać się w ich potrzeby, które są bardzo różne na poziomie gatunków i odmian, a także zależą od wielu innych czynników, takich jak faza wzrostu, pora roku i dnia.