Почему некоторые растения волосатые?
Привет! Меня зовут Алехандро, я студент магистратуры (направление "Энтомология"), который обожает растения и насекомых, а также окружающую среду! Я всегда был увлечен наукой, открытиями и пониманием причудливых и уникальных вещей, связанных с живыми существами вокруг нас, и поиском неожиданного в каждом аспекте живых организмов!
Ишвин Каур
Привет! Меня зовут Ишвин. Я докторант биологических наук, и я очень люблю растения и насекомых. Мне интересно узнать о биологически активных соединениях растительного происхождения, их роли в защите от капризов окружающей среды и о том, как эти соединения влияют на здоровье живых существ, тем самым связывая науку о растениях со здоровьем животных и человека.
Рупеш Карият
Я являюсь адъюнкт-профессором энтомологии сельскохозяйственных культур в Университете Арканзаса. Как ученого, меня интересует понимание того, как насекомые-травоядные защищаются от растений и как они противостоят защитным мерам растений, чтобы успешно питаться и развиваться. В долгосрочной перспективе моя лаборатория стремится использовать знания, полученные при изучении взаимодействия насекомых с растениями, для разработки устойчивых стратегий борьбы с вредителями. *rkariyat@uark.edu
Молодые рецензенты
Валери
Я учусь в 9 классе средней школы в Австрии. Мои хобби - верховая езда, катание на коньках и танцы. У меня есть очень старый кот, и скоро мы заведем собаку. Мне также нравится встречаться с друзьями и слушать музыку.
Дарио
Меня зовут Дарио. Я живу в небольшой деревне в Австрии. Здесь много природы, поэтому в свободное время я люблю гулять со своими собаками или лазить по деревьям. Мои родители - биологи, поэтому я довольно рано увлекся биологией.
Srija
Привет! Меня зовут Срия, я веселая и любящая девушка, люблю рисовать и играть в шахматы!
Абстракция
Где бы мы ни жили - в разросшемся мегаполисе или на сельской ферме, - растения и насекомые являются частью нашей повседневной жизни, и многие из них не могут существовать друг без друга. Насекомые помогают растениям размножаться путем опыления, а растения обеспечивают насекомых пищей и укрытием. Однако растениям также требуется питание для роста, развития и размножения, а насекомые, питающиеся растениями, могут нанести им вред. За миллионы лет совместной жизни растения выработали множество защитных стратегий, чтобы защититься от насекомых. Одна из них - крошечные волосовидные выступы, называемые трихомами. В этой статье мы расскажем, как растения используют свои трихомы в качестве креативного и уникального оружия для защиты от насекомых-травоядных. Трихомы могут наносить физические повреждения, выделять токсичные химические соединения и даже вызывать внутренние повреждения у насекомых. Мы также обсудим, как растительноядные насекомые противостоят этим средствам защиты растений, используя свои собственные средства защиты, что приводит к перетягиванию каната в борьбе за выживание.
Почему растения так важны?
Растения, основу планеты Земля, принято считать не более чем неподвижными, неинтересными организмами. Однако изучение растений показало, насколько они сложны и интересны. Благодаря исследованиям растений мы узнали об огромном количестве физических и химических характеристик, которые растения используют для процветания на Земле, где их окружают организмы, которые ими питаются. Растения - это не только источник пищи для животных, они также во многом формируют окружающую нас среду, и большинство других организмов не смогли бы выжить без них. Например, растения поглощают углекислый газ (CO2), газ, который выдыхают животные или который образуется при сжигании ископаемого топлива, и используют его в процессе фотосинтеза. Таким образом, из атмосферы удаляется CO2 из атмосферы. Без удаления CO2жизнь на Земле была бы невозможна. Как вы, возможно, знаете, избыток CO2в атмосфере вызывает такие экологические проблемы, как глобальное потепление [ 1 ]. Кроме того, в сельском хозяйстве растения, называемые покровными культурами, минимизируют последствия эрозии почвы, удерживая верхний слой почвы на месте с помощью своих корневых структур. Это помогает сохранить почву здоровой. Однако, чтобы выполнять эти экосистемные услуги, растения должны хорошо развиваться в различных условиях и защищаться от своих смертельных врагов - травоядных насекомых. Эти насекомые повреждают и даже убивают растения, питаясь их листьями, цветами, плодами и корнями.
Насекомые и растения
Насекомые, несмотря на свои относительно небольшие размеры, являются чрезвычайно важными организмами в животном царстве. Разнообразие насекомых не имеет себе равных: многие из них питаются животными, а другие зависят от растений. Многие виды насекомых питаются исключительно растениями (рис. 1), а другие питаются растениями только на определенных этапах своего жизненного цикла. Подумайте о гусенице, которая вылупляется из яйца на поверхности листа, питается растением, пока не будет готова сформировать куколку, а затем прикрепляется к растению или зарывается в близлежащую почву, пока не будет готова вылететь в виде мотылька или бабочки. Чтобы перехитрить друг друга, растения и насекомые эволюционировали на протяжении миллионов лет, и во многих случаях они не могут жить и размножаться друг без друга. В то время как многие виды насекомых питаются растениями, растения также зависят от насекомых в плане размножения - через опыление. Без насекомых многие виды растений прекратили бы свое существование. Но как растения могут процветать на Земле, если количество насекомых, многие из которых постоянно питаются растениями, значительно превышает их численность?
Защита растений от насекомых
Растения в основном неподвижны и кажутся беззащитными для неподготовленного глаза, но при более глубоком рассмотрении можно обнаружить широкий спектр химических и физических средств защиты, которые растения используют для защиты от насекомых, готовых полакомиться ими и, возможно, уничтожить их. У растений есть невидимые для нас химические средства защиты, которые они используют, чтобы удержать насекомых от бездумной трапезы. Эти защитные механизмы включают в себя выделение летучих соединений, которые привлекают другие организмы, питающиеся насекомыми, косвенно защищая растение [ 2 ]. Некоторые растения ядовиты или имеют ужасный вкус, тем самым напрямую защищаясь от насекомых.
