Гусеницы на плодах томатов вызвали электрическую активность в плодоножках

Растения томатов способны генерировать электрические сигналы, когда на их плодах появляются травоядные гусеницы — говорится в исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Sustainable Food Systems. Гусениц помещали на плоды помидоров и записывали ток с двух электродов у плодоножки. Результаты экспериментов классифицировали при помощи модели машинного обучения, которая смогла разделить сигналы до и после появления гусениц с точностью более 90 процентов. Кроме того, исследователи обнаружили окислительный ответ в других органах растений.

У растений нет нервной системы, которая привычна другим организмам, однако естественный отбор все же заставляет их реагировать на условия окружающей среды. Помимо физических и химических реакций, клетки растений способны к генерации электрических сигналов в ответ на изменение условий среды. Эти сигналы изучают в составе электрома — совокупности ионных токов организма. Анализ общей электрической активности показывает, что электром специфически изменяется под воздействием стрессов для растений: неблагоприятных температуры и влажности, наличия патогенов. Показано даже, что растения табака и томатов реагируют на стресс ультразвуком: если подрезать им стебли или оставить без воды, растения издают звук от 60 до 65 децибелов.

Исследователи из государственного университета Пелотаса в Бразилии вод руководством Габриэлы Ньемейер Рейссиг (Gabriela Niemeyer Reissig) изучили электром томатов при нападении травоядных насекомых. Для этого они вырастили сорт небольших томатов Микро Том, дождались появления плодов и поместили некоторые из них в пакеты с вентиляцией. Растения в горшках поставили в клетки Фарадея — металлические каркасы, которые экранируют внешнее электромагнитное поле. На плодоножках томатов зафиксировали электроды, чтобы записывать все электрические сигналы между ними. Перед началом эксперимента биологи записывали базовую электрическую активность растений в течение двух часов.

После этого в пакеты тестовой группы плодов помещали гусениц хлопковой совки — бабочки, которая считается вредителем многих сельскохозяйственных культур. Гусеницы проводили в пакетах 24 часа. Сразу после этого плоды и листья собирали и замораживали для последующего ферментативного анализа. Замороженные ткани красных плодов проверили на активность ферментов окислительно-восстановительных реакций: каталазы, пероксидаз и дисмутазы. Это нужно, чтобы проверить, произошел ли окислительный взрыв — появление активных форм кислорода в растении в ответ на стресс.

Полученные данные об электрических сигналах классифицировали при помощи модели машинного обучения. Всего провели 16 серий экспериментов с незрелыми зелеными плодами и 22 серии с красными плодами — в каждой из серии по 2 часа базовой активности и по 24 в присутствии гусениц. Все серии поделили на более короткие промежутки, чтобы увеличить количество образцов для модели — их получилось по 150 и 220 соответственно. Внутри каждого образца выделили параметры, по которым обучали модель:

• быстрое преобразование Фурье (разделение общего сигнала на отдельные частоты);
  
• спектральную плотность мощности (распределение мощности сигнала в зависимости от частоты);
  
• вейвлет
  
• приближенную энтропию сигнала (эту величину используют для оценки регулярности и предсказуемости сигнала).
  

Чтобы повысить скорость обработки данных, в них выделили лишь главные компоненты.

Обработанные данные экспериментов передали модели машинного обучения с учителем, где в качестве тренировочной выборки использовали случайно выбранные данные эксперимента. Для классификации данных по исходным четырем группам исследователи использовали сразу несколько алгоритмов, которые показали разную точность классификации. Почти все методы позволили разделить группы плодов перед помещением на них гусениц от тех, на которых гусеницы были, с точностью более 90 процентов.

Авторы считают, что эти данные свидетельствуют о том, что плоды томатов способны передавать электрический сигнал о присутствии травоядных вредителей на другие части растения — ведь электроды, с которых записывался сигнал, располагались на плодоножке. Кроме того, в плодах, расположенных близко к тем, на которых посадили гусениц, наблюдалось (p < 0,05) повышенное содержание пероксида водорода — продукта окислительного взрыва. В листьях также оказалось повышенное содержание окислительно-восстановительных ферментов (p < 0,05). Тем не менее говорить о нервной передаче сигнала в растениях пока рано, ведь механизм появления электрической активности непонятен.

Для выживания почти всем покрытосеменным растениям необходимо не только защищаться от вредных насекомых, но и привлекать опылителей. Но не все из них пахнут приятно для человека: например, недавно греческий цветок Aristolochia microstoma заподозрили в привлечении опылителей запахом мертвых насекомых. Цветки выделяли летучие соединения, которые могут привлекать мух-горбаток.

Анна Муравьева