Od dziesięcioleci naukowcy wiedzą, że niektóre rośliny – w tym dęby, topole czy nawet niektóre odmiany tytoniu – wytwarzają izopren, lotny węglowodór należący do grupy biogennych lotnych związków organicznych (LZO). Wcześniej jednak nie było jasne, po co rośliny inwestują energię w jego produkcję. Hipoteza mówiła o funkcji ochronnej, ale brakowało na to bezpośrednich dowodów. Aż do teraz.
Czytaj też: Rośliny “przeciekają” i nie jest to dobra wiadomość
Zespół z Michigan State University, pod kierownictwem prof. Toma Sharkeya, przeprowadził eksperyment, który definitywnie wykazał, że izopren działa jak naturalny czynnik obronny przeciwko owadom. Co ciekawe – nie dlatego, że sam związek jest trujący, lecz dlatego, że uruchamia w roślinie kaskadę chemicznych reakcji. Szczegóły opisano w czasopiśmie Science Advances.
Niektóre rośliny “trują” powietrze, ale nie robią nam tego “na złość”
Kiedy roślina zaczyna wydzielać izopren – najczęściej w odpowiedzi na stres termiczny lub atak szkodnika – wzrasta w niej poziom kwasu jasmonowego (JA). To jeden z hormonów obronnych, który modyfikuje białka w liściach, sprawiając, że stają się one trudniejsze do strawienia dla owadów. Gąsienice tytoniowca (Manduca sexta) jedzące liście roślin emitujących izopren rosły znacznie wolniej niż te, które żywiły się zwykłymi liśćmi. Dodatkowo obserwowano, że owady unikały takich roślin już w ciągu dwóch godzin od rozpoczęcia eksperymentu.
Czytaj też: Rośliny ostrzegają się nawzajem przed niebezpieczeństwem. Poznaliśmy ich sekretny język
Biologiczna rola izoprenu jest więc nie do przecenienia – ale ma swoją ciemną stronę. W warunkach naturalnych izopren uwalniany jest do atmosfery, gdzie reaguje z tlenkami azotu (NOx) i światłem słonecznym. Skutek? Powstaje ozon troposferyczny – główny składnik smogu, związek toksyczny dla ludzi, zwierząt i roślin. Choć ozon wysoko w atmosferze chroni nas przed promieniowaniem UV, jego obecność na poziomie gruntu wywołuje poważne problemy oddechowe, a także nasila choroby układu krążenia.
Według naukowców, izopren to drugi po metanie najczęściej emitowany węglowodór na świecie. W skali roku rośliny “wydychają” do atmosfery miliony ton tego związku. W warunkach stresowych, np. w czasie upałów, nawet 2 proc. całkowitego węgla przyswajanego przez rośliny może zostać przeznaczone na syntezę izoprenu. To chemiczna inwestycja, która z jednej strony pozwala roślinom przetrwać, z drugiej – pogarsza jakość powietrza.
Odkrycie zespołu z Michigan otwiera nowy rozdział w debacie o przyszłości rolnictwa i biotechnologii. Czy powinniśmy tworzyć rośliny, które celowo produkują więcej izoprenu, by lepiej radziły sobie z owadami, ograniczając jednocześnie stosowanie chemicznych pestycydów? A może odwrotnie – powinniśmy wyciszać geny syntezy izoprenu w roślinach uprawnych, by chronić atmosferę i zdrowie publiczne?
Prof. Tom Sharkey z MSU mówi:
Powinniśmy dodać izopren do upraw, by chronić je przed owadami, nawet jeśli skutkuje to pogorszeniem jakości powietrza? Czy może odwrotnie – genetycznie wyłączyć enzymy produkujące izopren, by oddychać czystszym powietrzem? To nie jest łatwy dylemat.
Wnioski z badań mają nie tylko znaczenie dla biologii roślin czy inżynierii genetycznej. Mają też potencjał, by zmienić sposób, w jaki planujemy miejskie nasadzenia czy projektujemy przyszłość rolnictwa w czasach kryzysu klimatycznego.
Być może potrzebujemy nowej generacji “inteligentnych roślin”, które będą w stanie wytwarzać izopren tylko wtedy, gdy realnie zagrozi im inwazja owadów. A może lepiej będzie postawić na inne strategie biologicznej obrony – takie, które nie będą miały ubocznych skutków dla środowiska.