Berøring kan gøre afgrødeplanter mere modstandsdygtige over for insekter og andre stressfaktorer

Alle planter er udsat for elementerne og naturens andre organismer og påvirkes som sådan af både vind, regn, planteædere, insekter, forhindringer, naboplanter osv., som alle sammen på den ene eller anden måde påvirker plantens muligheder for at vokse.

Selvom forskere længe har kendt til effekten på marken, er det først nu, at forskere har kortlagt, hvad der rent faktisk sker på det genetiske plan inde i afgrødeplanterne, når de bliver rørt ved.

Kortlægningen viser blandt andet, at planterne reagerer med det samme på berøringen, og at den største molekylære aktivitet sker i planten omkring 25 minutter efter berøringen. Forskningen viser også, hvilke signalveje der bliver aktiveret, og det kan gøre firmaer, der arbejder med planteforædling, klogere på, hvilke potentielt gavnlige effekter det kan have at røre ved en plante, og hvordan det kan udnyttes til for eksempel at skabe mere robuste afgrøder på marken med et større udbytte.

”For eksempel kan vi se, at når afgrødeplanterne bliver rørt ved, aktiverer det nogle stresshormoner, som også er aktive i afgrødeplanters forsvar mod angreb fra larver. Det er som en plantes svar på et adrenalinrespons hos mennesker, og vi kan også se, at berøring får planterne til at danne mere robuste cellevægge. Denne viden kan muligvis udvikles til at udsætte afgrødeplanter for behandlinger, der gør dem mere robuste og modstandsdygtige over for angreb uden behov for for eksempel pesticider,” forklarer en af forskerne bag studiet, seniorforsker Olivier Van Aken fra Universitetet i Lund.

Forskningen er offentliggjort i The Plant Journal.

Japaner "misbruger" spirende planter

Det er velkendt, at planter ikke bare vokser uafhængigt af omgivelserne.

Træer tæt på stranden er på grund af vindens effekt ofte lavere og mere robuste end træer længere inde på land. De er også ofte mere skæve.

På samme måde er enkelte træer på en mark ofte lavere og har større kroner end træer i en skov, hvor der er et større behov for at vokse sig høje og slanke for at nå op til sollyset.

Tanken om mekanisk at påvirke planters vækst udnyttes både i Japan og Afrika, hvor mange landmænd fysisk "misbruger" plantespirer for at gøre dem stærkere, så de senere i livet bedre kan modstå belastning fra omgivelserne.

Forskere har længe interesseret sig for, hvad den fysiske behandling medfører på det genetiske og molekylære plan i planten, og selvom det er velkendt i blandt andet modelplanten Arabidopsis, er det først med det nye studie, at de samme molekylære mekanismer kortlægges i hvede, havre og byg.

”Faktisk overraskede det os i begyndelsen af dette studie, at ingen havde kortlagt det før. Dette skyldes især, at det har stor interesse inden for udvikling af mere modstandsdygtige planter. Blandt andet er det et problem med hvede og byg, at afgrøderne ofte vokser sig så høje, at de bliver sårbare over for vind og regn, som kan slå planterne ned, så kornet spirer på jorden, inden landmanden kan nå at høste. Derfor benytter mange landmænd kortere sorter af disse afgrødeplanter, som giver et mindre udbytte. Men hvis vi kan forstå de molekylære mekanismer bag planters respons på ydre påvirkning, kan vi måske også finde ud af, hvordan vi kan få de højtproducerende afgrøder til ikke at vokse sig så høje ved simpelthen at udsætte dem for mekanisk stress,” forklarer Olivier Van Aken.

Dybdegående analyse af det molekylære respons på berøring

I studiet gjorde forskerne meget simpelt det, at de børstede blade på de forskellige afgrøder med en blød håndbørste.

