Rădăcinile plantelor declanșează unde de presiune care călătoresc pe distanțe lungi
Când rădăcinile plantelor sunt rănite, de exemplu de insecte, presiunea din interiorul rădăcinii scade, iar o undă de presiune se propagă rapid prin întregul sistem radicular. În rădăcinile vecine, proteine mici care funcționează ca senzori de presiune mecanică detectează schimbarea și generează semnale electrice și de calciu. În final, rănirea declanșează producția de hormoni de stres în rădăcinile vecine, pregătindu-le pentru un posibil atac.
Acestea sunt concluziile principale ale unui studiu publicat în revista Science Advances. Autorii au examinat mecanismele care permit plantelor să semnalizeze deteriorarea rădăcinilor pe distanțe lungi în cadrul sistemului radicular. Studiul a fost condus de dr. Angel Baudon, cercetător postdoctoral la Institutul Julius von Sachs al Universității din Würzburg, ca prim autor, și de profesorul Rainer Hedrich, fost titular al catedrei de Botanică I la aceeași universitate, ca co-autor senior. Echipa a investigat modul în care planta model Arabidopsis thaliana semnalizează în urma unei răni mecanice.
„În timp ce mecanismele de apărare ale părților aeriene ale plantelor au fost deja studiate extensiv, comunicarea în interiorul sistemului radicular a rămas mult timp un mister”, spune Baudon. Înțelegerea modului în care rădăcinile se apără împotriva dăunătorilor precum larvele de insecte sau nematodele este crucială pentru agricultură, deoarece daunele ascunse duc adesea la pierderi majore de recolte.
Studiul arată că plantele folosesc un proces fizic pentru a răspândi rapid semnalele de pericol. „Imediat ce o celulă a rădăcinii este rănită, are loc o scădere imediată a presiunii intracelulare, care este foarte ridicată la plante”, explică Baudon. Această pierdere de presiune se propagă ca o undă hidraulică prin sistemul vascular al plantei. Călătorind cu aproximativ 75 de milimetri pe secundă, unda este de aproximativ 10.000 de ori mai rapidă decât undele de calciu raportate anterior. Această viteză permite rădăcinilor vecine, încă intacte, să activeze mecanisme de apărare timpuriu.
„Cascada de alarmă” se desfășoară în mai multe etape. Canalele mecanosensibile, cunoscute sub numele de canale MCA1, acționează ca decodor primar, traducând stimulul fizic al undei de presiune în impulsuri electrice și semnale de calciu. Receptorii de tip glutamat (GLR3.3/3.6) acționează ca amplificatori esențiali, preluând semnalul original și intensificând depolarizarea. Informația este apoi transmisă altor componente ale sistemului pentru a iniția un răspuns imun extins.
Baudon și colegii săi au făcut o altă descoperire: exploziile repetate de semnale de calciu pot face rădăcinile plantelor temporar mai puțin sensibile la daune ulterioare. Planta percepe în continuare rănirea, dar răspunsul său este redus. Folosind optogenetica pentru a declanșa semnale de calciu în celulele rădăcinii intacte fără a răni fizic planta, cercetătorii au constatat că plantele expuse la semnale repetate de calciu au prezentat răspunsuri electrice mult mai slabe când au fost expuse ulterior la glutamat sau rănite. Răspunsul redus a apărut nu doar în rădăcina rănită, ci și în rădăcinile vecine, indicând că semnalizarea calciului poate ajuta la coordonarea modului în care plantele răspund la daune repetate sau din apropiere.
Studiul evidențiază că plantele au dezvoltat senzori specializați pentru diferite organe. În timp ce canalul de anioni MSL10 joacă un rol cheie în partea aeriană, canalul conductiv de ioni de calciu MCA1 domină în rădăcină. Semnalele se comportă, de asemenea, diferit: „În frunze, semnalele de avertizare se propagă adesea pe distanțe lungi fără atenuare semnificativă. În rădăcină, însă, puterea semnalului scade exponențial cu distanța față de locul rănirii”, explică Baudon. Această limitare spațială are sens biologic, notează el, deoarece dăunătorii din sol se mișcă mult mai lent prin solul compact decât insectele pe suprafața frunzelor.
Potrivit oamenilor de știință, descoperirile privind procesarea semnalelor mecanice oferă direcții potențiale pentru cercetarea agricolă. „O înțelegere mai profundă a modului în care culturile percep daunele mecanice permite o optimizare mai bine țintită a rezistenței naturale la insectele care se hrănesc cu rădăcini”, explică Baudon. Identificarea MCA1 ca decodor primar al scăderii de presiune oferă o piesă lipsă în înțelegerea strategiilor complexe de apărare ale organelor subterane ale plantelor și ar putea, pe termen lung, să ajute la reducerea dependenței de pesticide chimice.