Кроме того, как вы, возможно, заметили, некоторые растения вооружены толстыми шипами, которые мы можем увидеть и, что еще хуже, почувствовать. У растений есть и физические средства защиты, которые не так легко заметить. Травоядные насекомые, например гусеница, которая только что вылупилась из яйца, должны найти место на поверхности листа, чтобы начать питаться. Именно здесь их поджидает первая линия обороны - растительные волоски, называемые трихомами (рис. 2E, F). Мы часто думаем, что животные - это единственные организмы, имеющие волосы или мех, однако, по оценкам, 80% растений также имеют волоски на многих своих структурах.
Как растения используют трихомы для защиты от насекомых
Трихомы присутствуют на различных частях растений, таких как листья, стебли и плоды, и эти волоски служат грозным барьером против широкого спектра травоядных насекомых, причем поистине удивительным образом. Но у трихом есть и другие функции. Например, при сильной жаре они служат навесом, создавая тень, уменьшая потерю воды и защищая растение от ультрафиолетового излучения солнца. Но наиболее интересна их функция защиты от насекомых. Растительные трихомы отличаются огромным разнообразием размеров, форм и количества (рис. 2). Трихомы на поверхности листа могут задерживать питание гусениц в зависимости от их плотности [ 3 ]. Это означает, что если на растении больше трихом, то гусеницам потребуется больше времени, чтобы найти место или прогрызть трихомы, чтобы добраться до эпидермиса - первого питательного слоя листа. Некоторые трихомы также острые, и они могут проделывать отверстия в мягких телах гусениц (рис. 2A,D). Удивительно, но некоторые растения могут даже увеличивать количество трихом на молодых листьях, если их старые листья поедаются, подготавливая молодые листья к будущему повреждению!
В широком смысле трихомы делятся на два типа: не железистые и железистые. Не железистые трихомы - это острые, заостренные, колючие придатки, которые препятствуют передвижению травоядных насекомых, выступая в качестве физического барьера (рис. 2A,D) [ 4 , 5 ]. Во многих случаях они похожи на звезды. Эти острые иглы также снабжены твердыми веществами, такими как кремнезем и карбонат кальция, которые могут притуплять зубы гусениц, затрудняя их пережевывание. Помимо того, что трихомы ограничивают способность гусениц питаться, они еще и разрушительны, когда попадают в кишечник гусеницы. Они проделывают отверстия в стенках кишечника, в результате чего пища смешивается с кровью. Это может привести к опасным инфекциям и активизировать иммунную систему гусеницы [ 6 ].
Железистые трихомы, напротив, имеют набухшие шаровидные головки (как резервуары с водой), содержащие токсичные или липкие соединения, которые могут либо поймать травоядных, либо убить их при проглатывании (рис. 2A-C). В некоторых случаях эти шаровидные головки могут также вырабатывать дурно пахнущие соединения, которые отпугивают травоядных. Таким образом, можно сказать, что эти мини-водоемы выплескивают токсины, как только получают сигнал об опасности от любого вида насекомых. Таким образом, трихомы - безобидные на вид волоски на листьях растений - могут защищать растения различными способами до, во время и после нападения гусениц или других насекомых.
Как насекомые справляются с этой "волосатой" проблемой?
Значит ли это, что растения легко побеждают в борьбе с насекомыми? Не совсем. Насекомые в процессе эволюции придумали множество уникальных способов борьбы с защитой растений. Некоторые насекомые могут сбривать трихомы с частей растения, как при стрижке газона. Если вы внимательно понаблюдаете за гусеницей табачного червеца на растении томата, то увидите, что она перемещается по поверхности листа, пока не найдет хорошее место с меньшим количеством трихом, или движется по краям листа, чтобы избежать их. Некоторые насекомые, например гусеница тигровой яснокрылой бабочки, обматывают трихомы шелковыми волокнами, чтобы создать гладкую поверхность, которая помогает им передвигаться по неровному участку листа. Пищеварительная система некоторых гусениц позволяет им поедать трихомы без каких-либо токсических эффектов, поэтому они могут продолжать питаться этими растениями [ 7 ]. Другие насекомые образуют над трихомами толстый слой выделений, предотвращающий прямой контакт насекомых с трихомами [ 8 ].
Почему мы изучаем эти "волосы"
Таким образом, трихомы выполняют разнообразные функции, а их уникальные структуры способны защищать растения от травоядных, которые хотят ими полакомиться. Однако некоторые насекомые выработали уникальные способы обходить эти защитные механизмы растений. Это очень интересно, потому что наглядно показывает, как растения и насекомые конкурируют друг с другом в эволюционной гонке за выживание, а также то, как мы можем манипулировать трихомами для защиты растений, что делает эту область интересной для исследований. В дальнейшем ученым было бы интересно глубже изучить роль каждого типа трихом, чтобы понять, почему существуют такие большие различия в плотности и типе трихом у представителей разных семейств растений. Возможно, эти различия помогают растениям защищаться от различных групп насекомых. Например, если растением питается клоп-вонючка, а не гусеница, помогут ли разные типы трихом в борьбе с одним или другим насекомым? Поскольку в результате глобального изменения климата виды вредителей становятся все более распространенными, нам необходимо лучше понять, как трихомы работают вместе для защиты растений, поскольку это поможет нам разработать стратегии интегрированной борьбы с вредителями для контроля вредных насекомых, питающихся сельскохозяйственными культурами.