Derefter analyserede de mRNA, som repræsenterer det molekylærgenetiske stadie mellem gener og proteiner, for at finde frem til plantens genetiske og molekylære respons på berøring ved forskellige tidspunkter fra 10 minutter efter berøringen til fire timer efter berøringen.

Forskerne undersøgte også, om det at børste et blad et sted på planten udløser en respons i blade et andet sted på planten.

Endelig undersøgte de, hvilke signalveje og funktioner de berørte gener er en del af.

Responsen sker øjeblikkeligt

For det første viser studiet, at der meget hurtigt opstår en respons i planterne.

I Arabidopsis sker responsen allerede efter få sekunder, og afgrødeplanterne reagerer sandsynligvis efter et par sekunder, men forskerne målte efter 10 minutter.

Signalet toppede i forsøgene efter 25 minutter, hvorefter det aftog.

Forskerne fandt også i havre og byg, at det at børste et blad et sted på planten udløser et signal i andre blade.

”Allerede efter få minutter begynder de første gener at blive udtrykt, og fra hundredvis til tusinder af gener ender med ændret udtryk på grund af berøringen. Så stor betydning har det for planten, når den bliver rørt ved,” siger Olivier Van Aken.

Berøring øger produktionen af stresshormoner

Det mest interessante ved undersøgelsen var dog de gener, der aktiveres ved berøring.

Først aktiveres gener, der er nødvendige for hele responset. Dette omfatter gener for kinaser og transkriptionsfaktorer, som spiller ind i hele det molekylære maskineri, der oversætter gener til proteiner. Dette svarer til at dreje nøglen i tændingen på en bil, og det skal gøres først.

Efterfølgende aktiveres gener, der er involveret i opbygningen af cellevægge. Dette gælder blandt andet gener for produktion af lignin og cellulose. Den øgede produktion af disse biomolekyler styrker cellevæggene.

Forskningen viser også, at calciumsignaleringen ændres drastisk inde i plantecellerne. Dette skyldes, at calcium normalt befinder sig mellem cellerne, men når cellerne beskadiges, kan calcium strømme ind i cellerne, hvor det deltager i en række signalveje.

Beskadigelse af cellerne øger også produktionen af jasmonsyre, et stresshormon, der frigives som en del af plantens forsvar, når insekter begynder at spise af bladene.

”Derudover ser vi også, at der aktiveres en række sekundære metabolitter, som vi endnu ikke ved, hvad gør, men måske har de også noget med plantens forsvar at gøre,” siger Olivier Van Aken.

Planter kan bedøves med lægemidler beregnet til mennesker

Formålet med studiet har været at kortlægge, hvad der sker i afgrødeplanter, når de udsættes for mekanisk stress, og denne kortlægning kan ifølge Olivier Van Aken anvendes i udviklingen af mere modstandsdygtige afgrøder.

Med den nye viden i hånden kan planteforædlere se, hvilke gener der påvirkes i planter ved mekanisk stress, og disse gener kan måske aktiveres eller deaktiveres med det formål at gøre planterne mere robuste – for eksempel så de ikke vælter i vinden eller har et bedre forsvar mod insekter.

Selv håber Olivier Van Aken at blive klogere på, hvordan planterne i det hele taget fornemmer, at der bliver rørt ved dem.

I den sammenhæng har forskere fra Tjekkiet faktisk vist, at man med bedøvelse, der er beregnet til mennesker, kan forhindre planter i at reagere på, at der bliver rørt ved dem. I Arabidopsis har forskere også fundet de samme gener, som mennesker benytter til at fornemme berøring, men de ser ikke ud til at have den samme effekt i planter.

Der mangler på den måde stadig et ”missing link” mellem berøring og aktivering af et berøringsrespons.

”Der er stadig meget, som vi ikke forstår på det fundamentale niveau. Derudover er vi også meget interesseret i at finde ud af, hvordan vi kan oversætte denne fundamentale forståelse til noget, som faktisk er relevant på markerne,” siger Olivier Van Aken.