Forskare avslöjar växters nervsystem

De pratar med varandra, känner igen släktingar och har ett minne. Växter har ­avancerade sinnen och nu visar en studie att de gröna genierna upptäcker angrepp och skador med hjälp av samma signalsubstans som däggdjur.

Visuals Unlimited/Nature Picture Library/Simon Gilroy/uni. of WISCONSIN-MADISON

Med lugna rörelser kryper en hungrig larv långsamt upp för växtens stjälk tills den befinner sig mitt på ett grönt blad som den sätter tänderna i.

Utifrån verkar allting fredligt och det går inte att se att växten överhuvudtaget reagerar på sin gnagande gäst. Men där under ytan går larmet för fullt, och växten är redan upptagen med att skydda sig mot larvens angrepp.

Bettet har aktiverat en elektrisk signal orsakad av elektriskt laddade joner som snabbt sprids från brottsplatsen och vidare ut i resten av växtcellerna – allt för att varna för det glupska gärningsdjuret.

Signalen har utlösts av aminosyran glutamat, samma ämne som fungerar som signalsubstans i däggdjurs nervsystem. Och glutamat har visat sig vara den viktiga pusselbit som forskarna länge har saknat för att förklara hur olika växtdelar kan kommunicera med varandra så snabbt att de hinner gardera sig mot angrepp.

VIDEO – Se hur växten reagerar på larvens bett:

Larvbett utlöser en signal

Med hjälp av ett lysande protein i växterna kan forskarna se hur en ring av kalcium sipprar fram runt bettet.

Signal strömmar ut i bladet

Efter cirka 66 sekunder har kalciumvågen spridits ut i hela bladet, som nu lyser upp.

Larmet går i hela växten

På knappt 100 sekunder har kalciumjonerna spridits från det uppätna området ut i växtens yttersta delar.

Upptäckten gjordes av en slump när en grupp amerikanska och japanska forskare, från bland annat University of Wisconsin och Saitama University i Japan, nyligen undersökte hur växterna reagerar på gravitationskraft.

Fyndet tyder på att växter överraskande nog har ett sorts nervsystem som är jämförbart med både människors och djurs

– en slutsats som understryker att våra markbundna släktingars liv och kommunikationsnätverk är betydligt mer omfattande och avancerade än vi hittills har trott.

Angrepp utlöser signal

I den nyligen publicerade studien placerade forskarna ett antal genmodifierade växter under ett ljusmikroskop för att övervaka nivåerna av kalciumjoner i växtcellerna.

Kalciumjoner utsöndras ofta i växter när de reagerar på exempelvis beröring, förändringar i gravitationskraftens riktning och temperatursvängningar. Genom att få växterna att producera ett protein som lyser upp vid höga koncentrationer av kalcium kunde forskarna noggrant följa växternas reaktion under mikroskopet.

När forskarna släppte ned en larv på växterna kunde de se en våg av ljus som först sipprade fram runt det uppätna området och efter några sekunder spreds ut i växtens mest avlägsna delar.

Där ledde den till att en arsenal av giftämnen, med uppgift att försvara växten mot fortsatta angrepp, började produceras.

Men ljusvågen försvann när forskarna sedan blockerade de proteiner på cellernas yta som hade aktiveras av glutamat och det stod klart att aminosyran spelar en avgörande roll för växtens snabba reaktion och motdrag mot att bli skadad – på samma sätt som det gör i däggdjurs nervsystem där det även överför signaler mellan cellerna genom att öppna jonkanaler.

Växter kan se, sova och skvallra

1 / 4

undefined

1234

Studier har visat att växter och djur har många gemensamma förmågor. De kan exempelvis avläsa sin omgivning med hjälp av speciella ljuskänsliga celler i bladen, sova genom att förändra saftspänningen i sina celler och tala med varandra genom luftburna kemiska signaler.

© Ken Ikeda/Shutterstock

De båda systemen fungerar på mycket olika sätt, detta trots att både växter och djur enligt studien alltså använder glutamat för att kommunicera på cellnivå.

Den mest väsentliga skillnaden är att växter, till skillnad från däggdjur, inte har regelrätta nervceller och därmed inte heller kan känna smärta – en skillnad som är logisk för rotväxter eftersom smärtsignalen har till syfte att varna djuren att de bör fly från någon fara. Dessutom är det stor skillnad mellan de elektriska signalernas hastighet.

Under det nya försöket spreds kalciumsignalen i de genmodifierade växterna med en topphastighet på cirka en millimeter i sekunden, vilket är blixtsnabbt mätt med växtmått, men extremt långsamt jämfört med djurens signalhastighet, eftersom deras elektriska strömningar kan förflytta sig med upp till 120 meter i sekunden.

Växter har bra minne

Men trots de uppenbara skillnaderna använder djur och växter alltså samma signalsubstans för att kommunicera på cellnivå. Och det är inte första gången de gröna, flercelliga organismerna överraskar forskarna med sina djurliknande egenskaper.

