Em formação

Como a planta sensível detecta vibrações?


A planta sensível (Mimosa pudica) é uma plantinha notável, cuja característica é a capacidade de tombar as folhas quando perturbada:

Aparentemente, essa capacidade de cair repousa sobre as células nas folhas da planta sensível, sendo capaz de extrair água de si mesmas por meio de mudanças nas concentrações de íons intracelulares, o que torna as folhas menos túrgidas.

O que estou confuso é como a planta "sente" as vibrações. As plantas não têm realmente um sistema nervoso digno de nota; como então a planta sensível "sabe" que se inclina quando perturbada?


Na verdade, a ideia de um sistema nervoso de planta é bastante séria e está em constante desenvolvimento; é claro que essas são vias de sinal simples e locais, em vez de uma rede global centralizada "animal", mas usam mecanismos semelhantes - ondas de despolarização, compostos semelhantes a neurotransmissores, células especializadas ... Aqui está um artigo de revisão de Brenner et al.

No caso de Mimosa, há um bom artigo resumindo a longa pesquisa de Takao Sibaoka sobre o assunto.

Em suma, parece que o floema de seus pecíolos possui células que possuem membranas polarizadas e podem desencadear a despolarização devido a um estímulo mecânico. O sinal então se propaga para o pulvino correspondente por uma mistura de energia elétrica e Cl- ondas de despolarização.

No pulvino, esse sinal desencadeia uma segunda despolarização que coordena as células do pulvino para desencadear o bombeamento de água responsável pela queda da folha.

A transmissão para as folhas adjacentes é provavelmente mecânica, ou seja, o movimento de uma folha que cai excita outra.

Referências:

  • Brenner ED, Stahlberg R, Mancuso S, Vivanco J, Baluska F, Van Volkenburgh E. 2006. Neurobiologia de plantas: uma visão integrada da sinalização de plantas. Tendências em ciência de plantas 11: 413-9.

  • Sibaoka T. 1991. Movimentos rápidos da planta desencadeados por potenciais de ação. The Botanical Magazine Tokyo 104: 73-95.


Haswell, Peyronnet, et al (2008) mostraram que as plantas têm alguns dos mesmos canais iônicos mecanossensíveis que E. coli faz. O trabalho estava nas raízes de Arabidopsis e não a planta que você está investigando, mas o mecanismo pode ser semelhante.

Não parece que a vibração desempenha um papel, já que a planta parece mais sensível ao toque do ser humano do que à sua abordagem da folha. Isso poderia descartar as correntes de ar como mecanismo (mas J.M. observou nos comentários que elas se dobram quando você sopra sobre elas).


Algumas observações adicionais- Eu tenho cultivado plantas TickleMe (plantas sensíveis) por anos e tenho visto as plantas fechando suas folhas como uma reação às vibrações causadas pelos meus passos, bem como soprando na planta e colocando-a no frio, muito ambientes quentes e escuros. Além disso, descobri que a capacidade da planta de detectar vibrações depende da temperatura e da hora do dia. Algumas dessas informações podem ser encontradas no The TickleMe Plant Book, encontrado em http://www.ticklemeplant.com. Não sou capaz de dizer especificamente qual é o mecanismo que detecta as vibrações e faz com que a pressão de turgor da TickleMe Plants mude. Estou ansioso por mais respostas.


Mecanorreceptores (em plantas)

UMA mecanorreceptor é um órgão ou célula sensorial que responde à estimulação mecânica, como toque, pressão, vibração e som, tanto do ambiente interno quanto externo. [1] Os mecanorreceptores são bem documentados em animais e são integrados ao sistema nervoso como neurônios sensoriais. Embora as plantas não tenham nervos ou sistema nervoso como os animais, elas também contêm mecanorreceptores que desempenham uma função semelhante. Os mecanorreceptores detectam estímulos mecânicos originados de dentro da planta (intrínsecos) e do ambiente circundante (extrínsecos). [2] A capacidade de sentir vibrações, toque ou outro distúrbio é uma resposta adaptativa à herbivoria e ao ataque para que a planta possa se defender adequadamente contra danos. [3] Os mecanorreceptores podem ser organizados em três níveis: molecular, celular e nível de órgão. [2]


Conteúdo

Edição de luz

Muitos órgãos das plantas contêm fotorreceptores (fototropinas, criptocromos e fitocromos), cada um dos quais reage muito especificamente a certos comprimentos de onda de luz. [6] Esses sensores de luz informam à planta se é dia ou noite, quanto tempo o dia é, quanta luz está disponível e de onde a luz está vindo. Os brotos geralmente crescem em direção à luz, enquanto as raízes se afastam dela, respostas conhecidas como fototropismo e escototropismo, respectivamente. Eles são produzidos por pigmentos sensíveis à luz como fototropinas e fitocromos e o hormônio vegetal auxina. [7]

Muitas plantas exibem certos comportamentos em horários específicos do dia, por exemplo, flores que abrem apenas no período da manhã. As plantas controlam a hora do dia com um relógio circadiano. [6] Este relógio interno é sincronizado com a hora solar todos os dias usando luz solar, temperatura e outras pistas, semelhantes aos relógios biológicos presentes em outros organismos. O relógio interno aliado à capacidade de perceber a luz também permite às plantas medir a hora do dia e assim determinar a estação do ano. É assim que muitas plantas sabem quando florescer (veja fotoperiodismo). [6] As sementes de muitas plantas brotam somente depois de serem expostas à luz. Esta resposta é realizada por sinalização fitocromática. As plantas também são capazes de sentir a qualidade da luz e responder apropriadamente. Por exemplo, em condições de pouca luz, as plantas produzem mais pigmentos fotossintéticos. Se a luz é muito brilhante ou se os níveis de radiação ultravioleta prejudicial aumentam, as plantas produzem mais de seus pigmentos protetores que atuam como filtros solares. [8]

Gravidade Editar

Para se orientar corretamente, as plantas devem ser capazes de sentir a direção da gravidade. A resposta subsequente é conhecida como gravitropismo.

Nas raízes, a gravidade é sentida e traduzida na ponta da raiz, que então cresce ao se alongar na direção da gravidade. Nos brotos, o crescimento ocorre na direção oposta, fenômeno conhecido como gravitropismo negativo. [9] Os caules do choupo podem detectar a reorientação e a inclinação (equilíbrio da cepção) por meio do gravitropismo. [10]

Na ponta da raiz, os amiloplastos contendo grânulos de amido caem na direção da gravidade. Esse peso ativa receptores secundários, que sinalizam para a planta a direção da atração gravitacional. Depois que isso ocorre, a auxina é redistribuída através do transporte de auxina polar e o crescimento diferencial em direção à gravidade começa. Na parte aérea, a redistribuição de auxina ocorre de forma a produzir crescimento diferencial longe da gravidade.

