Растения могут обнаруживать атаки насекомых, «принюхиваясь» к ароматам друг друга
Ароматные летучие соединения, которые испускают растения, могут быть ответом на атаки насекомых, предупреждать соседей об опасности или привлекать хищников этих насекомых. Ученые расшифровывают эти секретные коды, чтобы разработать более эффективные и экологичные средства защиты сельскохозяйственных культур.
Растения не могут убежать от своих врагов — насекомых. Но они не беззащитны. Они используют химические токсины, а также более тонкую защиту — ароматные летучие соединения (volatiles), которые выделяются в воздух. Пример — запах скошенной травы, смесь молекул «зеленых листовых летучих веществ» (green leaf volatiles), выделяемых при повреждении.
«Растения — химики природы. Они берут несколько простых неорганических молекул и производят тысячи различных органических молекул, используя лишь энергию солнечного света», — говорит профессор Маттиас Эрб из Университета Берна. Он изучает летучие вещества, которые растения выделяют при атаке насекомых, в рамках проекта PERVOL.
Некоторые из этих летучих веществ привлекают естественных врагов вредителя. Например, если гусеница атакует растение, эти вещества могут привлечь паразитоидных ос или запустить защитные реакции у соседних растений. По словам профессора Эрба, растения не помогают друг другу, сигнализируя «на меня напали». Скорее, они «подслушивают» химические сигналы друг друга, чтобы предупредить себя о надвигающейся угрозе.
Насекомые
Расшифровка этих сигналов может научить нас лучше защищать урожай от насекомых, которые ежегодно уничтожают одну пятую мирового производства сельскохозяйственных культур. Ожидается, что для зерновых культур этот ущерб возрастет из-за изменения климата.
«Эти (растительные) молекулы могут быть полезны в сельском хозяйстве как естественные защитные механизмы растений. Мы могли бы использовать их вместо синтетических химикатов», — говорит профессор Эрб.
Он работает с кукурузой, которая активно выделяет летучие вещества. Одно из таких веществ — индол, обладающий приятным цветочным ароматом в малых концентрациях. Индол выделяется не при простом повреждении кукурузы, а только при наличии в слюне гусеницы бабочки молекулы, активирующей защитные реакции растения.
Профессор Эрб и его коллеги обнаружили, что индол, достигая нетронутой части растения, запускает состояние «прайминга» (подготовки). «(Индол) не индуцирует защитную реакцию, но подготавливает растение, так что при атаке вредителя оно ответит быстрее и сильнее», — объясняет он.
Однако одно летучее вещество может вводить в заблуждение, так как индол выделяют и некоторые цветы (жасмин, цветы апельсина). Поэтому растения кукурузы «настраиваются» на химические смеси. «Мы показали, что индол и зеленые листовые летучие вещества действуют синергетически, вызывая защиту еще сильнее, чем по отдельности», — говорит профессор Эрб.
Соединение
Чтобы получить более полную картину, ученые исследуют влияние слюны насекомых на зеленые листовые летучие вещества.
Доктор Зилке Алльманн из Амстердамского университета экспериментировала с растениями табака, механически повреждая их и нанося воду или слюну гусеницы табачного бражника. Общее количество летучих веществ почти не изменилось, но их состав резко сместился. Фермент в слюне гусеницы изменил соединение, и запах стал из травянистого сладким.
Оказалось, что сладкий запах привлекает клопов-слепняков — естественных врагов гусеницы. При этом тот же запах предупреждает взрослых бабочек табачного бражника, что растение уже занято гусеницами, и направляет их к растениям с меньшей конкуренцией и меньшим количеством хищников.
Доктор Алльманн продолжает изучать это соединение в рамках проекта VOLARE, исследуя практическое применение.
«Большая задача с растительными летучими веществами — найти применение в сельском хозяйстве. Это священный Грааль», — говорит доктор Алльманн.
«Можно представить применение растительных летучих веществ в нужный момент для запуска специфических реакций, например, устойчивости к вредителям. Это была бы гораздо более экологичная стратегия усиления иммунитета растений, чем применение биоактивного химиката для уничтожения насекомых», — говорит профессор Эрб.
Такие природные химические вещества можно выпускать на поля, которым угрожают вредители, чтобы активировать защиту растений в нужный момент. Понимание того, как растения обнаруживают предупреждающие запахи, также может позволить селекционерам выводить сорта, чувствительные к этим сигналам.
«Нос» растений
Остается загадкой, как растения «чуют» летучие вещества. У них нет носа.
«Наша гипотеза заключается в том, что летучие вещества проникают через устьица — маленькие поры в листьях. Мы предполагаем, что внутри листа есть сенсоры, возможно, белки на поверхности клеток, к которым они присоединяются», — говорит профессор Эрб.
Доктор Алльманн также ищет эти сенсоры (рецепторы). «Если мы найдем эти рецепторы, мы сможем найти лиганды, которые связываются с ними и включают их. Мы могли бы, возможно, выводить растения, более или менее чувствительные к летучим веществам», — говорит она. Можно было бы вывести легко активируемые растения, которые служили бы «часовыми» для предупреждения соседей.