Растения кукурузы общаются друг с другом, чтобы защитить себя, когда они находятся близко друг к другу.

Кукурузные растения шепчут друг другу сообщения, защищаясь от врагов. Когда они находятся близко друг к другу, выделяемое ими летучее вещество побуждает их соседей вырабатывать соединения, которые замедляют их рост, но активируют их защиту от вредителей. Более того, они изменяют почвенный микробиом, с которым взаимодействуют, оставляя в почве защитное наследие, которое подготавливает иммунную систему следующего поколения. Открытие, опубликованное в журнале Science , открывает возможности использования веществ, выделяемых самим растением, в качестве пестицидов.

Используя безупречный экспериментальный план, группа китайских, швейцарских и голландских исследователей стремилась изучить оптимальные условия и последствия выращивания кукурузы в условиях высокой плотности. На протяжении нескольких десятилетий соседство кукурузы и других злаковых культур, таких как пшеница и рис, позволяло увеличить производство этих основных культур для населения мира. Однако любая перенаселенность имеет свои риски: если вредитель проникнет в культуру, ему будет легче распространяться, что наглядно демонстрирует история человеческих вирусов.

Они высаживали растения на полях с низкой плотностью – 60 000 растений на гектар, а на других – с вдвое большей – 120 000 растений на гектар. Они обнаружили, что, хотя на краях полей существенных различий не наблюдалось, растения на перенасыщенных полях изменили свою корневую систему, уменьшив высоту початков, концентрацию хлорофилла и количество зерен в колосе. Таким образом, они подтвердили, что плотность влияет на рост. Кроме того, они отметили значительно меньшее повреждение вредителями там, где початки росли ближе друг к другу.

«Наша первоначальная гипотеза заключалась в том, что при высокой плотности растений соседние растения располагаются ближе друг к другу, что усиливает химические сигналы, тогда как при низкой плотности эти сигналы могут быть слишком слабыми, чтобы вызвать значимую реакцию», — сообщила в электронном письме Линфэй Ху, исследователь из Чжэцзянского университета в Китае и соавтор экспериментов.

Чтобы попытаться распознать, какие химические сигналы использует кукуруза, они высадили сотни сеянцев с разной плотностью 50, 100, 150 и даже 200 мальков на квадратный метр. Когда они выросли до своего четвертого листа, они удалили растения, но сохранили почву, посадив в нее новые. Затем они увидели, что чем выше плотность, тем лучше кукуруза сопротивляется четырем своим злейшим врагам: кукурузной совке, которая пожирает ее листья; нематоде Meloidogyne incognita , паразиту, который охотится на корнях; северной пятнистости листьев кукурузы, грибку, который снижает урожайность; и вирусу черной полосатой карликовости, который возник у риса и перешел на эту траву. Что-то было в воздухе, почве или и в том, и в другом, что защищало их.

Исключив генетическую составляющую, они протестировали различные сорта и проанализировали наличие летучих органических соединений (ЛОС), выделяемых листьями кукурузы в окружающую среду. Они обнаружили, что на плотно возделываемых полях наиболее распространенным ЛОС был линалоол. Это спирт, присутствующий во многих растениях, особенно в ароматических и цитрусовых, чей аромат напоминает лаванду. «Это конститутивно выделяемое летучее вещество, выделяемое в нормальных условиях. Изолированные растения также выделяют его», — вспоминает Ху. Под конститутивным он подразумевает, что оно присутствует в листьях в норме, в отличие от других соединений, которые растение производит только при поражении или стрессе.

Линалоол проявляет свою полную силу, когда кукуруза находится в непосредственной близости. «Мы до сих пор не знаем точной концентрации, необходимой для вызова реакции у соседних растений», — признает Ху. Но когда она достигает критического порога, кукуруза готовится к войне. Менее чем за три дня окружающие растения меняют свой метаболизм, вырабатывая повышенное количество гормонов, таких как жасмоновая кислота, которые реактивируют их иммунную систему. А корни выделяют соединения, называемые бензоксазиноидами, которые обладают пестицидными свойствами. Одно из первых, что они делают, — это воздействуют на ризосферу, симбиоз между полезными грибами и корнями, и всю почвенную микробиоту. Это заставляет иммунную систему прийти в состояние боевой готовности. Выделение линалоола, биосинтез гормонов и выделение бензоксазиноидов — все это связано.