Para que a percepção ocorra, a planta frequentemente deve ser capaz de sentir, perceber e traduzir a direção da gravidade. Sem a gravidade, a orientação adequada não ocorrerá e a planta não crescerá efetivamente. A raiz não será capaz de absorver nutrientes ou água, e o broto não crescerá em direção ao céu para maximizar a fotossíntese. [11]

Toque em Editar

O timotropismo é o movimento direcional que ocorre nas plantas que respondem ao toque físico. [12] Plantas trepadeiras, como tomates, exibem timotropismo, permitindo que se enrolem em torno de objetos. Essas respostas são geralmente lentas (na ordem de várias horas) e podem ser melhor observadas com cinematografia de lapso de tempo, mas movimentos rápidos também podem ocorrer. Por exemplo, a chamada "planta sensível" (Mimosa pudica) responde ao mais leve toque físico dobrando rapidamente suas finas folhas pinadas de modo que elas apontem para baixo, [13] e plantas carnívoras, como a armadilha de Vênus (Dionaea muscipula) produzem estruturas foliares especializadas que se fecham quando tocadas ou pousadas por insetos. Na armadilha da Vênus, o toque é detectado pelos cílios que revestem o interior das folhas especializadas, que geram um potencial de ação que estimula as células motoras e faz com que o movimento ocorra. [14]

Edição de cheiro

Plantas feridas ou infectadas produzem odores voláteis distintos, (por exemplo, metil jasmonato, metil salicilato, folhas verdes voláteis), que podem, por sua vez, ser percebidos pelas plantas vizinhas. [15] [16] As plantas que detectam esses tipos de sinais voláteis geralmente respondem aumentando suas defesas químicas ou e se preparam para o ataque, produzindo produtos químicos que os defendem contra insetos ou atraem insetos predadores. [15]

Hormônios vegetais e sinais químicos Editar

As plantas usam sistematicamente as vias de sinalização hormonal para coordenar seu desenvolvimento e morfologia.

As plantas produzem várias moléculas de sinal geralmente associadas ao sistema nervoso animal, como glutamato, GABA, acetilcolina, melatonina e serotonina. [17] Eles também podem usar ATP, NO e ROS para sinalizar de forma semelhante aos animais. [18]

Edição de eletrofisiologia

As plantas têm uma variedade de métodos de entrega de sinais elétricos. Os quatro métodos de propagação comumente reconhecidos incluem potenciais de ação (APs), potenciais de variação (VPs), potenciais elétricos locais (LEPs) e potenciais sistêmicos (SPs) [19] [20] [21]

Embora as células vegetais não sejam neurônios, elas podem ser eletricamente excitáveis ​​e podem exibir respostas elétricas rápidas na forma de APs a estímulos ambientais. Os APs permitem o movimento de íons e moléculas de sinalização da célula pré-potencial para a (s) célula (s) pós-potencial. Esses sinais eletrofisiológicos são constituídos por fluxos gradientes de íons como H +, K +, Cl -, Na + e Ca 2+, mas também se pensa que outros íons carregam eletricamente, como Fe 3+, Al 3+, Mg 2 +, Zn 2+, Mn 2+ e Hg 2+ também podem desempenhar um papel nas saídas a jusante. [22] A manutenção do gradiente eletroquímico de cada íon é vital para a saúde da célula, pois se a célula algum dia atingir o equilíbrio com seu ambiente, ela está morta. [23] [24] Esse estado morto pode ser devido a vários motivos, como bloqueio do canal iônico ou perfuração da membrana.

Esses íons eletrofisiológicos se ligam a receptores na célula receptora, causando efeitos a jusante resultantes de uma ou de uma combinação de moléculas presentes. Este meio de transferência de informações e ativação de respostas fisiológicas por meio de um sistema de molécula de sinalização é mais rápido e frequente na presença de APs. [22]

Esses potenciais de ação podem influenciar processos como fluxo citoplasmático baseado em actina, movimentos de órgãos da planta, respostas de feridas, respiração, fotossíntese e floração. [25] [26] [27] [28] Essas respostas elétricas podem causar a síntese de várias moléculas orgânicas, incluindo aquelas que atuam como substâncias neuroativas em outros organismos, como íons de cálcio. [29]

O fluxo de íons através das células também influencia o movimento de outras moléculas e solutos. Isso muda o gradiente osmótico da célula, resultando em mudanças na pressão de turgescência nas células vegetais por água e fluxo de soluto através das membranas celulares. Essas variações são vitais para a absorção de nutrientes, crescimento, muitos tipos de movimentos (tropismos e movimentos nasticos), entre outras fisiologia e comportamento básicos da planta. [30] [31] (Higinbotham 1973 Scott 2008 Segal 2016).

Assim, as plantas alcançam respostas comportamentais em contextos ambientais, comunicativos e ecológicos.

Percepção de sinal Editar

O comportamento das plantas é mediado por fitocromos, cininas, hormônios, liberação de antibióticos ou outros produtos químicos, mudanças no transporte de água e produtos químicos e outros meios.

As plantas têm muitas estratégias para combater as pragas. Por exemplo, eles podem produzir uma grande quantidade de toxinas químicas diferentes contra predadores e parasitas ou podem induzir a morte celular rápida para evitar a disseminação de agentes infecciosos. As plantas também podem responder a sinais voláteis produzidos por outras plantas. [32] [33] Os níveis de jasmonato também aumentam rapidamente em resposta a perturbações mecânicas, como enrolamento da gavinha. [34]

Nas plantas, o mecanismo responsável pela adaptação é a transdução de sinal. [35] [36] [37] [38] As respostas adaptativas incluem:

  • Procura ativa de luz e nutrientes. Eles fazem isso mudando sua arquitetura, por exemplo, crescimento e direção do ramo, fisiologia e fenótipo. [39] [40] [41]
  • Folhas e galhos sendo posicionados e orientados em resposta a uma fonte de luz. [39] [42]
  • Detectando o volume do solo e adaptando o crescimento de acordo, independentemente da disponibilidade de nutrientes. [43] [44] [45].

As plantas não têm cérebros ou redes neuronais como os animais, no entanto, as reações dentro das vias de sinalização podem fornecer uma base bioquímica para o aprendizado e a memória, além de computação e solução de problemas básicos. [46] [47] Controversamente, o cérebro é usado como uma metáfora na inteligência das plantas para fornecer uma visão integrada da sinalização. [48]

As plantas respondem a estímulos ambientais por movimento e mudanças na morfologia. Eles se comunicam enquanto competem ativamente por recursos. Além disso, as plantas calculam com precisão suas circunstâncias, usam análises sofisticadas de custo-benefício e tomam ações rigidamente controladas para mitigar e controlar diversos estressores ambientais. As plantas também são capazes de discriminar entre experiências positivas e negativas e de aprender registrando memórias de suas experiências passadas. [49] [50] [51] [52] [53] As plantas usam essas informações para adaptar seu comportamento a fim de sobreviver aos desafios presentes e futuros de seus ambientes.

A fisiologia vegetal estuda o papel da sinalização para integrar os dados obtidos nos níveis genético, bioquímico, celular e fisiológico, a fim de compreender o desenvolvimento e o comportamento das plantas. A visão neurobiológica vê as plantas como organismos processadores de informação com processos bastante complexos de comunicação ocorrendo em toda a planta individual. Ele estuda como as informações ambientais são coletadas, processadas, integradas e compartilhadas (biologia sensorial da planta) para permitir essas respostas adaptativas e coordenadas (comportamento da planta) e como as percepções sensoriais e eventos comportamentais são "lembrados" para permitir previsões de atividades futuras sobre com base em experiências anteriores. Plantas, afirmam alguns [ quem? ] fisiologistas de plantas são tão sofisticados no comportamento quanto os animais, mas essa sofisticação foi mascarada pelas escalas de tempo das respostas das plantas aos estímulos, que são tipicamente muitas ordens de magnitude mais lentas do que as dos animais. [ citação necessária ]

