Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Kunnskap om hvordan plantene forsvarer seg kan brukes til å utvikle nye varianter av matplanter som ris og mais. (Illustrasjon: Anwar sadad / Shutterstock / NTB scanpix)
Kunnskap om hvordan plantene forsvarer seg kan brukes til å utvikle nye varianter av matplanter som ris og mais. (Illustrasjon: Anwar sadad / Shutterstock / NTB scanpix)

Slik vet planten om den blir utsatt for et insekt eller sykdom

Planter har nok av fiender, fra insekter og beitende dyr til sykdom og tørke. Hvordan kan planter skille mellom ulike typer angrep og forsvare seg mot dem?

Publisert

Det er med planter som med oss mennesker. Når vi utsettes for skader eller sykdommer, svarer kroppen med å sette i gang ulike forsvarstiltak. Men en virusinfeksjon krever selvsagt helt andre tiltak enn uttørking gjør.

Cellene reagerer på mekaniske og kjemiske signaler, litt som vi gjør på restaurant. Lukt og smak er kjemiske signaler, mens konsistensen er et mekanisk signal.

Mennesker svarer på sansesignaler fordi vi har dedikerte mekanismer som gir både enkle responser i form av reflekser og mer komplekse i form av forsvar eller flukt. Dette er kontrollert av en koordinerende og samlende hjerne.

Men hvordan forsvarer planter seg mot ulike typer angrep?

Stor verdi for matplanter

Svaret på dette spørsmålet kan være viktig blant annet når vi skal forsøke å utvikle nye varianter av matplanter som ris og mais. Verdien av forskningen er derfor potensielt stor, både økonomisk og for å dekke matbehovet til en stadig voksende menneskebefolkning. Mais utgjør rundt 40 prosent av kornforsyningen i verden. Ris er hovednæringskilden for rundt halvparten av verdens befolkning.

Noen svar får vi i en bakgrunnsartikkel som nylig ble publisert i tidsskriftet Nature Plants. En av forfatterne er professor Thorsten Hamann ved Institutt for biologi på NTNU.

Han og flere av kollegene har undersøkt vårskrinneblom (Arabidopsis thaliana), en liten blomsterplante som er en såkalt modellart. Det betyr at forskning på denne planten er enklere og raskere å utføre enn med andre planter, samtidig som den har mange egenskaper som er mer eller mindre allmenngyldige for flere planter, som nettopp ris og mais.

Cellevegger er avanserte strukturer. Forståelsen for rollene deres har økt kraftig de siste årene. (Illustrasjon: Vaahtera et al, Nature Plant)
Cellevegger er avanserte strukturer. Forståelsen for rollene deres har økt kraftig de siste årene. (Illustrasjon: Vaahtera et al, Nature Plant)

Celleveggene ikke bare døde

For noen tiår siden så biologene på plantenes ytre cellevegger som lite annet enn dødt materiale som stivet opp resten av plantens mer viktige og spennende deler. Men sånn er det ikke lenger.

– Cellevegger er dynamiske strukturer som gir mekanisk støtte under veksten og utviklingen, og som bidrar til at planten kan tilpasse seg endringer i omgivelsene, sier professor Hamann.

Plantenes cellevegger er mye sterkere enn de tynne strukturene som omgir cellene våre. Det er nødvendig fordi plantenes celler har et trykk inne i seg som tilsvarer noenlunde trykket i et bildekk. Deres cellevegger består i stor grad av mikrofibre av cellulose, et sterkt materiale som kan takle dette trykket.

– Veggene sørger for at cellene ikke eksploderer, konstaterer professor Hamann.

Men cellevegger er langt mer avanserte enn som så.

Vårskrinneblom kan gi oss noen av svarene på hvordan planter forsvare seg. (Illustrasjon: lehic / Shutterstock / NTB scanpix)
Vårskrinneblom kan gi oss noen av svarene på hvordan planter forsvare seg. (Illustrasjon: lehic / Shutterstock / NTB scanpix)

Plasmamembranen

Om celleveggene skal svare på påvirkninger, må det også finnes mekanismer som sørger for at disse påvirkningene utløser rett respons. Slike mekanismer må overvåke tilstanden til celleveggene og utløse endringer i cellenes metabolisme eller stoffskifte, som består av mange kjemiske reaksjoner, som gjør at planten reagerer riktig.

