rośliny wyewoluowały niezwykle złożony system strategii związanych z obronnością, aby chronić się po lokalnych zranieniach.1-7 ważnymi cechami reakcji samoobrony roślin są ich prędkość i wszechobecność. Rzeczywiście, Szybkie (od kilku minut do kilku godzin) reakcje na szkodliwe czynniki zostały wykryte w miejscu urazu i w odległych regionach (odpowiedź systemowa) u różnych roślin.8-11 te ustalenia sugerują, że sygnał generowany przez atak na jeden liść jest przesyłany przez całą roślinę. W grę wchodzi kilka rodzajów sygnałów chemicznych3, 6 i fizycznych12 wywołanych przez miejscowe zranienia, a nawet ich kombinacja13. Jednak niewiele wiadomo o interakcjach tych sygnałów i o mechanizmach inicjowania krótkoterminowych reakcji systemowych.

wykorzystaliśmy modelowy system—rośliny tytoniowe narażone na lokalne spalanie—do badania sygnałów związanych z szybką reakcją na rany aparatu fotosyntetycznego.14 miejscowe spalanie górnego liścia rośliny tytoniowej wywołało gwałtowne zmiany powierzchniowego potencjału elektrycznego (w ciągu kilku sekund) i wyraźny szybki spadek przewodnictwa w jamie ustnej, asymilację CO2 i transpirację (w ciągu kilku minut) w kierunku podstawy (rys. 1). Ponadto wykryliśmy szybki (w ciągu kilku minut) przejściowy wzrost poziomu endogennego kwasu abscysynowego (ABA), a następnie ogromny szybki wzrost endogennego kwasu jasmonowego (JA) w liściu poniżej spalonego. Wiadomo, że ABA i jasmoniany biorą udział w szlakach sygnałowych prowadzących do zamknięcia jamy ustnej i zmniejszenia procesu fotosyntezy.15,16 zwiększenie stężenia ABA i (lub) JA było wcześniej wykrywane tylko w odległych, nieleczonych tkankach kilka godzin po miejscowym zranieniu 8, 9, co sugeruje, że sygnały chemiczne są zbyt wolne, aby wywołać szybką odpowiedź ogólnoustrojową. Wcześniejsze prace donoszą, że szybkie sygnały fizyczne (elektryczne) odgrywają zasadniczą rolę w krótkoterminowych układowych reakcjach fotosyntetycznych.11,17 jednak w przypadku mimosy18, a w naszym przypadku w roślinach tytoniowych14, odnotowano kilkuminutową opóźnioną reakcję zamykania aparatów szparkowych po zainicjowaniu zmian potencjału elektrycznego. Dlatego deflacja komórek ochronnych jest najprawdopodobniej wyzwalana nie tylko przez sygnał elektryczny, ale także przez czynniki pośrednie. Opierając się na ścisłych korelacjach, nasze wyniki dostarczają nowych dowodów na to, że sygnały chemiczne (ABA i głównie JA) uczestniczą w pośredniczeniu w krótkoterminowych systemowych reakcjach fotosyntetycznych na miejscowe spalanie w roślinach tytoniowych.

pytanie brzmi, jak działają sygnały fizyczne (elektryczne i/lub hydrauliczne) i chemiczne? Mogą one niezależnie wywoływać określone elementy reakcji ogólnoustrojowych. Są jednak bardziej skłonni do działania w skoordynowany, interaktywny sposób. W tym scenariuszu (patrz Rys. 1), w ciągu pierwszych minut po miejscowym spalaniu, przepięcie hydrauliczne przenoszone basipetally i acropetally przez ksylem transportowałoby chemikalia uwolnione w miejscu rany (dyspersja hydrauliczna19) i wywoływało zmiany w przepływach jonowych w otaczających żywych komórkach prowadzące do lokalnej aktywności elektrycznej.12,13 hipoteza dyspersji hydraulicznej jest poparta naszymi wstępnymi eksperymentami z fluorescencyjnym barwnikiem Rhodamine B nałożonym na cięte ogonki górnego liścia roślin tytoniowych, pokazując, że rozpuszczone substancje mogą być szybko transportowane (w ciągu kilku minut) zasadowo po zranieniu.