Tem sido argumentado que embora as plantas sejam capazes de se adaptar, não deve ser chamado de inteligência per se, já que os neurobiologistas de plantas confiam principalmente em metáforas e analogias para argumentar que respostas complexas em plantas só podem ser produzidas pela inteligência. [54] "Uma bactéria pode monitorar seu ambiente e instigar processos de desenvolvimento apropriados às circunstâncias prevalecentes, mas isso é inteligência? Esse comportamento de adaptação simples pode ser inteligência bacteriana, mas claramente não é inteligência animal." [55] No entanto, a inteligência das plantas se encaixa na definição de inteligência proposta por David Stenhouse em um livro sobre evolução e inteligência animal, no qual ele a descreve como "comportamento adaptativamente variável durante a vida do indivíduo". [56] Os críticos do conceito também argumentaram que uma planta não pode ter objetivos depois de passar do estágio de desenvolvimento da muda porque, como um organismo modular, cada módulo busca seus próprios objetivos de sobrevivência e o comportamento resultante no nível do organismo não é controlado centralmente . [55] Esta visão, entretanto, necessariamente acomoda a possibilidade de que uma árvore seja uma coleção de módulos individualmente inteligentes cooperando, competindo e influenciando uns aos outros para determinar o comportamento de uma forma ascendente. O desenvolvimento em um organismo maior, cujos módulos devem lidar com diferentes condições e desafios ambientais não é universal entre as espécies de plantas, no entanto, como organismos menores podem estar sujeitos às mesmas condições em seus corpos, pelo menos, quando as partes abaixo e acima do solo são consideradas separadamente. Além disso, a alegação de que o controle central do desenvolvimento está completamente ausente das plantas é facilmente falseada pela dominância apical. [ citação necessária ]

O botânico italiano Federico Delpino escreveu sobre a ideia da inteligência das plantas em 1867. [57] Charles Darwin estudou o movimento nas plantas e em 1880 publicou um livro, O poder do movimento nas plantas. Darwin conclui:

Não é exagero dizer que a ponta da radícula assim dotada [..] atua como o cérebro de um dos animais inferiores, estando o cérebro situado na extremidade anterior do corpo, recebendo impressões dos órgãos dos sentidos, e direcionando os diversos movimentos.

Em 2020, Paco Calvo estudou a dinâmica dos movimentos das plantas e investigou se os feijões franceses visam deliberadamente estruturas de suporte. [58] Calvo disse: "Vemos essas assinaturas de comportamento complexo, a única diferença é que não é baseado em neurais, como é nos humanos. Este não é apenas um comportamento adaptativo, é um comportamento antecipatório, direcionado a um objetivo e flexível. ” [59]

Na filosofia, existem poucos estudos sobre as implicações da percepção das plantas. Michael Marder apresentou uma fenomenologia da vida vegetal com base na fisiologia da percepção das plantas. [60] Paco Calvo Garzon oferece uma visão filosófica da percepção das plantas com base nas ciências cognitivas e na modelagem computacional da consciência. [61]

Comparação com neurobiologia Editar

Os sistemas sensoriais e de resposta das plantas foram comparados aos processos neurobiológicos dos animais. A neurobiologia vegetal diz respeito principalmente ao comportamento adaptativo sensorial das plantas e à eletrofisiologia vegetal. O cientista indiano J. C. Bose é considerado a primeira pessoa a pesquisar e falar sobre a neurobiologia das plantas. Muitos cientistas de plantas e neurocientistas, no entanto, consideram o termo "neurobiologia de plantas" um nome impróprio, porque as plantas não têm neurônios. [54]

As idéias por trás da neurobiologia vegetal foram criticadas em um artigo de 2007 [54] publicado em Tendências em Ciências Vegetais por Amedeo Alpi e 35 outros cientistas, incluindo biólogos de plantas eminentes como Gerd Jürgens, Ben Scheres e Chris Sommerville. A amplitude dos campos da ciência das plantas representada por esses pesquisadores reflete o fato de que a vasta maioria da comunidade de pesquisa da ciência das plantas rejeita a neurobiologia das plantas como uma noção legítima. Seus principais argumentos são: [54]

  • "A neurobiologia vegetal não adiciona a nossa compreensão da fisiologia vegetal, biologia celular vegetal ou sinalização".
  • “Não há evidências de estruturas como neurônios, sinapses ou um cérebro nas plantas”.
  • A ocorrência comum de plasmodesmas em plantas "representa um problema para a sinalização de um ponto de vista eletrofisiológico", uma vez que o acoplamento elétrico extenso impediria a necessidade de qualquer transporte célula a célula de compostos "semelhantes a neurotransmissores".

Os autores pedem o fim de "analogias superficiais e extrapolações questionáveis" se o conceito de "neurobiologia vegetal" é para beneficiar a comunidade de pesquisa. [54] Várias respostas a esta crítica tentaram esclarecer que o termo "neurobiologia vegetal" é uma metáfora e que as metáforas provaram ser úteis em ocasiões anteriores. [62] [63] A ecofisiologia vegetal descreve esse fenômeno.

Paralelos em outros taxa Editar

Os conceitos de percepção, comunicação e inteligência das plantas têm paralelos em outros organismos biológicos para os quais tais fenômenos parecem estranhos ou incompatíveis com os entendimentos tradicionais da biologia, ou se mostraram difíceis de estudar ou interpretar. Mecanismos semelhantes existem em células bacterianas, coanoflagelados, hifas fúngicas e esponjas, entre muitos outros exemplos. Todos esses organismos, apesar de serem desprovidos de cérebro ou sistema nervoso, são capazes de sentir seu ambiente imediato e momentâneo e responder de acordo. No caso da vida unicelular, as vias sensoriais são ainda mais primitivas no sentido de que ocorrem na superfície de uma única célula, em oposição a dentro de uma rede de muitas células relacionadas.


A vida secreta das plantas: como elas memorizam, comunicam, resolvem problemas e socializam

Eu esperava entrevistar o neurobiologista de plantas Stefano Mancuso em seu laboratório na Universidade de Florença. Eu o imagino como uma utopia botânica: um lugar onde a flora é respeitada por sua consciência e inteligência, onde plantas de mimosa sensíveis podem demonstrar suas longas memórias e onde os humanos são convidados a aprender como ser uma espécie melhor observando o comportamento de nossos companheiros verdes .

Mas, como ambos estamos bloqueados, usamos o Skype de nossas casas. Em vez de encontrar suas plantas inteligentes, me contento em admirar uma pilha de cápsulas semelhantes a balas de canhão de uma espécie aquática, nas estantes atrás dele. “Eles são usados ​​para propagação”, diz ele. “Estou sempre coletando sementes.”

Antes do laboratório de Mancuso começar a trabalhar em 2005, a neurobiologia vegetal era amplamente vista como um conceito risível. “Estávamos interessados ​​em problemas que até então eram apenas relacionados aos animais, como inteligência e até comportamento”, diz. Na época, era “quase proibido” falar sobre comportamento nas plantas. Mas “estudamos como as plantas são capazes de resolver problemas, como memorizam, como comunicam, como têm a sua vida social e coisas assim”.

Poder da flor . A equipe de Mancuso mostrou que Mimosa pudica pode reter informações aprendidas por semanas. Fotografia: Alamy

Mancuso e seus colegas se tornaram especialistas em plantas de treinamento, assim como os neurocientistas treinam ratos de laboratório. Se você deixar uma gota d'água cair em um Mimosa pudica, sua resposta automática é recuar as folhas, mas, se você continuar a fazê-lo, a planta rapidamente algodará na água que a água é inofensiva e parará de reagir. As plantas podem manter esse conhecimento por semanas, mesmo quando suas condições de vida, como a iluminação, são alteradas. “Isso foi inesperado porque estávamos pensando em memórias muito curtas, na faixa de um ou dois dias - a memória média dos insetos”, diz Mancuso. “Descobrir que as plantas eram capazes de memorizar por dois meses foi uma surpresa.” Até porque eles não têm cérebro.

