Летучие органические соединения (ЛОС) являются важными воздушными сигналами или запахами, которые позволяют растениям общаться с другими организмами и растениями на коротких и длинных расстояниях.
Ключевой аспект этой коммуникации происходит, когда растение повреждается травоядными вредителями, что вызывает выброс ЛОС. Эта биологическая защита была уже коммерциализирована в некоторых пока редких приложениях, но уже скоро получит свою нишу в глобальной индустрии защиты растений.
ЛОС-соединения могут быть обнаружены соседними растениями, побуждая их усилить свою защиту от потенциальных угроз. Эта сложная биохимическая стратегия позволяет растениям эффективно защищать себя от различных стрессов.
Данная область исследований недавно привлекла значительный интерес из-за ее многообещающих приложений в сельском хозяйстве. В этом ключе профессор Ген-итиро Аримура и его коллега г-н Такуя Уэмура из Токийского университета науки, Япония, приступили к исследованию молекулярных путей, стоящих за этой коммуникацией, и ее потенциальных приложений в устойчивом сельском хозяйстве. Их обзор был опубликован в журнале Trends in Plant Science.
«Хотя растения не обладают сложной обонятельной системой, как животные, они способны обнаруживать и реагировать на широкий спектр ЛОС на основе структурного сходства с соединениями, с которыми они или их предки сталкивались во время полезных или вредных взаимодействий с различными организмами», - объясняет профессор Аримура.
Растения выделяют различные типы ЛОС, когда подвергаются атаке, такие как изопрен, терпеноиды и летучие вещества зеленых листьев. Эти соединения давно известны своей ролью в передаче сигналов между видами, привлечении полезных насекомых или отпугивании травоядных.
Примечательно, что монотерпеноиды, которые в изобилии присутствуют в растениях мяты, были коммерциализированы из-за их отпугивающих вредителей, антимикробных и овицидных свойств. Это исследование показало, что эти взаимодействия между растениями не ограничиваются родственными растениями, но могут также происходить между неродственными растениями.
После испускания ЛОС поглощаются через устьица и диффундируют через клетки мезофилла соседних растений. Реакция растения включает сложные внутриклеточные и межклеточные сигнальные механизмы. Например, потоки кальция играют ключевую роль в сигнальных каскадах.
В растениях, получающих ЛОС, углеводороды, такие как β-кариофиллен, могут регулировать экспрессию генов, взаимодействуя с хроматином, структурой, которая контролирует доступность ДНК. Этот процесс, известный как ремоделирование хроматина, запускает активацию транскрипции генов, тем самым подготавливая растение к усиленным защитным реакциям.
В настоящее время химические пестициды широко используются для защиты сельскохозяйственных культур, но для них активно ищутся альтернативы с учетом потребительского спроса на продукты питания из биологизированного АПК.
Использование ЛОС предлагает устойчивое решение, способствуя как защите сельскохозяйственных культур, так и повышению продуктивности, одновременно снижая зависимость от пестицидов.
«Традиционный метод использования ЛОС-защиты – это физическое размещение различных видов мяты в горшках, которые постоянно выделяют полезные ЛОС, между культурами. Сегодня мы подходим к другому этапу. Разработка биостимуляторов - веществ, которые стимулируют рост растений и устойчивость к стрессу - может еще больше улучшить взаимодействие между растениями», - говорит профессор Аримура. Он также добавляет, что коммерческие продукты, основанные на новых открытиях его команды, вскоре будут доступны для использования в сельском хозяйстве.
Вместе с тем ученый назвал барьеры, которые предстоит преодолеть: «Практическое внедрение технологий на основе ЛОС в сельское хозяйство сталкивается с рядом проблем, таких как зависимость реакции от дозы, ненадлежащие расстояния между растениями и высокие концентрации ЛОС (аллелохимических веществ), которые могут потенциально подавлять рост соседних растений. Наш обзор прокладывает путь для дальнейшего изучения ЛОС в сельскохозяйственных контекстах, призывая научное сообщество к сотрудничеству с фермерами и политиками для использования силы растительной коммуникации. Используя естественные сигнальные механизмы растений, можно разработать устойчивые методы ведения сельского хозяйства, которые не только улучшат урожайность, но и будут способствовать здоровью окружающей среды и людей».
Кроме того, этот новый подход позволит снизить себестоимость продукции и повысить ее ценность, поскольку большинство потребителей предпочитают «культуры без пестицидов» ради своего благополучия, отметил он.
Источник: Tokyo University of Science.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.
