kasvit ovat kehittäneet hämmästyttävän monimutkaisen puolustukseen liittyvien strategioiden järjestelmän suojautuakseen paikallisilta haavoittumisilta.1-7 kasvien itsepuolustusvasteiden tärkeitä ominaisuuksia ovat niiden nopeus ja ubikiteetti. Vahinkoa aiheuttaviin tekijöihin on todettu reagoivan nopeasti (minuuteista tunteihin) vammautumispaikalla ja kaukaisilla alueilla (systeeminen vaste) eri kasveissa.8-11 nämä havainnot viittaavat siihen, että yhden lehden hyökkäyksen synnyttämä signaali välittyy kokonaisen kasvin kautta. Useita erilaisia kemiallisia 3, 6 ja fyysisi12-signaaleja, jotka johtuvat paikallisista haavoittumisista ja jopa niiden yhdistymisestä13, on havaittu. Näiden signaalien vuorovaikutuksesta ja lyhyen aikavälin systeemisten vasteiden käynnistysmekanismeista tiedetään kuitenkin vähän.

olemme käyttäneet mallijärjestelmää—tupakkakasveja, jotka altistuvat paikalliselle palamiselle—fotosynteettisten laitteiden nopeisiin haavavasteisiin liittyvien signaalien tutkimiseen.14 tupakkakasvin ylälehden paikallinen polttaminen aiheutti nopeita muutoksia pinnan sähköisessä potentiaalissa (muutamassa sekunnissa) ja ilmatiiviin konduktanssin, CO2-assimilaation ja transpiraation voimakasta nopeaa laskua (muutamassa minuutissa) basipitaaliseen suuntaan (kuva. 1). Lisäksi olemme havainneet nopeasti (muutamassa minuutissa) ohimenevää endogeenisen abskissihapon (ABA) tason nousua, jota seuraa endogeenisen jasmonihapon (JA) valtava nopea nousu palaneen aineen alapuolella olevassa lehdessä. ABA: n ja jasmonaattien tiedetään osallistuvan avomaiden sulkeutumiseen ja fotosynteesin alasäätelyyn johtaviin signalointireitteihin.15,16 ABA-ja/tai JA-tasojen nousua on aiemmin havaittu vain kaukaisissa käsittelemättömissä kudoksissa useiden tuntien kuluttua paikallisesta kudoksesta8,9, mikä viittaa siihen, että kemialliset signaalit ovat liian hitaita aiheuttamaan nopeaa systeemistä vastetta. Aiemmissa teoksissa on kerrottu, että nopeilla fyysisillä (sähköisillä) signaaleilla on keskeinen rooli lyhytaikaisissa systeemisissä fotosynteettisissä vasteissa.11,17 mimosa18: ssa ja meidän tapauksessamme tupakka14: ssä on kuitenkin raportoitu useiden minuuttien viivästynyt avanne sulkemisvaste sähköisten potentiaalisten muutosten aloittamisen jälkeen. Siksi suojakennon deflaation laukaisevat mitä todennäköisimmin sähköisen signaalin lisäksi myös epäsuorat tekijät. Läheisten korrelaatioiden perusteella tuloksemme tarjoavat nyt uutta näyttöä ajatukselle, että kemialliset signaalit (ABA ja pääasiassa JA) osallistuvat tupakkakasvien paikallisen palamisen lyhyen aikavälin systeemisten fotosynteettisten vasteiden välittämiseen.

kysymys kuuluu, miten fysikaaliset (sähköiset ja / tai hydrauliset) ja kemialliset signaalit toimivat? Ne voivat itsenäisesti aiheuttaa systeemisten vasteiden tiettyjä elementtejä. Ne toimivat kuitenkin todennäköisemmin koordinoidusti ja vuorovaikutteisesti. Tässä skenaariossa (KS. 1), ensimmäisten minuuttien kuluessa paikallisesta palamisesta, röntgenlääkkeen kautta basipetaalisesti ja akropetaalisesti välittyvä hydraulinen Aalto kuljettaisi haavasta vapautuneita kemikaaleja (hydraulinen dispergointi19) ja aiheuttaisi muutoksia ympäröivien elävien solujen ionivuodoissa, jotka johtavat paikalliseen sähköiseen toimintaan.12,13 hydraulisen dispersaalin hypoteesia tukevat alustavat kokeet fluoresoivalla väriaineella Rhodamiini B, jota käytetään tupakkakasvien ylälehden leikattuun petioleen osoittaen, että liuokset voidaan kuljettaa nopeasti (muutamassa minuutissa) basipetaalisesti haavoittumisen jälkeen.