Em uma planta, um único cérebro seria uma falha fatal porque eles evoluíram para ser o almoço. “As plantas usam uma estratégia muito diferente”, diz Mancuso. “Eles são muito bons em difundir a mesma função por todo o corpo.” Você pode remover 90% de uma planta sem matá-la. “Você precisa imaginar uma planta como um cérebro enorme. Talvez não tão eficiente como no caso dos animais, mas difundido em todos os lugares. ”

Um dos aspectos mais controversos do trabalho de Mancuso é a ideia de consciência vegetal. À medida que aprendemos mais sobre inteligência animal e vegetal, sem mencionar a inteligência humana, o sempre controverso termo consciência se tornou o assunto de um debate científico e filosófico cada vez mais acalorado. “Vamos usar outro termo”, sugere Mancuso. “A consciência é um pouco complicada em ambas as nossas línguas. Vamos falar sobre consciência. As plantas estão perfeitamente cientes de si mesmas. ” Um exemplo simples é quando uma planta ofusca a outra - a planta sombreada crescerá mais rápido para alcançar a luz. Mas quando você olha para a copa de uma árvore, todos os brotos estão fortemente sombreados. Eles não crescem rápido porque sabem que estão sombreados por parte de si mesmos. “Portanto, eles têm uma imagem perfeita de si mesmos e de fora”, diz Mancuso.

A ciência se esforça para ver as plantas como ativas e motivadas porque sua perspectiva é tão humanocêntrica, ele argumenta. Um teste para a autoconsciência em animais é se eles podem se olhar no espelho e entender que estão se olhando. “Poucos animais são capazes de fazer isso”, diz Mancuso. “Humanos, golfinhos, alguns macacos e provavelmente elefantes. Nos últimos anos, isso foi visto como uma espécie de evidência de que apenas esses poucos grupos de animais têm autoconsciência. ” Mancuso acredita que isso está errado. “Minha opinião pessoal é que não existe vida que não se dê conta de si mesma. Para mim, é impossível imaginar qualquer forma de vida que não seja capaz de ser inteligente, de resolver problemas. ”

Outro equívoco é que as plantas são a definição de um estado vegetativo - incomunicativas e insensíveis ao que está ao seu redor. Mas Mancuso diz que as plantas são muito mais sensíveis do que os animais. “E isso não é uma opinião. Isso se baseia em milhares de evidências. Sabemos que um único ápice de raiz é capaz de detectar pelo menos 20 parâmetros químicos e físicos diferentes, muitos dos quais desconhecemos. ” Poderia haver uma tonelada de cobalto ou níquel sob nossos pés, e não teríamos ideia, enquanto “as plantas podem sentir alguns miligramas em uma grande quantidade de solo”, diz ele.

Longe de serem silenciosas e passivas, as plantas são sociais e comunicativas, acima e abaixo do solo, por meio de suas raízes e redes de fungos. Eles são adeptos da detecção de campos eletromagnéticos sutis gerados por outras formas de vida. Eles usam produtos químicos e cheiros para avisar uns aos outros sobre o perigo, deter predadores e atrair insetos polinizadores. Quando o milho é mordiscado por lagartas, por exemplo, a planta emite um sinal químico de perigo que atrai vespas parasitas para exterminar as lagartas.

Um ritmo de vida mais lento. O velho Tjikko na Suécia tem quase 10.000 anos. Fotografia: Lars Johansson / Getty Images / iStockphoto

As plantas também respondem ao som, “sentindo” as vibrações por toda parte. “As plantas são extremamente boas em detectar tipos específicos de sons, por exemplo, a 200 Hz ou 300 Hz ... porque procuram o som da água corrente.” Se você colocar uma fonte de som de 200Hz perto das raízes de uma planta, ele diz, elas irão segui-la. Não há evidências de que a voz humana beneficie as plantas, embora falar com as plantas possa acalmar os humanos ao fazê-lo.

Outra razão pela qual negligenciamos a inteligência das plantas é seu ritmo de vida muito mais lento. No novo livro de Mancuso, The Incredible Journey of Plants, encontramos a planta mais antiga do mundo - Old Tjikko - um abeto vermelho cujas raízes se contorceram na terra sueca por cerca de 9.560 anos. Também conhecemos as engenhosas sementes de capim-fonte carmesim, que optam por não germinar até que as condições sejam perfeitas - e podem sobreviver por seis anos enquanto esperam.

A ideia principal do livro é que as plantas foram as pioneiras originais e sempre exploraram o planeta. Mancuso evita a noção de “espécies nativas” e valoriza as chamadas espécies invasoras acima de tudo. “Quanto mais invasivos, mais gosto deles, porque são o exemplo mais brilhante da capacidade de resolver problemas”, afirma. “As espécies invasoras são as plantas mais bonitas que posso imaginar.” Para Mancuso, “a migração é uma das forças mais importantes da natureza. Todos os organismos vivos migram. Somos a única espécie que não tem permissão para isso, e isso é completamente antinatural. ”

Embora as novas gerações de botânicos estejam adotando cada vez mais a neurobiologia vegetal, Mancuso ainda tem seus detratores. No verão passado, um grupo de oito cientistas de plantas escreveu na revista Trends in Plant Science que Mancuso e seus colegas “têm consistentemente encoberto o grau único e notável de complexidade estrutural, organizacional e funcional que o cérebro animal teve de evoluir antes que a consciência pudesse emergir ”. Mancuso diz que quase todos esses botânicos estão aposentados. “É uma geração mais velha de cientistas de plantas que é completamente contra qualquer noção de uma planta como inteligente ou comportada. Para eles, as plantas são uma espécie de máquina orgânica semiviva. ”

A noção de que os humanos são o ápice da vida na Terra é uma das idéias mais perigosas que existem, diz Mancuso: “Quando você se sente melhor do que todos os outros humanos ou outros organismos vivos, você começa a usá-los. Isso é exatamente o que estamos fazendo. Nós nos sentimos fora da natureza. ” A expectativa de vida média de uma espécie na Terra é de 2 a 5 milhões de anos. “O Homo sapiens viveu apenas 300.000 anos”, diz ele - e já “fomos capazes de quase destruir nosso meio ambiente. Desse ponto de vista, como podemos dizer que somos organismos melhores? ”

Talvez devêssemos tentar - aham - tirar uma folha do livro do reino vegetal. As sociedades e organizações humanas são estruturadas como nossos corpos - com um cérebro, ou um centro de controle de nível superior, e vários órgãos diferentes governando funções específicas. “Usamos isso em nossas universidades, nossas empresas e até mesmo em nossas divisões de classe”, diz Mancuso. Essa estrutura permite que nos movamos com rapidez, física e organizacionalmente, mas também nos deixa vulneráveis. Se um órgão principal falhar, pode destruir tudo, e a liderança de cima para baixo raramente serve ao todo.

As plantas, ao contrário, “são uma espécie de organizações horizontais, difusivas, descentralizadas e muito mais alinhadas com a modernidade”. Considere a Internet, o sistema raiz descentralizado definitivo. “Veja a capacidade da Wikipedia de produzir uma quantidade maravilhosa de informações de boa qualidade usando uma organização descentralizada e difusa. Estou afirmando que, ao estudar redes de plantas, podemos encontrar soluções maravilhosas para nós ”. Ou considere o espírito da cooperação. As plantas, diz Mancuso, “são mestres em iniciar relações simbióticas com outros organismos: bactérias, cogumelos, insetos e até nós. Basta olhar para a forma como eles nos usam para sermos transportados ao redor do mundo. ” Podemos pensar que temos a vantagem, mas as plantas podem discordar.

The Incredible Journey of Plants por Stefano Mancuso é publicado por Outra Imprensa


Jardim sonoro: as plantas podem realmente falar e ouvir?

