Jak lotne związki organiczne wzmacniają obronę roślin i oferują zrównoważone rozwiązania w zakresie zwalczania szkodników

Lotne związki organiczne (LZO) to niezbędne sygnały lub zapachy unoszące się w powietrzu, które umożliwiają roślinom komunikację z innymi organizmami i roślinami na krótkie i duże odległości. Kluczowy aspekt tej komunikacji ma miejsce, gdy roślina zostaje uszkodzona przez szkodniki roślinożerne, co powoduje uwolnienie LZO.

Związki te mogą zostać wykryte przez sąsiednie rośliny, co skłania je do wzmocnienia swojej obrony przed potencjalnymi zagrożeniami. Ta złożona strategia biochemiczna umożliwia roślinom skuteczną ochronę przed różnymi stresami.

Kierunek ten cieszy się ostatnio dużym zainteresowaniem ze względu na jego obiecujące zastosowania w rolnictwie. W tym duchu profesor Gen-ichiro Arimura i jego kolega Takuya Uemura z Uniwersytetu Naukowego w Tokio w Japonii postanowili zbadać ścieżki molekularne leżące u podstaw tej komunikacji i jej potencjalnych zastosowań w zrównoważonym rolnictwie.

Ich recenzja została opublikowana w Internecie 11 października 2024 r. w Trendy w nauce o roślinachrzuca światło na te skomplikowane procesy i ich konsekwencje dla rozwoju rolnictwa. W badaniu zbadano, w jaki sposób zrozumienie komunikacji między roślinami może prowadzić do innowacyjnych strategii ochrony upraw i poprawy plonów, potencjalnie rewolucjonizując zrównoważone rolnictwo.

„Chociaż rośliny nie posiadają wyrafinowanego układu węchowego jak zwierzęta, są w stanie wykryć szeroką gamę LZO i zareagować na nie w oparciu o podobieństwa strukturalne do związków, które one same lub ich przodkowie napotkali podczas korzystnych lub szkodliwych interakcji z różnymi organizmami” – wyjaśnia prof. .

Rośliny emitują różne rodzaje LZO, gdy są atakowane, takie jak izopren, terpenoidy i substancje lotne z zielonych liści. Związki te od dawna uznawano za rolę w sygnalizacji między gatunkami, przyciąganiu pożytecznych owadów lub odstraszaniu roślinożerców.

Warto zauważyć, że monoterpenoidy, które są bogate w rośliny mięty, zostały skomercjalizowane ze względu na ich właściwości odstraszające szkodniki, przeciwdrobnoustrojowe i jajobójcze. Badanie to ujawniło, że te interakcje między roślinami nie ograniczają się do roślin spokrewnionych, ale mogą również zachodzić między roślinami niespokrewnionymi.

Po wyemitowaniu LZO są wchłaniane przez aparaty szparkowe i dyfundują przez komórki mezofilowe sąsiadujących roślin. Odpowiedź rośliny obejmuje skomplikowane mechanizmy sygnalizacji wewnątrzkomórkowej i międzykomórkowej. Na przykład przepływy wapnia odgrywają kluczową rolę w kaskadach sygnalizacyjnych.

W roślinach otrzymujących LZO węglowodory, takie jak β-kariofilen, mogą regulować ekspresję genów poprzez interakcję z chromatyną – strukturą kontrolującą dostępność DNA. Proces ten, znany jako przebudowa chromatyny, wyzwala aktywację transkrypcji genów, przygotowując w ten sposób roślinę do wzmocnionych odpowiedzi obronnych.

Obecnie chemiczne pestycydy są szeroko stosowane w celu ochrony upraw, ale ich szkodliwy wpływ na środowisko, w połączeniu z rosnącym zapotrzebowaniem na wyższą produktywność żywności, uwypukla potrzebę opracowania bezpieczniejszych alternatyw. Zastosowanie LZO stanowi zrównoważone rozwiązanie, promujące zarówno ochronę upraw, jak i produktywność, przy jednoczesnym zmniejszeniu zależności od pestycydów i innych szkodliwych substancji chemicznych.

Ponadto to nowatorskie podejście obniży koszty produkcji i zwiększy wartość produktów, ponieważ większość konsumentów preferuje „uprawy wolne od pestycydów” ze względu na swoje ogólne samopoczucie.

„Jednym z obiecujących podejść jest włączenie roślin towarzyszących, takich jak mięta doniczkowa, mięta cukierkowa i mięta pieprzowa, które stale emitują korzystne lotne związki organiczne. Ponadto opracowanie biostymulatorów – substancji pobudzających wzrost roślin i tolerancję na stres – mogłoby jeszcze bardziej wzmocnić interakcje między roślinami” – twierdzi prof. . Dodaje także, że komercyjne produkty oparte na nowatorskich odkryciach będą wkrótce dostępne do zastosowania w rolnictwie.

Praktyczne wdrożenie technologii opartych na LZO w rolnictwie wiąże się jednak z kilkoma wyzwaniami, takimi jak reakcje zależne od dawki, nieodpowiednie odległości między roślinami i wysokie stężenia LZO (allelochemikaliów), które mogą potencjalnie hamować wzrost sąsiadujących roślin.

Przegląd ten toruje drogę do dalszych badań LZO w kontekście rolnictwa, wzywając społeczność naukową do współpracy z rolnikami i decydentami w celu wykorzystania siły komunikacji między roślinami. Wykorzystując naturalne mechanizmy sygnalizacyjne roślin, można opracować zrównoważone praktyki rolnicze, które nie tylko poprawiają produktywność upraw, ale także promują zdrowie środowiskowe.