Interessant nok er en lignende forsvarsmekanisme funnet i gjærceller, en encellet organisme nødvendig for å lage øl, brød og vin. Dette kan tyde på at dette er en variant av en svært tidlig type forsvar som gjorde at selv encellede organismer kunne forsvare seg riktig.

Forskere tilknyttet Hamanns laboratorium ved NTNU har undersøkt disse mekanismene og vist hvordan de bidrar til planetenes forsvar og utvikling. For tida arbeider postdoktor Lauri Vaahtera og doktorgradsstipendiat Julia Schulz med å forstå prinsippene som regulerer disse mekanismene og som forandrer den kjemiske sammensetningen av plantene.

– Den ytre delen av celleveggen er stiv, men mellom celleveggen og resten av cellen ligger en plasmamembran som kan reguleres alt etter hvordan celleveggene blir påvirket. Mye av forsvarsaktiviteten skjer i denne overgangen, kalt apoplasten, mellom den ytre celleveggen og resten av cellen, forklarer Hamann.

Sentralt i forsvaret står noen korte proteinmolekyler kalt peptider. Noen peptider kan blant annet fungere som et slags signalstoff. Disse signalstoffene binder seg til forskjellige reseptorer for å utløse ulike forsvarsreaksjoner alt etter type angrep.

Figuren viser noen av mekanismene som utløses i reseptorene THE1 og FER når en plante utsettes for angrep. For en mer utfyllende beskrivelse se referansen nederst i saken. (Illustrasjon: Vaahtera et al, Nature Plants)
Figuren viser noen av mekanismene som utløses i reseptorene THE1 og FER når en plante utsettes for angrep. For en mer utfyllende beskrivelse se referansen nederst i saken. (Illustrasjon: Vaahtera et al, Nature Plants)

Regulerer bindinger med surhetsgrad

– Ulike forsvarstiltak reguleres blant annet ved at planten endrer surhetsgrad (pH) når den utsettes for en påkjenning, forklarer professor Hamann.

Ta for eksempel en plante som utsettes for en mekanisk påvirkning, som at en gresshoppe gnager på et blad. Gresshoppen ødelegger celleveggene og fører til at trykket går ned. Dette utløser en reaksjon som er avhengig av en reseptor i plasmamembranen kalt THESEUS1, eller THE1. Reaksjonen aktiverer forsvarsmekanismer som skal motvirke videre trykkfall ved å initiere reparasjoner.

Forsvaret omfatter også andre reseptorer og reguleres av flere såkalte peptider. Surhetsgraden er med på å avgjøre om disse peptidene binder seg til reseptorene eller ikke.

Det er viktig å merke seg at pH ikke bare reguleres av mekaniske faktorer, men også som en følge av andre signaler, som PAMP som du finner når planten angripes av bakterier og sopp. Endringer i pH kan altså skyldes flere ulike påvirkninger og kan derfor lede til rett forsvar mot både gresshopper og bakterier.

Dette betyr at surhetsgraden fungerer omtrent som en av- og på-knapp, skjønt forskerne ved NTNU mener den kanskje snarere fungerer som en dimmeknapp der styrken på surhetsgraden, og dermed responsen, kan reguleres gradvis.

Kunnskapsfeltet kan bli viktig for å utvikle nye varianter av matplanter som ris og mais. (Illustrasjon: TOM...foto / Shutterstock / NTB scanpix)
Kunnskapsfeltet kan bli viktig for å utvikle nye varianter av matplanter som ris og mais. (Illustrasjon: TOM...foto / Shutterstock / NTB scanpix)

Komplekse, sammenvevde mekanismer

Planteceller kan altså integrere flere ulike signaler og aktivere ulike forsvarsmekanismer som en følge av flere separate, men også tett sammenvevde og komplekse mekanismer. Mekaniske signaler utløst av gresshopper og kjemiske signaler som PAMP og peptider kombineres for å fininnstille responsene.

Men noen sentral enhet, som en hjerne, er ikke nødvendig. I teorien blir det isteden nesten som om hver eneste celle i planten er en koordinerende enhet som kan integrere ulike inntrykk. Litt som om hele planten består av encellede databehandlende enheter.

Referanse:

Lauri Vaahtera mfl.: Nature Plants. Cell wall integrity maintenance during plant development and interaction with the environment. Nature Plants, 2019. (Sammendrag) doi: 10.1038/s41477-019-0502-0