Embora geralmente muito baixo ou muito alto para serem detectados pelos ouvidos humanos, os insetos e os animais sinalizam uns aos outros com vibrações. Até as árvores e plantas chiam com o som de pequenas bolhas de ar estourando em seus encanamentos.

E há evidências de que insetos e plantas "ouvem" os sons uns dos outros. As abelhas zumbem na frequência certa para liberar o pólen dos tomates e de outras plantas com flores. E os besouros da casca podem pegar os estouros da bolha de ar dentro de uma planta, um indício de que as árvores estão sofrendo de estresse hídrico.

O som é tão fundamental para a vida que alguns cientistas agora pensam que há um fundo de verdade no folclore que afirma que os humanos podem se comunicar com as plantas. E as plantas podem usar o som para se comunicarem umas com as outras.

Se até mesmo as bactérias podem sinalizar umas às outras com vibrações, por que não as plantas, disse Monica Gagliano, fisiologista de plantas da University of Western Australia em Crawley.

"O som é opressor, está em toda parte. Certamente a vida o teria usado em seu proveito em todas as formas", disse ela ao OurAmazingPlanet.

Gagliano e seus colegas recentemente mostraram que as raízes das mudas de milho se inclinam para um ronronar de 220 Hertz, e as raízes emitem cliques de uma melodia semelhante. Mudas de pimenta aceleram seu crescimento quando uma planta de erva-doce desagradável está próxima, isolada das pimentas em uma caixa que só transmite som, não cheiro, revelou outro estudo do grupo. A erva-doce libera substâncias químicas que retardam o crescimento de outras plantas, então os pesquisadores acreditam que as plantas do pimentão crescem mais rápido em antecipação aos produtos químicos & mdash, mas apenas porque ouvem a planta, não porque a cheiram. Tanto a erva-doce quanto as pimentas também estavam em uma caixa com isolamento acústico.

“Identificamos que as plantas respondem ao som e fazem seus próprios sons”, disse Gagliano. "O propósito óbvio do som pode ser para se comunicar com outras pessoas."

Gagliano imagina que os alertas de raiz para raiz podem transformar uma floresta em um painel de controle orgânico. "Considering that entire forests are all interconnected by networks of fungi, maybe plants are using fungi the way we use the Internet and sending acoustic signals through this Web. From here, who knows," she said.

As with other life, if plants do send messages with sound, it is one of many communication tools. More work is needed to bear out Gagliano's claims, but there are many ways that listening to plants already bears fruit.

When the bubble bursts

Scientists first recognized in the 1960s that listening to leaves revealed the health of plants.

When leaves open their pores to capture carbon dioxide, they lose huge amounts of water. To replace this moisture, roots suck water from the ground, sending it skyward through a series of tubes called the xylem. Pit membranes, essentially two-way valves, connect each of the thousands of tiny tubes. The drier the soil, the more tension builds up in the xylem, until pop, an air bubble is pulled in through the membrane.

For some plants, these embolisms are deadly &mdash as with human blood vessels &mdash because the gas bubbles block the flow of water. The more air in the tubes, the harder it is for plants to pull in water, explains Katherine McCulloh, a plant ecophysiologist at Oregon State University.

But researchers who eavesdrop on plant hydraulics are discovering that certain species, like pine trees and Douglas firs, can repair the damage on a daily or even an hourly basis.

"These cycles of embolism formation and refilling are just something that happens every single day. The plant is happy, it's just day-to-day living," McCulloh said. "In my mind, this is revolutionary in terms of plant biology. When I learned about how plants moved water, it was a passive process driven by evaporation from the leaves. What we're beginning to realize is that's just not true at all. It's a completely dynamic process."

How to listen to plants

The technology to hear plant bubbles explode is actually quite simple. Acoustic sensors designed to detect cracks in bridges and buildings catch the ultrasonic pops. A piezoelectric pickup, the same as an electric guitar pickup, goes through an amplifier to an oscilloscope that measures the waveform of each pop. The acoustic sensor is pricey, but Duke University botanist Dan Johnson has funding from the National Science Foundation and the U.S. Department of Agriculture to build a low-cost version this summer. He'll give the embolism detector to high school students at the North Carolina School of Science and Mathematics in Durham.

"I think plant hydraulics will be the piece of the puzzle that tells us which species are going to live and which species are going to die with climate change," Johnson told OurAmazingPlanet. "Plant hydraulics will tell us what our future forests will look like in 50 years."

Two geologists in Arizona are also building a low-cost acoustic detector, crowd-funded at about $1,000, drawn by the age-old allure of communicating with plants.

"We became fascinated with the thought of being able to listen in to the plumbing of the saguaro cactus," said Lois Wardell, owner of Tucson-based consulting firm Arapahoe SciTech. Starting with a 3-foot-tall potted saguaro, Wardell and geophysicist Charlotte Rowe hope to distinguish between cacti drying out and those complaining about other environmental stress.

"We're working on trying to differentiate these two signals: I'm cold versus I'm really thirsty," Wardell said. "We've already managed to produce a few squawks." [Saguaros: Living Bouquets of the Sonoran Desert]

What plants say about drought

Acoustic emissions, or the sound of bursting air bubbles, could also upend assumptions about the effects of drought on plants.

In the arid Southwest, Johnson was surprised to find that the plants considered the most drought-tolerant, such as junipers, did worst at repairing embolisms. Broad-leaf plants, including rhododendrons and beaked hazels, were better at fixing the damage caused by dry pipes.

"With the incredible drought going on there right now, the species we predicted to die are exactly the opposite of what's occurring," Johnson said. "We're seeing a lot of deaths in junipers, and those are typically the most drought-resistant in that area, whereas most of the broad-leaf systems go dormant and they repair whatever embolisms occur the next spring, when there's more water."

Johnson predicts that in future severe droughts, the plants that have a harder time repairing embolisms are more likely to die. "It's the plants that can repair embolisms that are going to survive," he said. [Gallery: Plants in Danger]

Living in drought-stricken Australia, Gagliano is also excited by the possibility of decoding drought signals. "We don't know if these emissions are also providing information to neighborhoods of plants," she said. "Plants have ways of protecting themselves when they run out of water, and they are really good at sharing information about danger, even if one sharing is one that's going to die."

Sensing sound by touch instead?

Critics of Gagliano's research point out that no one has found structures resembling a mouth or ears on corn or any other plant. Nor do the group's studies prove that plants "talk" among themselves.

"This is pretty provocative and worth following, but it doesn't really provide a lot of evidence that these are acoustic communications," said Richard Karban, a University of California, Davis, expert in how plants communicate via chemical signals.

But simpler life forms manage just fine without complex sound receptors and producers. Walnut sphinx caterpillars whistle by forcing air out of holes in their sides. Flying insects perform death drops when they sense a bat's sonar clicks. Earthworms flee the vibrations of oncoming moles. [Listen to caterpillars communicate with their butts]

Of course, there may be another explanation for the apparent response to sound reported by Gagliano. One that could also account for the century of researchers and home gardeners (including Charles Darwin) who manipulated plant growth with music.

Could a sense of touch be why plants seem to respond to sound?

Even humans can perceive sound without hearing it, said Frank Telewski, a botanist at Michigan State University and an expert on how trees respond to wind.

"How many times have you sat next to someone who has their car stereo at full blast? You can really feel it pounding in your chest," he said.

Trees perceive and respond to touch, like wind or an animal passing on a trail. And like the wind, sound is a wave that travels through air.

In fact, a tree needs wind to grow, Telewski said. "If you stake down a seedling, you do it a little bit of disservice, because a tree needs to perceive motion. It's like physical therapy for the tree. If you stake it too tight, it does not allow the plant to produce stronger tissues."