«Растение выделяет линалоол, который вызывает изменения в метаболизме других растений, изменения, которые влияют на почвенные бактерии, и этот эффект сохраняется ещё долго после гибели растения», — резюмирует Серхио Рамос, эволюционный эколог из Цюрихского университета и исследователь летучих веществ кукурузы. Как отмечает Рамос, не принимавший участия в этой работе, «кукуруза входит в число ведущих сельскохозяйственных культур мира по площади и настолько изучена, что её химическая коммуникация известна в деталях». Но чудо того, как это произошло, было неизвестно. «Кукуруза способна идентифицировать насекомое, которое её ест, по белкам в своей слюне». Это активирует выработку индуцированных летучих веществ, которые появляются только после атаки. Но линалоол не индуцируется; он присутствует всегда. Однако, как отмечает этот исследователь, он вызывает реакцию только на коротких расстояниях: «все летучие вещества имеют тенденцию увеличиваться».

Для Лусии Мартин, исследователя из Биологической миссии Галисии (MBG-CSIC), наиболее важным аспектом этой работы, хотя её поражает всё, что с ней связано, является её наследуемое воздействие на почву. «Это действует как вакцина, подготавливая иммунную систему следующего поколения», — говорит она. Мартин написала диссертацию, исследуя летучие вещества в картофеле; сейчас она изучает их на других растениях, таких как хлопок, и через несколько недель отправится в Швецию, чтобы исследовать это наследуемое воздействие. Она обнаружила, как нападение личинок моли на растения картофеля вызывает высвобождение летучих веществ, которые, в свою очередь, активируют защитные силы других растений, делая их более устойчивыми.

Один из немногих недостатков, которые исследователь видит в исследованиях с растениями кукурузы, на что также указывает Рамос, заключается в том, что, хотя они демонстрируют провоцирующую роль линалоола, они не объясняют, как соседние растения слышат , чувствуют запах или воспринимают его аромат. «Несколько возможных рецепторов были обнаружены у других растений, но исследования всё ещё продолжаются», — признаёт она. В 2024 году журнал Science также опубликовал исследование, в котором в пестике петунии был обнаружен рецептор для определённого летучего вещества — гермакрена. Но больше ничего неизвестно.

Хотя это и не было целью исследования, оно указывает на возможное использование некоторых летучих веществ в сельском хозяйстве. Например, там, где существует повышенный риск нашествия вредителей, высвобождение линалоола может быть вызвано или даже диспергировано в его синтетической версии, которая доступна. Клод Беккер, биолог из Мюнхенского университета (Германия), написал комментарий к исследованию Ху и его коллег, также опубликованный в журнале Science . В электронном письме он вспоминает, что «они выращивали ячмень и райграс [вид травы] на почвах, где ранее произрастала кукуруза с высокой плотностью; оказалось, что они проявили более сильную защиту от травоядных». Таким образом, по его мнению, «в некотором смысле: да, линалоол, по-видимому, оказывает общее (косвенное) воздействие на защиту растений от травоядных». Но Беккер также отмечает, что они не сравнивали величину этого эффекта с эффектом настоящего гербицида.

У Беккера есть ещё одна проблема, на которую также обратили внимание Рамос, Мартин и даже авторы: «Есть недостаток: воздействие линалоола также приводит к уменьшению размеров растений», — говорит немецкий исследователь. Это почти механический процесс: ресурсы ограничены, и они направляются либо на рост, либо на защиту. Но это указывает на другую возможность: там, где нет опасности, прерывание связи, то есть подавление выработки линалоола, может ускорить развитие растений.