szybka Kinetyka i przejściowy charakter akumulacji ABA14 sugerują, że głównym mechanizmem transportowym jest dyspersja hydrauliczna w ksylemie. Nie można wykluczyć udziału ABA w generowaniu ogólnoustrojowej aktywności elektrycznej i/lub odwrotnie.8,20

szybki,napędzany hydraulicznie transport chemikaliów w ksylemie rannej rośliny w kierunku odwróconym (basipetalowym) 19, 21 do strumienia transpiracji nie jest powszechnie akceptowany. Narażenie liści nieuszkodzonych roślin na radioaktywne znakowane cząsteczki w celu określenia prędkości transportu sygnału chemicznego może być błędne, ponieważ sygnał hydrauliczny nie jest generowany w nieuszkodzonych roślinach, a następnie wykryta prędkość transportu jest zbyt wolna. Co więcej, poprzednia praca22 wykazała, że ani sam przepływ masy, ani związane z nim zmiany ciśnienia nie wywołują reakcji ogólnoustrojowej (aktywność inhibitora proteinazy). Tak więc skuteczność środków chemicznych w szybkiej sygnalizacji systemowej wydaje się zależeć od transportu przez przepływy masowe związane z sygnałami hydraulicznymi.19

jednak hydrauliczne rozpraszanie działa tylko przez kilka minut, aż cała woda uwolniona w miejscu rany zostanie wyczerpana.21 warunkiem hydraulicznego rozpylania jakiejkolwiek substancji rozpuszczonej jest jej obecność w zranionej tkance w czasie zranienia.19 wykryto wolniejszą kinetykę akumulacji JA niż w przypadku ABA i ogromny wzrost poziomów JA14 wskazują na systemową akumulacji JA również przez niektóre dodatkowe procesy.

czy dodatkowa akumulacja JA powstaje w wyniku syntezy de-novo w nieuszkodzonych liściach w odpowiedzi na sygnał fizyczny, czy też powstaje w wyniku transportu JA z zranionych liści? W dłuższych ramach czasowych należy również rozważyć transport floemów23. Eksperymenty z roślinami pomidorów wykazały, że synteza de novo JA w odległych liściach nie jest wymagana do reakcji ogólnoustrojowej, a biosynteza JA w miejscu rany jest niezbędna do generowania sygnału ogólnoustrojowego.Istotnie, krótkotrwałe zwiększenie endogennego stężenia JA wykryto w zranionej tkance u Nicotiana sylvestris9 i ryżu.10

jednak gwałtowny wybuch ogólnoustrojowej akumulacji JA stwierdzony w naszych eksperymentach14 spowodowałby ultraszybką i ekstremalną akumulację JA w miejscu rany przed jej transportem. Systemowe nagromadzenie JA (w ciągu 1 godziny14) poprzedzało wytwarzanie enzymów biorących udział w biosyntezie JA w zranionym liściu.

sugeruje się zatem, że kilka procesów odgrywa rolę w ultraszybkiej i ogromnej akumulacji JA:

1. inicjowanie akumulacji JA przez istniejące wcześniej enzymy,24

2. szybkie Uwalnianie wolnego JA z jego puli pamięci w komórkach (np., Ja-koniugaty25),

3. bezpośrednie wychwytywanie elicytorów (JA) przez floem zranionego liścia i wymiana między ksylem i floem w wyniku ciężkich ran,26

4. przepływ masowy (zawierający Pozostałe JA) napędzany głównie acropetally w ksylem przez transpirację po tłumieniu przepięć hydraulicznych,21

5. akumulacja JA wywołana przez szybkie przesyłanie sygnału fizycznego (elektrycznego lub hydraulicznego), który prowadzi do nierównowagi w strumieniach jonowych,8,12, 27

6. ja akumulacja (i późniejszy transport) bezpośrednio w floemie, gdzie enzymy biosyntetyczne ja są zlokalizowane (przynajmniej w tomato24),

7. lotne związki chemiczne (metyloester JA) rozprzestrzeniające się w otaczającym powietrzu zranionego liścia mogą służyć jako cząsteczki sygnalizacyjne i źródła JA.25,28

znaczenie wyżej wymienionych mechanizmów należy sprawdzić w dalszych badaniach. Kompleksowa analiza ilościowa i kinetyczna zawartości JA i ABA, poziomów jej pochodnych biosyntetycznych (także substancji lotnych w otaczającym powietrzu) i jednoczesne wykrywanie sygnału fizycznego w zranionych i odległych, nieobojętnych tkankach wypełniłoby pozostałą pustkę na temat ich roli i interakcji w sieciach transdukcji sygnału rany. Ponadto użyteczne byłoby zahamowanie innych szlaków sygnałowych o podobnej kinetyce transportu (np. przenoszenie związków lotnych, wytwarzanie systemin i oligosacharydów i/lub transport, przy użyciu zmutowanych roślin).

odnotowano już znaczne podobieństwo między szybkim fizycznym (elektrycznym) sygnalizacją w układzie nerwowym zwierząt w porównaniu z fizycznym (elektrycznym) sygnalizacją w roślinach.29,30 interakcja sygnałów chemicznych i elektrycznych jest procesem dobrze udokumentowanym dla zdarzeń postsynaptycznych u zwierząt. Nasze dane wzmacniają teraz rolę sygnałów chemicznych obok sygnałów fizycznych w roślinach w szybkiej ogólnoustrojowej reakcji na rany; taka rola chemikaliów w roślinach była do tej pory często niedoceniana.