But Telewski is open to the idea of plant communication by sound. He said in the last few years, researchers in China have shown they can increase plant yields by broadcasting sound waves of certain frequencies. Other groups have investigated how different frequencies and intensities of sounds change gene expression. Their studies find that acoustic vibrations modify metabolic processes in plants. Some of the beneficial vibrations also drive away pesky insects that munch on crops.

"We're not there yet," Telewski said of the effort to prove plants communicate. "Sometimes a fantastic hypothesis can turn out to be true, but there has to be fantastic evidence to support it."

Answering critics

Karban, from UC Davis, notes that the plant field is not very receptive to new ideas. The idea that plants could talk via scent, or volatile chemicals, was roundly pooh-poohed in the 1980s, but Karban and others went on to prove that plants including sagebrush warn their neighbors of impending danger by wafting chemical signals into the air. "At times in my career I've tried to push new ideas and it's been very difficult," Karban said.

Gagliano remains undeterred by the skepticism.

"I was guided to sound by the long tradition in folklore of people talking to plants and listening to plants and plants making sounds," Gagliano said. "I wanted to see if there was any scientific basis for something that stays so stubbornly in our culture."

But the corn root clicks are at the lower end of the human hearing range. "In theory, we could hear it, but realistically, these were emitted from roots in the ground, so the truth is we probably wouldn't hear it," she said. And the fizzy bubble bursts in xylem are ultrasonic, about 300 kiloHertz, detectable only by insects and some other animals.

This spring, Gagliano and her collaborators will screen more plants for communication skills. "We will see whether some groups of plants might be more chatty than others, and if some plants have specific requirements for sound," she said. They also plan to record sounds emitted from plants and play them back and see what kind of response, if any, they produce in other plants.

"Shamans say they learn from the plant's sounds. Maybe they are attuned to things we don't pay attention to," Gagliano said. "It's really fascinating. We might have lost that connection and science is ready to rediscover it."


Notes on Phytochrome | Fisiologia vegetal

In plants, there is a photo reversible pigment which is called phytochrome (P), chromophoric protein, and exists in two forms: one which absorbs red (Pr) and the other one which absorbs far-red light (Pfr).

Bestowed with such a versatility of the molecule, several bio-chemicals, physiological and morphogenetic responses can be regulated in the plants. It was in 1920 that Gardner and Allard demonstrated photoperiodism and the importance of dark period.

Thus, short day plants failed to flower once their dark period was intercepted by a short interval of light. In 1944, Borthwick, Parker and Hendricks at the U.S. Department of Agriculture, Beltsville observed that red light (660 nm) was highly effective in inhibiting flowering of short day plants.

On the contrary, it promoted flowering in long day plants. Same effect caused by red light was seen in stem elongation in barley and leaf growth in pea seedling grown in the dark. Earlier, Flint and Moallister (1935-37) had reported that red light highly promoted lettuce seed germination and the latter was inhibited by far-red light.

That is far-red light exposure following red light, reversed its effects. These observations pointed towards the existence of a single photoreceptive compound which occurred in two inter-convertible forms.

Similar situation was reported in several other phenomena. Butler used the term phytochrome for this photoreversible pigment. Norris (1959) demonstrated the photo reversibility of the pigment using a dual spectrophotometer in the cotyledons of turnip seedling.

However, it was in 1962 that this pigment was extracted from shoots of dark grown maize seedlings and was shown to be a chromoprotein and the chromophore was a cyclic tetrapyrole. Soon after it came to be recognized that the active form was far-red absorbing (P730) and this gradually changed to P660 in the dark. The change in configuration during these reversals was also unravelled (Fig. 12-1, 2).

Correl (1965, 1969) using analytical centrifugation studies revealed the occurrence of phytochrome tetramers which were made up of subunits. It was shown to be of similar absorption spectra. Over the years, several aspects of phytochrome chemistry have attracted attention and these are phototransformation of the pigment at low temperature in relation to subsequent dark reaction at normal temperature changes in the optical activity during photoreversibility of the pigment.

The pigment is found to be stable between pH 6 and pH 8. The photoreversibility is gradually lost in TFA (trifloroacetic acid), DMS (dimethyl sulfamide), urea and mercapto-binders. The presence of glutaraldehyde seems to inhibit the Pr-Pfr transformation.

Such absorption in all probability is attributed to cross linkages between the peptide chains. In a nutshell, it is imperative that chromophore is surrounded by a specific configuration of the protein.

Indeed, studies relating to optical activity of the two forms have shed sufficient light on the role of protein moiety and also on the mechanism of photoreversibility. It is very interesting to note that in the Pr to Pfr transformation several intermediate photo-isomers are produced which are cold temperatures stable.

Further, Pfr to Pr transformation is very simple but dark reversion of Pfr to Pr is highly temperature dependent in vitro. When oxygen is present, there is destruction. That this destruction is inhibited by EDTA. EM and ultracentrifugation techniques have shown that photoreversible part may have a dimer structure.

Since phytochrome mediates a wide range of responses, (Table 12-2), it is difficult to propose a generalized model. By far, most efforts revolve around gene activity. Several enzyme-systems are regulated by phytochrome (nitrate reductase invertase peroxidase).

The inhibition of enzyme synthesis by Actinomycin D or Cycloheximide following phytochrome action points towards transcription and translation. Even though possible for several systems, gene activity is unable toexplain short term responses e.g. orientation of Mougeotia chloroplast, pulvinus movement in Albizzia, etc.

Through polarizing microscope, it is evident that this pigment is membrane localized and by changing its orientation it regulagtes membrane permeability. The general view is that chromophore component acts as a photo-receptor and undergoes cis-trans isomerization and causes change in the conformation of protein moiety.

Thus chain of significant events is altered. However, precise mechanism of its action has been described in an oversimplified way and many questions about the mechanism of its action await detailed answers. A photo-response can be defined as phytochrome-mediated one if it could be induced by a short irradiation of red light (nearly 5 min or so, of medium quantum flux density).

Further, the induction by red light should be reversed by far-red light. The responses may be positive or negative or may be highly complex. Then the responses may be developmental or rapid responses. The developmental responses are mediated by phytochrome but involve other physiological processes e.g., growth, differentiation and periodic phenomena. Such processes take long time for the production of a response.

Such responses include photoperiodism, seed germination, anthocyanin formation, chlorophyll synthesis, unfolding of monocot leaves, etc. On the other hand, rapid responses are manifested in a short time after irradiation with red light and do not interact with complex physiological processes.

This category includes orientation of chloroplast in Maugeotia filaments, leaflet, and movements in Mimosa pudica, increased permeability of water on the basis of permeability changes affected by red phytochrome, whereas developmental responses indicate an effect at gene, enzyme or hormonal level. In the following some of the phytochrome-mediated phenomenon are briefly discussed (See Table 12-2).

(i) Phytochrome and flowering:

The inhibition of flowering in short day plants by a red (R)- break indicates the existence of some important reactions which cause synthesis of floral stimulus. This is completed in dark. It was shown that there was involvement of a ‘light- Pfr’—’high Pfr’ reaction and a ‘low Pfr’ reaction but their sequence varies.

During the formation of floral stimulus, there is GA-like compound synthesized. Thus, distinct ratios of P660/P730 are essential to induce flower formation.

(ii) Chloroplast development:

The effect of light on chloroplast development is surely mediated by phytochrome, since red illumination promotes chloroplast development and synthesis of photosynthetic enzymes.

(iii) DNA- and Protein synthesis:

Red light is also shown to induce DNA and protein synthesis in the cells of etiolated pea stem apices.

In dwarf peas, R-light induced proteins which were complexed with GA3 and suggestively this complex prevented normal growth of the dwarf peas.

