Trichomy fabrykami biopestycydów

Od samych początków upraw rolnicy opracowywali pestycydy, aby zapobiegać szkodliwemu działaniu zwierząt, roślin lub mikroorganizmów. Już 4500 lat przed naszą erą w dolnej Mezopotamii stosowano siarkę elementarną w formie oprysków. Chociaż stosowanie pestycydów roślinnych jest praktyką przodków, pojawienie się chemii w XX wieku zakotwiczyło stosowanie środków chemicznych w rolnictwie. Od tego czasu syntetyczne pestycydy wdarły się na światowy rynek. Stały się one koniecznością w walce ze szkodnikami i zwiększaniu produktywności, pomimo ich udowodnionego negatywnego wpływu na zdrowie ludzkie i środowisko.

Niestety, trend nie zmierza w kierunku ekologicznej kontroli szkodników. Z danych z 2021 roku możemy się dowiedzieć, że największymi konsumentami pestycydów w Europie jest Francja, Hiszpania i Włoch. Według IFEN (Francuskiego Instytutu Środowiska) 90% francuskich rzek jest zanieczyszczonych.

Odkrycie nowych technik biologicznych ma zatem kluczowe znaczenie, jeśli chcemy zrozumieć systemy samoobrony roślin i ograniczyć nasz wpływ, który prowadzi do zniszczenia naszej różnorodności biologicznej.

Wszystkie rośliny wytwarzają fitotoksyczne pierwiastki (tj. substancje chemiczne, które są toksyczne dla wzrostu roślin) w określonych stężeniach. Ale w jaki sposób rośliny wytwarzają te elementy ochronne? Sekret ukryty jest w pewnych wyspecjalizowanych organach znajdujących się na naskórku rośliny: trichomach! Zbadajmy razem te naturalne fabryki bio-pestycydów.

Wszystkie rośliny wytwarzają fitotoksyczne pierwiastki w określonych stężeniach. Ale w jaki sposób rośliny wytwarzają te elementy ochronne? Sekret ukryty jest w pewnych wyspecjalizowanych organach znajdujących się na naskórku rośliny tj. trichomach.

Biolodzy opisują trichomy i włośniki jako wyspecjalizowane komórki, które rozwijają się na naskórku roślin. Ostatnie postępy w biologii molekularnej dowodzą, że na rozwój tych dwóch organów wpływają te same markery biologiczne. Konieczne jest zatem porównanie włośników korzeniowych i powietrznych, z których oba są morfologicznie podobne.

Trichomy mogą składać się z pojedynczej komórki lub licznych struktur wielokomórkowych. Te wyspecjalizowane struktury generalnie wytwarzają swoje substancje obronne w przestrzeni między ścianą komórkową, a kutykulą, wypychając je na zewnątrz w miarę wypełniania się wydzielanego produktu.

Trichomy można znaleźć w różnych miejscach: można je znaleźć na liściach, ale także na łodygach, aż do kwiatów. Na przykład w bylica rocznej i bawełnicy trichomy są jedynymi miejscami, w których wiele fitochemikaliów jest produkowanych i przechowywanych.

Z drugiej strony włoski korzeniowe są bardzo podobne do trichomów, ale składają się z pojedynczej komórki. Naukowcy wciąż nie są świadomi funkcji tych wyspecjalizowanych komórek, ale są zaintrygowani pewną różnicą. Zamiast przechowywać te substancje między ścianą komórkową, a kutykulą, włośniki wydają się wydzielać oleiste kropelki zawierające bioaktywne produkty naturalne. Na przykład włośniki korzeni sorgo są odpowiedzialne za produkcję sorgoleonu, wysoce fitotoksycznego pierwiastka.

Ważne jest, aby pamiętać o tym, że rośliny muszą również bronić się przed własnymi truciznami, dlatego nauczyły się dzielić swoją obronę na przedziały. Pestycydy są produkowane w naskórku, innymi słowy w zewnętrznej warstwie rośliny, która jest bardziej narażona na wyzwania biotyczne (interakcje między żywymi organizmami w ekosystemie). Wcześniej wspomniana bylica jest dobrym przykładem tej kompartmentalizacji. Przechowuje ona swoją artemizynę, która jest fitotoksyczna dla własnego gatunku, w swoich gruczołowych trichomach, aby uniknąć autotoksyczności.

Inne rośliny

Prowadzone są liczne badania nad efektami allelopatycznymi (działanie jednego organizmu na inny za pomocą substancji biochemicznych) roślin. Przykładem takiej rośliny jest piołun. Wykorzystując wydzieliny ze swojego systemu korzeniowego, zapobiega ona wzrostowi swoich sąsiadów. Roślina ta wyeliminuje każdą roślinę w promieniu metra od swojej łodygi dzięki substancji zwanej artemizyną. Ten lakton seskwiterpenowy, wytwarzany przez wiele roślin z rodzaju bylic, jest toksyczny dla wielu gatunków, w tym dla niej samej. Te terpeny, syntetyzowane bezpośrednio z gruczołowych trichomów rośliny, są badane przez wielu producentów pestycydów, którzy chcą odtworzyć naturalne herbicydy.

Pozostaje jeszcze wiele badań nad fitotoksynami wytwarzanymi przez włośniki. Niektóre substancje zostały już zbadane, ale zidentyfikowano bardzo niewiele komórek wytwarzających te pierwiastki. Sorgoleon jest jednym z nielicznych wyjątków, który został dogłębnie przeanalizowany. Ta substancja allelochemiczna (o negatywnym działaniu allelopatycznym) wytwarzana przez włośniki korzeni Sorghum spp. jest bezpośrednio ukierunkowana na aparat komórkowy konkurencyjnych roślin. W ten sposób blokuje ich oddychanie mitochondrialne na poziomie komórkowym i uniemożliwia im przeprowadzanie fotosyntezy, ostatecznie powodując śmierć ich wrogów.

Bierzmy przykład z natury

Chociaż produkty syntetyczne wydają się mieć przed sobą świetlaną przyszłość, wprowadzane są inne strategie, które mają je zastąpić. Powrót do stosowania roślin o właściwościach pestycydowych daje nadzieję na przekształcenie obecnego systemu produkcji rolnej, który jest zależny od środków chemicznych. Podczas gdy pestycydy roślinne są obecnie dalekie od zajmowania ich miejsca w wielkich uprawach na świecie, stanowią one realną alternatywę dla ogrodnictwa na małą skalę. Rozwój alternatyw jest utrudniony przez ograniczone rozpowszechnianie wiedzy. Projekty takie jak Knomana (Zarządzanie wiedzą na temat roślin pestycydowych w Afryce) mają na celu zwalczanie tego problemu. Program ten udostępnia bazę danych na temat roślin o działaniu pestycydowym, przeciwbakteryjnym, przeciwpasożytniczym i antybiotycznym, aby przyczynić się do bezpieczeństwa żywności i środowiska na naszej planecie.