Растения могут казаться пассивными, когда насекомые начинают поедать их листья, но их защитные механизмы устроены гораздо сложнее.

Одни виды вырабатывают токсичные вещества, другие создают физические барьеры, а многие выделяют летучие соединения, которые привлекают естественных врагов вредителей.

Новое исследование показывает, что вигна способна на ещё более необычный ответ. После повреждения листовыми минёрами растение меняет среду вокруг корней так, что следующее поколение получает дополнительную защиту, даже если само никогда не подвергалось нападению.

У растений много способов защиты

Растения используют целый набор стратегий против насекомых и травоядных животных.

Мелкие волоски затрудняют движение вредителей, колючки отпугивают крупных животных, а химические соединения могут делать листья неприятными на вкус или токсичными.

Некоторые растения также выделяют особые летучие вещества, которые появляются именно после повреждения травоядными насекомыми. Они действуют почти как сигнал тревоги.

Вместо прямой борьбы с вредителем растение испускает запах, привлекающий его естественных врагов, например паразитоидных ос. Те находят насекомых, питающихся растением, и помогают сократить ущерб.

Проблема в том, что такие сигналы обычно исчезают вместе с непосредственной угрозой. Поэтому исследователи решили проверить, может ли растение оставить более долговременный защитный след через почву.

Почва может сохранять информацию

Корни делают гораздо больше, чем просто поглощают воду и питательные вещества. Растения постоянно выделяют в окружающую почву различные соединения. Эти корневые выделения влияют на микроорганизмы, живущие рядом с корнями, а те, в свою очередь, могут менять рост растений, усвоение питательных веществ и устойчивость к болезням и вредителям.

Ранее учёные уже знали, что повреждение листьев насекомыми способно менять и химический состав корневых выделений, и состав почвенного микробиома.

Но оставался вопрос: могут ли эти изменения помочь растениям, которые позже вырастут в той же почве?

Эксперимент с вигной

Исследователи работали с вигной — культурой, которую часто атакуют листовые минёры. Известно, что при повреждении листьев эти растения выделяют летучие вещества, привлекающие паразитоидных ос. Чтобы понять, может ли защитная реакция сохраняться через почву, учёные выращивали новые растения в грунте, где ранее росли либо повреждённые насекомыми, либо здоровые экземпляры.

Затем сравнивали химический состав растений, активность генов, выделение летучих веществ и изменения в микробиоме почвы.

Отдельно исследователи стерилизовали грунт и вновь заселяли его определёнными микроорганизмами. Это помогло проверить, действительно ли именно микробы участвуют в передаче защитного эффекта.

Новое поколение получило преимущество

Результаты оказались заметными. Вигна, выросшая в почве после растений, повреждённых листовыми минёрами, привлекала больше паразитоидных ос, хотя сами молодые растения ни разу не подвергались нападению.

Кроме того, они вырастали крупнее. Получается, что контакт первого поколения с вредителями изменил почвенную среду так, что следующему поколению стало легче защищаться и развиваться.

Всё начинается с гормонального сигнала

Когда листовые минёры повреждали листья, у растения активировалась сигнальная система, связанная с жасмонатами — важными растительными гормонами, участвующими в реакции на повреждение и поедание тканей.

После этого корни начинали выделять больше двух флавоноидов — дайдзеина и генистеина. Эти соединения меняли микробное сообщество вокруг корней. В частности, в почве становилось больше некоторых бактерий рода Bradyrhizobium.

Когда позже в такой почве вырастали новые растения, обогащённый микробиом, по-видимому, снова активировал защитные реакции, связанные с жасмонатами.

В результате растения выделяли больше запаховых соединений, привлекательных для паразитоидных ос.

Защита между поколениями

Этот механизм отличается от обычной кратковременной химической защиты.

Как правило, растение выделяет защитные запахи только тогда, когда его непосредственно поедают. Здесь же молодые растения привлекали паразитоидных ос даже без текущей атаки.

Предыдущее поколение фактически заранее подготовило для них почву. Исследователи описывают это как форму обратной связи между растением и почвой, при которой повреждение насекомыми оставляет длительный экологический след.

Без микробов механизм не работает

Эксперименты со стерилизованной почвой показали, что микробное сообщество играет ключевую роль.

Самого факта, что в грунте раньше росло атакованное растение, было недостаточно. Если соответствующие микроорганизмы удаляли, защитный эффект исчезал.

Когда определённые бактерии возвращали в почву, реакция появлялась снова. Это значит, что растение не хранит такую «память» самостоятельно. Эффект возникает благодаря взаимодействию корней, химических веществ и почвенных микроорганизмов.

Что это может дать сельскому хозяйству

В будущем такие механизмы могут оказаться полезными для защиты сельскохозяйственных культур. Если растения действительно способны менять микробиом почвы так, чтобы усиливать естественную защиту от вредителей, фермеры потенциально смогут использовать эти процессы вместо чрезмерной зависимости от инсектицидов широкого действия. Например, одна культура могла бы создавать почвенные условия, благодаря которым следующие растения эффективнее привлекали бы полезных насекомых. Но пока говорить о практическом применении рано.

Исследование касалось только одной культуры и одного типа вредителя. Неизвестно, работает ли такой механизм у других растений и насколько долго сохраняется эффект.

Также потребуются полевые испытания в разных почвах, климатических условиях и при повторных циклах выращивания.

Подземный союз

Исследование расширяет представление о том, как растения реагируют на опасность. Их защита не ограничивается листьями, колючками или временными химическими сигналами. Растения могут менять и микроскопическую экосистему под землёй.