(iv) Water uptake:

Another significant effect of R-light consists of its role in regulating the uptake of different substances such as water, acetate and also exogenously applied auxins.

(v) Seed germination/dormancy:

In the air dried seeds of Cucurbitapepo, whole of the phytochrome exists as Pfr. On moistening of the seeds, phytochrome increased in steps as below:

(vi) Pollen germination:

Studies in Arachishypogaea pollen have shown that short exposure to R-light caused early tube emergence and its enhanced elongation, and that this effect was annulled by FR exposure. Obviously, the effects of R and FR were mutually reversible. Furthermore, acetylcholine and GA3 could replace the R-light effect.

In apple, anthocyanin synthesis is regulated by the phytochrome system. M.J. Jaffe has proposed how phytochrome might affect changes in membrane permeability. His group also demonstrated that acetylcholine, the animal neurohumor, could mimic the effect of far-red light.

These workers further proposed that acetylcholine possibly mediated several phytochrome responses in roots. There is a good possibility to believe that Red-light results in the synthesis of acetylcholine and the latter affects membranes and mitochondria and regulates the transport as well as oxygen uptake, etc.

It is only recently that much attention is being devoted to the distribution and functions of acetylcholine in plants. H.Mohr highlighted the role of phytochrome in chloroplast development.

From his studies a few points may be summarized below:

The rate, at which grana appear under continuous white light saturating with respect to chlorophyll formation, is controlled by red light pulse pre-treatment.

eu. Chlorophyll a which is a characteristic marker-molecule of the plastid compartment, its formation is controlled by phytochrome.

ii. The level of Calvin cycle enzymes is also controlled by phytochrome.

iii. Phytochrome has also been shown to regulate photophosphorylation.

4. Phytochrome has also been shown to control chlorophyll b appearance.

It is still debatable whether or not the multiple controls exerted by phytochrome during pattern realisation in plastogenesisis the result of a single initial action of Pfr or not. However, one fact is obvious that Pfr controls chloroplast development at different levels and through several independent initial actions.

There is evidence that many of the blue-green algae (Nostocales) contain photochromic (photoreversible) pigments regulating morphogenesis, mobility and pigment synthesis. These photochromic pigments resemble the phytochrome of higher plants but have their absorption peaks at shorter wavelengths.

In blue-green algae there is green vs. red antagonism instead of red vs far-red. As analogues of phytochrome they are referred to as cynophyceanphycochromes. Recently phycochromes a, b and c have been described. A pigment system sensing blue light (400-450 nm) and not reversible has been located in several higher and lower plants (e.g., Neurosporacrassa. Dictyostelium sp.).

This photoreceptor may be a flavoprotein, which absorbs blue light. The reduced cytochrome gets reoxidized in dark. In Arabidopsis there are five phytochrome genes encoding five species of phytochrome (PHYA- E). Of these PhytochromeA (PHYA) accumulates in darkgrown seedlings as PrA which is stable. PfrA is unstable and is destroyed with a half-life of 1 to 1.5 hours. PHYB is expressed at low levels in both light and dark.

PfrB is stable, with a half-life of 8-hours or more. A mixture of red and FR light will establish a photoequilibrium mixture of Pr and Pfr. Phytochrome-mediated effects are conveniently grouped into three categories on the basis of their energy requirements: very low fluence responses (VLFR), low fluence responses (LFR), and high irradiance reactions (HIR).

LFR includes seed germination and deetiolation. VLFR are not photoreversible, is HIR requires prolonged exposure to high irradiance, are time dependent, and are not photoreversible. It seems that PHYB is the sensor that detects changes in R/FR fleucne ratio.


New insights into how phytochromes help plants sense and react to light, temperature

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Plants contain several types of specialized light-sensitive proteins that measure light by changing shape upon light absorption. Chief among these are the phytochromes.

Phytochromes help plants detect light direction, intensity and duration the time of day whether it is the beginning, middle or end of a season and even the color of light, which is important for avoiding shade from other plants. Remarkably, phytochromes also help plants detect temperature.

New research from Washington University in St. Louis helps explain how the handful of phytochromes found in every plant respond differently to light intensity and temperature, thus enabling land plants to colonize the planet many millions of years ago and allowing them to acclimate to a wide array of terrestrial environments.

The new work from the laboratory of Richard D. Vierstra, the George and Charmaine Mallinckrodt Professor of Biology in Arts & Sciences, is published this week in the Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS).

For the first time, these biologists fully characterized the phytochrome family from the common model plant Arabidopsis thaliana on a biochemical level.

The scientists also extended that characterization into the phytochromes of two important food crops: corn and potatoes. Instead of finding that all phytochrome isoforms are identical, they found surprising differences.

"A major hurdle toward understanding how phytochromes direct most aspects of plant growth and development has been defining how the related isoforms work collectively and uniquely to regulate specific cellular activities," Vierstra said.

Plants typically express three or more phytochromes. It was well-known that plants can respond to wide ranges of light intensities but other factors such as expression levels and signaling potential were considered as the likely culprits.

"Now we know that the differing biophysical properties of the isoforms also underpin the unique signaling potentials within the plant phytochrome photoreceptor families," Vierstra said. "These properties are evident in Phy families in plants ranging from Arabidopsis to maize and potatoes, indicating that they likely emerged very early in phytochrome evolution."

A deeper understanding of these proteins will allow scientists to use phytochromes as tools both in agriculture and for research in the field of optogenetics, which has exploited phytochromes to precisely control cellular events simply by shining light.

"It is striking how differently the two major Arabidopsis phytochromes respond to varying light levels, where low levels of light akin to heavy shade can nearly fully activate the PhyA isoform, while the PhyB isoform requires near full sun to become fully active," said Zachary Gannam, postdoctoral fellow in biology in Arts & Sciences and co-first author of the new paper.

The results also show why PhyB may have the greatest role in how plants sense temperature—something that will become even more important in a warming world.

"A plant's struggle for survival is foreign to us. They are rooted in place and must adapt to their immediate environment or perish," said E. Sethe Burgie, research scientist in biology and co-first author of the new paper.

"Graded responses to light are important to keep plant growth under appropriate control as the plant adapts to its environment," he continued. "They're likely integral for detecting waxing or waning daylight hours to allow flowering and setting seed in the proper season."

In coming months, the researchers plan to modify and grow plants that manifest different variations and combinations of the phytochromes included in this laboratory study, with the goal of modifying light and temperature sensation of crops for agricultural benefit.


Secret Lives

Karban started off as a cicada researcher, studying how trees cope with the plague of sap-sucking bugs that descends upon them every 17 years. Back then, the assumption was that plants survived by being tenacious, adapting their physiology to hunker down and suffer through droughts, infestations and other abuse. But in the early 1980s, the University of Washington zoologist David Rhoades was finding evidence that plants actively defend themselves against insects. Masters of synthetic biochemistry, they manufacture and deploy chemical and other weapons that make their foliage less palatable or nutritious, so that hungry bugs go elsewhere. For Karban, this idea was a thrilling surprise — a clue that plants were capable of much more than passive endurance.

Electric Signals
How does one leaf know it’s being eaten, and how does it tell other parts of the plant to start manufacturing defensive chemicals? To prove that electrical signals are at work, Ted Farmer’s team placed microelectrodes on the leaves and leaf stalks of Arabidopsis thaliana (a model organism, the plant physiologist’s equivalent of a lab rat) and allowed Egyptian cotton leafworms to feast away. Within seconds, voltage changes in the tissue radiated out from the site of damage toward the stem and beyond. As the waves surged outward, the defensive compound jasmonic acid accumulated, even far from the site of damage. The genes involved in transmitting the electrical signal produce channels in a membrane just inside the plant’s cell walls the channels maintain electrical potential by regulating the passage of charged ions. These genes are evolutionary analogues to the ion-regulating receptors that animals use to relay sensory signals through the body. “They obviously come from a common ancestor, and are deeply rooted,” Farmer said. “There are lots of interesting parallels. There are far more parallels than differences.”