ABA: n kertymisen nopea kinetiikka ja ohimenevä luonne 14 viittaavat siihen, että pääasiallinen kuljetusmekanismi on ksyleemissä tapahtuva hydraulinen dispergoituminen. ABA: n osallistumista systeemisen sähköisen toiminnan tuottamiseen ja/tai päinvastoin ei voida sulkea pois.8,20

kemikaalien nopeaa hydraulisesti ohjattua kuljetusta haavoittuneen laitoksen ksyleemissä päinvastaisessa (basipetaalisessa) suunnassa19,21 hikoiluvirtaan ei yleisesti hyväksytä. Vahingoittumattomien kasvien lehtien altistaminen radioaktiivisille merkityille molekyyleille kemiallisen signaalinkuljetuksen nopeuden määrittämiseksi voisi olla väärin, koska vahingoittumattomissa kasveissa ei synny hydraulista signaalia ja silloin havaittu kuljetusnopeus on liian hidas. Lisäksi aikaisempi työ22 osoitti, että itse massavirta tai siihen liittyvät painemuutokset eivät indusoi systeemistä vastetta (proteinaasi-inhibiittoritoimintaa). Siten kemiallisten aineiden teho nopeassa systeemisessä signaloinnissa näyttää riippuvan hydraulisiin signaaleihin liittyvien massavirtojen kuljettamisesta.19

hydraulinen dispergointi vaikuttaa kuitenkin vain muutaman minuutin ajan, kunnes kaikki haavasta vapautuva vesi on loppunut.21 minkä tahansa liuottimen hydraulinen hajaantuminen edellyttää sen läsnäoloa haavoittuneessa kudoksessa haavoittumishetkellä.19 havaitut hitaammat JA-kertymäkinetiikat kuin ABA: n tapauksessa ja JA-tasojen valtava nousu 14 viittaavat siihen, että JA-kertymäkinetiikka on systeemistä myös joidenkin muiden prosessien kautta.

johtuuko ylimääräinen JA-kertymä vahingoittumattomien lehtien de-novo-synteesistä reaktiona fyysiseen signaaliin, vai Johtuuko se haavoittuneiden lehtien JA-kuljetuksesta? Pidemmällä aikavälillä olisi myös harkittava phloem-kuljetusta23. Tomaatinkasveilla tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että de novo JA-synteesiä kaukaisissa lehdissä ei tarvita systeemiseen vasteeseen ja että JA: n biosynteesi haavassa on tarpeen systeemisen signaalin tuottamiseksi.7 nikotiana sylvestris-bakteerin ja riisin haavoittuneessa kudoksessa on havaittu lyhytaikainen endogeenisten JA-pitoisuuksien nousu.10

kokeissamme havaittu nopea purkaus systeemisessä ja-kertymässä14 viittaisi kuitenkin erittäin nopeaan ja äärimmäiseen sekä-kertymään haavassa ennen sen kuljetusta. Systeeminen JA-kertymä (1 tunnin kuluessa 14) edelsi haavoittuneen lehden ja-biosynteesiin osallistuvien entsyymien muodostumista.

näin ollen useiden prosessien on ehdotettu vaikuttavan erittäin nopeaan ja valtavaan JA-kertymään:

1. JA-kertymän aloittaminen olemassa olevilla entsyymeillä, 24

2. vapaan JA-kertymän nopea vapautuminen sen varastoaltaista soluissa (esim., JA-konjugaatteja25),

3. haavoittuneen lehden floeemin suora sisäänotto (JA) ja xyleemin ja floemin välinen vaihto vaikeiden haavojen seurauksena,26

4. massavirta (joka sisältää jäljellä olevat JA: T), joka johtuu pääasiassa akropetaalisesti ksyleemissä hikoilusta hydraulisen syöksypiikin vaimennuksen jälkeen,21

5. ja kertymisestä nopeasti välittävällä fyysisellä (sähköisellä tai hydraulisella) signaalilla,joka johtaa ionivirtojen epätasapainoon,8, 12, 27

6. ja kertymistä (ja sitä seuraavaa kuljetusta) suoraan floeemiin, jossa ja biosynteettiset entsyymit ovat sijaitsee (ainakin tomato24: ssä),

7. haavoittuneen lehden ympäröivään ilmaan leviävät haihtuvat kemialliset yhdisteet (JA: n metyyliesteri) voisivat toimia signalointimolekyyleinä ja JA: n lähteinä.25,28

edellä mainittujen mekanismien merkityksellisyys on tarkistettava lisätutkimuksilla. Monimutkainen kvantitatiivinen ja kineettinen analyysi JA-ja ABA-pitoisuudesta, sen biosynteettisten johdannaisten (myös haihtuvien aineiden ympäröivässä ilmassa) tasoista ja samanaikainen fyysisen signaalin havaitseminen haavoittuneissa ja kaukaisissa rajaamattomissa kudoksissa täyttäisi jäljellä olevan tyhjiön niiden roolista ja vuorovaikutuksista haavasignaalin transduktioverkoissa. Lisäksi olisi hyödyllistä tukahduttaa muita signalointireittejä, joilla on samanlainen kuljetuskinetiikka (esim.haihtuvien yhdisteiden siirto, systemiinin ja oligosakkaridien muodostuminen ja/tai kuljetus mutanttikasvien avulla).

eläinten hermoston nopean fyysisen (sähköisen) signaloinnin ja kasvien fyysisen (sähköisen) signaloinnin välillä on jo havaittu huomattavaa samankaltaisuutta.29,30 kemiallisten ja sähköisten signaalien vuorovaikutus on hyvin dokumentoitu synapsien jälkeisten tapahtumien osalta eläimillä. Datamme vahvistaa nyt kemiallisten signaalien roolia kasveissa fysikaalisten signaalien rinnalla nopeassa systeemisessä haavavasteessa; kemikaalien roolia kasveissa on tähän asti usein aliarvioitu.