Flera studier har exempelvis visat att växter både kan lära sig saker och minnas dessa. I en studie från The University of Western Australia, Australien, försökte forskare träna ärtväxter på samma sätt som hundar tränas att koppla ihop exempelvis ljudet från en klocka och mat – så kallad associativ inlärning.

I försöket placerades små sticklingar av ärtväxterna under en enkel labyrint bestående av ett vattenrör med två utgångar. När växterna nådde en viss höjd kom de till ett vägskäl där de antingen var tvungna att växa åt höger eller åt vänster i röret.

Mykorrhizasvampar bildar enorma nätverk under jorden i anknytning till rötterna, som växter använder till att dela på näringsämnen och varna varandra om exempelvis sjukdomar.

© Science Source/ImageSelect

Forskarna delade in växterna i två grupper som fick växa vidare under olika omständigheter – en grupp utsattes för blåst från en ventilator efterföljt av blått ljus i samma rör medan den andra gruppen först utsattes för blåst från det ena röret och sedan ljus från det andra.

Därefter testades växterna och det visade sig att ärtväxterna i den första gruppen växte mot blåsten – även när det inte var tänt.

Växterna drog alltså lärdom av sina tidigare erfarenheter och kopplade ihop blåsten från ventilatorn med ljuset. Experiment på mimosaväxter bekräftar det extrema beteendet. Växterna är mycket beröringskänsliga och deras försvarsmekanism är att vika ihop sina blad när de vidrörs.

I försöket lät forskare växterna upprepade gånger falla från 15 meters höjd. Vid de första tre till fyra fallen stängde växterna bladen som väntat, men vid det femte fallet började de tveka och efter 60 fall reagerade de inte längre på något sätt.

Växterna lärde sig att fallen inte var livsfarliga och slutade lägga krafter på att försvara sig – och så var det även när forskarna gjorde om försöket en månad senare. När växterna ruskades om vek de däremot fortfarande ihop bladen så den uteblivna reaktionen var inte resultatet av att de hade förstörts.

Varnar varandra

Att växter innehåller mer än vad vi ser på ytan är ingen ny teori. Redan 1880 föreslog den engelske naturhistorikern Charles Darwin att växter är intelligenta och att deras version av en hjärna ligger i rötterna. Det är en slutsats som har bekräftats många gånger, bland annat med fyndet av nätverk i anknytning till rötterna, där växterna hjälper varandra genom att skicka näringsämnen och varningar över längre avstånd.

Växter använder samma signalsubstans som djur

När en växt skadas sänder den ut en våg av elektricitet till alla celler och stimulerar ett slags immunrespons. Forskare har nu avslöjat att nyckeln till signalen är aminosyran glutamat, som även är ett viktigt signalämne i däggdjurs nervsystem.

1.

En växtätare tar en bit av växten som inom några sekunder utlöser signalämnet glutamat i den skadade vävnaden.

2.

Signalämnet läcks antingen direkt från det förstörda området eller friges aktivt från cellerna till följd av skadan. Därifrån strömmar glutamatet ut i det närliggande kärlsystemet.

3.

Glutamatet fäster sig vid så kallade glutamatreceptorer, som sitter på cellernas yta, och öppnar jonkanaler.

4.

Öppnandet av jonkanalerna resulterar i att kalcium strömmar in i cellerna och öppnar nya kanaler så att kalciumjonerna kan förflytta sig mellan cellerna.

5.

De laddade kalciumjonerna skapar en våg av elektriska signaler mellan cellerna och aktiverar samtidigt en rad enzymer som ökar produktionen av växthormonet jasmonat.

6.

Hormonet skyddar växten genom att utlösa en arsenal av bittra giftämnen, exempelvis garvsyra, som kan göra larven sjuk.

Nätverken består av svampar som kallas mykorrhiza, och deras sammanlagda massa på jorden uppskattas vara 30 miljarder ton.

En stor procentandel av jordens växtarter tros vara anknutna till de mer än 400 miljoner år gamla nätverken, vilka bland annat gör det möjligt för dem att varna varandra för sjukdomar i närområdet med hjälp av kemiska signaler samt skicka kolhydrater till skuggade artfränder, det vill säga växter som saknar energi från solens ljus.

Mycket tyder alltså på att de gröna organismerna rymmer mer än vi hittills har trott. Och fyndet av glutamat som en viktig signalsubstans i växternas försvar mot angrepp är ytterligare en överraskande upptäckt som hjälper till att förklara hur de kommunicerar.

Läs också:

Växter

Forskare avslöjar växters nervsystem

7 minuter
Plants pain 15/2014
Växter

Kan växter känna smärta?

0 minuter
Växter

Hur kan växter röra sig?

0 minuter

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!