How Chemical Sensing Devices Work

Breathing in and out is something our bodies do without our having to think about it. In fact, we rarely even give a second thought to the air surrounding us until the quality is low somehow – maybe from the smoke of a nearby fire or smog enveloping our crowded cities.

But there can be dangerous gases that are not always visible. Carbon monoxide and radon are two examples of deadly air contaminants that are completely invisible. We don't realize we're being poisoned from the air we breathe until it is too late. Luckily, these gases aren't that prevalent, and with the help of a little chemical sensing technology, we can let carbon monoxide and radon detectors do the worrying for us.

Chemical sensors are helpful far beyond just detecting deadly gases. These devices can be found in our homes, hospitals and in the military. There are many different types of sensors that detect different target molecules (also known as analytes) Although the sensors work in various ways, the gist is that a chemical interaction happens between the analyte and something in the sensor, and the device produces a measurable signal – a beeping or a color change to alert us to the presence of the target molecule.

Despite the differences in the construction of sensors, there are a few guiding principles that make any sensor good. The ideal one is inexpensive, foolproof and portable. Most importantly, any chemical sensor has two vital features: selectivity and sensitivity. There are more than 10 billion molecular substances in the world, so selectively detecting a single substance is no small feat [source: National Research Council]. Sensitivity is also incredibly important for detecting chemicals from a considerable distance or for trying to find very low concentrations of a target molecule. Other important sensor features are response time, packaging size and limit of detection — the lowest quantity of a substance that can be detected.

So Sensitive! How Sensors Detect Target Molecules

Scientists and engineers have developed a variety of sensors for different purposes, and as you can imagine, they all have their own ways of working. After all, a pregnancy test kit is not likely to have the same detection mechanism as a radon detector, right?

All chemical sensors target some sort of analyte, but what happens once the analyte is in the sensor is where the differences emerge. For example, the sensor can bind the analyte (think a lock-and-key type mechanism, but on the molecular level). Or, the sensor may be set up so that the analyte selectively passes through a thin film. Imagine the film being a chemical gatekeeper that only lets the target molecule through and stops everything else from going in. This type of sensor has the positive feature of being continually reusable. A third form of sensor uses up the analyte in a chemical reaction that generates a product that creates the readable signal [source: National Research Council]. These three very broad mechanisms cover the workings of most sensors, but there are still other types.

For example, there are direct-read electrochemical sensors that use the diffusion of charged molecules to look for changes in current, conductivity or potential to see if a target analyte is present. Surface acoustic wave sensors employ acoustic waves sent from one electrode to another across a surface. The sensor is designed so that if the speed of the wave changes or if it loses intensity, it signals the presence of a target molecule bound to the surface. By taking measurements of these changes, the sensor may even be able to detect quantities of the material present [source: National Research Council].

Another cool innovation in chemical sensing technology moves toward detecting inherent properties of different chemical targets instead of using a molecular interaction to drive the detection. Different bonds in molecules each have signature vibration patterns that can be detected in the infrared region of the electromagnetic spectrum. By combining light sources, filters and detectors onto a single chip, scientists at Massachusetts Institute of Technology have been able to detect these molecular fingerprints in order to sense a whole host of molecules, from contaminants in water to electrolytes in the blood of newborn babies [source: Bender].

How Chemical Sensors Help

No matter how they operate, chemical sensing devices are, without a doubt, working for you. Your home probably has at least a one detector for radon gas, smoke or carbon monoxide, depending on the laws in your state or country. Many radon sensors work by absorbing the radon itself or detecting the radioactive decay products of the lethal gas. Carbon monoxide, on the other hand, is not a radioactive material, so the detectors for this gas operate differently. One of the most common mechanisms for this chemical sensor is a riff on biology. These detectors mimic how carbon monoxide interacts with hemoglobin in blood in order to determine the presence of the gas. Another common detector in the home is a smoke detector. While some use radioactive materials to help sniff out smoke, most of the sensing in smoke detectors comes from the physical, not chemical, phenomenon of the smoke particles causing interference that is sensed by the detector.

Chemical sensing devices also have widespread use outside the home. One of the main places you'll see these devices in action is in search of biomolecules in medical settings. Biomolecule sensors are essentially specialized chemical sensors. Although they detect substances like hormones, these bodily substances are all molecules. After all, these sensors are made with many of the same guiding principles as other chemical sensors – selectivity, sensitivity and portability.

Some of the most portable biomolecule sensors you may be aware of are associated with fertility measurements: pregnancy tests and ovulation tests. Both these chemical sensors detect the presence of certain hormones in urine. In the case of pregnancy tests, the sensor looks for the hormone human chorionic gonadotropin (hCG) in urine. The stick on which the woman urinates has antibodies that are coated with a chemical that bonds to hCG. If the biomolecule is present, the test reads positive [source: Parents Magazine]. Usually these chemical sensors have a colorimetric component so that when the analyte – in this case hCG – binds, it triggers a color change in the sensor, making the readout of the results pretty foolproof.

In the clinical setting, two of the most common methods for chemical-based biomolecule detection are ELISA (enzyme-linked immunoabsorbent assay) and the Western blot. Depending on the size and type of the biomolecule in question and the information they want about the molecule, scientists and clinicians will often turn to one of these chemical sensing techniques to identify different analytes in mixtures of biomolecules [sources: ThermoFisher Scientific, Mahmood and Yang].


Conclusions and future perspective

The perception and processing of vibrations in the form of sound waves are very advantageous from an ecological perspective, and thus it is unjustified to exclude plants from this exciting field of study. From the recent discoveries that have been made it is amply clear that plants perceive the SV stimulus, which is appreciably different from other mechanical stimuli. Our attempt to critically assess SV-mediated cellular adjustments in this paper has resulted in a model defining the sound-signaling pathway ( Fig. 1 ). There appear many similarities in the sound- and touch-signaling pathways, and thus, the field of plant acoustics can benefit from the information available in signaling of thigmoresponses. However, the molecular components involved in the signaling of the SV stimulus in plants are still debated. Deciphering the precise role(s) of phytohormones in SV-mediated regulation of plant development and growth will be a matter of extensive research. ROS and sugars are versatile molecules also implicated in signaling and thus their probable role(s) in the SV-mediated response need to be thoroughly investigated. With the advancement of molecular biology technologies, there is certainly a need to make available the whole genome transcriptomic maps to identify all the genes specifically affected by the SV stimulus. This will highlight the similarities and/or dissimilarities among the acoustic and mechano-perceptions and help to decipher acoustic signaling in plants. Several specific knowledge gaps have been highlighted in the text and Fig. 1 of this paper. Most importantly, we urge for more studies on the response of plants exposed to natural SVs that may provide a beneficial stimulus, recorded at the correct and appropriate intensities.

Finally, more focused attention is needed to unravel the hidden facets in this under-studied field of plant biology. The time has come to move on from the debate about whether plants can sense and communicate SVs, which has constrained us so far in our understanding of plant communication: scientists should now set themselves the task of revealing the fascinating details that are currently hidden in the field of plant acoustics. We should be enthusiastic about this new emerging field of plant research that holds the promise to provide us with a new dimension to look at plant as a perceiving organism: much smarter and more sensitive to various environmental stimuli than we might think.


Assista o vídeo: Vibrações nas plantas (Dezembro 2021).