Roślinny Facebook! Zespół profesora Stanisława Karpińskiego opisał i wyjaśnił nowy mechanizm komunikowania się roślin.

Rośliny ostrzegają się  o niebezpieczeństwie. Komunikują się między sobą elektrycznie stykającymi się liśćmi.

Zespół naukowców kierowany przez prof. Stanisława Karpińskiego z Instytutu Biologii SGGW 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.

Uszkodzony liść (np. przez roślinożerne owady lub nadmiar światła) generuje sygnały elektryczne (ES), które rozprzestrzeniają się na tkanki, liście i organy całej rośliny. W przesyłaniu sygnału elektrycznego pośredniczą zmiany w aktywności kanałów jonowych i towarzyszą im fale reaktywnych form tlenu (ROS) i niefotochemicznego wygaszania (NPQ). Fale te są współzależne i rozchodzą się systemowo w całej roślinie. Proces ten jest niezbędny do zapoczątkowania określonych zmian w ekspresji genów i aklimatyzacji roślin (np. komórkowa pamięć światła). W rezultacie cała zbiorowość roślin, np. na łące wchodzi w stan nabytej aklimatyzacji systemowej (SAA).

W wilgotnych warunkach uszkodzona roślina może bezpośrednio przekazywać sygnał o niebezpieczeństwie innym roślinom, które dotykają jej w obrębie zbiorowiska roślin, na przykład na łące z mniszkiem. Fale ES i ROS służą jako sygnały między roślinami rozchodzące się na liściu i w liściu z prędkością odpowiednio kilku milimetrów na sekundę lub centymetr na minutę. Sygnały te mogą wywoływać zmiany w NPQ, retroaktywnej sygnalizacji chloroplastów, ekspresji genów, fitohormonach, sygnalizacji ROS i odpowiedziach aklimatyzacyjnych w sąsiednich roślinach. Większość z tych złożonych odpowiedzi komunikacyjnych może być również indukowana między dwiema roślinami połączonymi obwodem elektrycznym (miedzianym kablem), co wskazuje, że sygnał elektryczny jest głównym graczem w komunikacji między roślinami. Zespół profesora Karpińskiego odkrył, że ES i ROS indukują nowe zjawisko aklimatyzacji określane jako „Aklimatyzacja nabyta w sieci (NAA)”, niezbędne do indukcji SAA w społeczności roślinnej.

Już wcześniej znane były mechanizmy przy pomocy których 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 np. korzenie sąsiadujących roślin komunikują swoim sąsiadom sygnały o dostępności wody i minerałów za pośrednictwem strzępek grzybów glebowych.

“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 profesor Karpiński.

Model podsumowujący reakcje nabytej sieciowo aklimatyzacji (ang. Network Acquired Acclimation, NAA) w dwóch różnych roślinach.

Rośliny żyjące w społeczności, takiej jak mniszek lekarski lub Arabidopsis (rzodkiewnik pospolity), mogą wykorzystywać sygnalizację elektryczną (ES) do komunikowania niebezpieczeństw między sobą i indukować ogólnoustrojową aklimatyzację nabytą (SAA) w obrębie jednej rośliny i NAA między roślinami. Liście należące do dwóch różnych roślin (nadajnik i odbiornik) muszą być połączone za pomocą prostego dotyku i wymagana jest przewodność elektryczna (np. wysoka wilgotność względna, reprezentowana przez kroplę wody). Bezpośrednia transmisja ES (nad ziemią, na powierzchni liścia) między uszkodzonym (żółta strzałka) nadajnikiem (lewa komórka) a nieobciążonym odbiornikiem roślina (prawa komórka) jest najprawdopodobniej podobna do potencjału wolnofalowego lub potencjału akcji. ES ma modulowaną amplitudę (współzależne strumienie jonów) i napędza czasoprzestrzenne zmiany w wygaszaniu zaabsorbowanej energii energi (Non-photochemical quenching, NPQ), następującą indukcję fali reaktywnych form tlenu (Reactive Oxygen Species, ROS) i sygnalizację wsteczną (Retrograde signaling RS) zarówno w roślinach nadawczych (Transmiter, T), jak i odbiorczych (Receiver, R). Propagacja fali ROS zależy od specyficznej regulacji przez aktywność RBOHD, dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) i katalazy (CAT). Dodatkowo, GRL i MSL10 są zaangażowane w zmiany fal ROS, Ca2+ i ES. Ta autopropagacja fali ROS i NPQ może wystąpić w komórkach odbiorczych. ES, fala ROS i retroaktywne sygnały z chloroplastu do jądra komórkowego (RS) wywołują zmiany w ekspresji genów zarówno w liściach zranionych (T) i w liściach stykających się ze zranionym liściem (w odbiornikach, R). Sygnalizacja zależna od ES; linie niebieskie, sygnalizacja zależna od ROS; zielone linie, sygnalizacja zależna od NPQ; czerwone linie. ZAT12 i APX2, molekularne markery indukcji SAA. Czerwona linia przerywana, hipotetyczne ES indukowane przez prąd dostarczany przez metalowy przewodnik (miedziany drut).