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¿Cómo detecta la planta sensible las vibraciones?

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La planta sensible (Mimosa pudica) es una pequeña planta notable cuyo rasgo característico es su capacidad para dejar caer las hojas cuando se le molesta:

Aparentemente, esta capacidad de caída se basa en las células de las hojas de la planta sensible que pueden extraer agua de sí mismas a través de cambios en las concentraciones de iones intracelulares, lo que hace que las hojas sean menos turgentes.

Lo que me confunde es cómo la planta "siente" las vibraciones. Las plantas realmente no tienen un sistema nervioso del que hablar; ¿Cómo entonces la planta sensible "sabe" caer cuando se la molesta?


De hecho, la idea de un sistema nervioso vegetal es bastante seria y se desarrolla constantemente; Por supuesto, se trata de vías de señal bastante locales y simples en lugar de una red global centralizada "animaliana", pero utilizan mecanismos similares: ondas de despolarización, compuestos similares a neurotransmisores, células especializadas ... Aquí hay un artículo de revisión de Brenner et al.

En el caso de Mimosa, hay un buen artículo que resume la larga investigación de Takao Sibaoka sobre el tema.

En resumen, parece que el floema de sus pecíolos tiene células que tienen membranas polarizadas y pueden desencadenar la despolarización debido a una estimulación mecánica. Luego, la señal se propaga al pulvinus correspondiente mediante una mezcla de electricidad y Cl- ondas de despolarización.

En el pulvinus, esta señal desencadena una segunda despolarización que coordina las células del pulvinus para activar el bombeo de agua responsable de la caída de las hojas.

Lo más probable es que la transmisión a las hojas adyacentes sea mecánica, es decir, el movimiento de una hoja que cae excita a otra.

Referencias:

  • Brenner ED, Stahlberg R, Mancuso S, Vivanco J, Baluska F, Van Volkenburgh E. 2006. Neurobiología vegetal: una visión integrada de la señalización vegetal. Tendencias en ciencia de las plantas 11: 413-9.

  • Sibaoka T. 1991. Movimientos rápidos de plantas provocados por potenciales de acción. The Botanical Magazine Tokio 104: 73-95.


Haswell, Peyronnet, et al (2008) han demostrado que las plantas tienen algunos de los mismos canales iónicos mecanosensibles que E. coli lo hace. El trabajo estaba en las raíces de Arabidopsis y no la planta que está investigando, pero el mecanismo podría ser similar.

No parece que la vibración juegue un papel, ya que la planta parece responder al toque del ser humano más que a su acercamiento a la hoja. Esto podría descartar las corrientes de aire como mecanismo (pero J.M. ha señalado en los comentarios que se pliegan cuando soplas sobre ellas).


Algunas notas adicionales- He cultivado TickleMe Plants (plantas sensibles) durante años y he visto a las plantas cerrar sus hojas como reacción a las vibraciones causadas por los pasos de mis pies, además de soplar sobre la planta y colocar la planta en frío, muy Ambientes cálidos y oscuros. Además, he observado que la capacidad de la planta para detectar vibraciones depende de la temperatura y la hora del día. Parte de esta información se puede encontrar en The TickleMe Plant Book que se encuentra en http://www.ticklemeplant.com. No puedo decir específicamente cuál es el mecanismo que detecta las vibraciones y hace que cambie la presión de turgencia de TickleMe Plants. Espero más respuestas.


Mecanorreceptores (en plantas)

A mecanorreceptor es un órgano o célula sensorial que responde a la estimulación mecánica como el tacto, la presión, la vibración y el sonido tanto del entorno interno como externo. [1] Los mecanorreceptores están bien documentados en animales y están integrados en el sistema nervioso como neuronas sensoriales. Si bien las plantas no tienen nervios o un sistema nervioso como los animales, también contienen mecanorreceptores que realizan una función similar. Los mecanorreceptores detectan estímulos mecánicos que se originan dentro de la planta (intrínsecos) y del entorno circundante (extrínsecos). [2] La capacidad de sentir vibraciones, tacto u otra perturbación es una respuesta adaptativa a la herbivoría y el ataque para que la planta pueda defenderse adecuadamente contra el daño. [3] Los mecanorreceptores se pueden organizar en tres niveles: molecular, celular y de órganos. [2]


Contenido

Luz Editar

Muchos órganos vegetales contienen fotorreceptores (fototropinas, criptocromos y fitocromos), cada uno de los cuales reacciona de manera muy específica a ciertas longitudes de onda de luz. [6] Estos sensores de luz le dicen a la planta si es de día o de noche, cuánto dura el día, cuánta luz hay disponible y de dónde viene la luz. Los brotes generalmente crecen hacia la luz, mientras que las raíces crecen lejos de ella, respuestas conocidas como fototropismo y skototropismo, respectivamente. Son provocados por pigmentos sensibles a la luz como fototropinas y fitocromos y la hormona vegetal auxina. [7]

Muchas plantas exhiben ciertos comportamientos en momentos específicos del día, por ejemplo, flores que se abren solo por las mañanas. Las plantas realizan un seguimiento de la hora del día con un reloj circadiano. [6] Este reloj interno se sincroniza con la hora solar todos los días utilizando la luz solar, la temperatura y otras señales, similares a los relojes biológicos presentes en otros organismos. El reloj interno junto con la capacidad de percibir la luz también permite a las plantas medir la hora del día y así determinar la estación del año. Así es como muchas plantas saben cuándo florecer (ver fotoperiodismo). [6] Las semillas de muchas plantas brotan solo después de que se exponen a la luz. Esta respuesta se lleva a cabo mediante la señalización de fitocromos. Las plantas también pueden sentir la calidad de la luz y responder de manera adecuada. Por ejemplo, en condiciones de poca luz, las plantas producen más pigmentos fotosintéticos. Si la luz es muy brillante o si aumentan los niveles de radiación ultravioleta dañina, las plantas producen más pigmentos protectores que actúan como filtros solares. [8]

Gravedad Editar

Para orientarse correctamente, las plantas deben poder sentir la dirección de la gravedad. La respuesta posterior se conoce como gravitropismo.

En las raíces, la gravedad se siente y se traduce en la punta de la raíz, que luego crece alargándose en la dirección de la gravedad. En los brotes, el crecimiento ocurre en la dirección opuesta, fenómeno conocido como gravitropismo negativo. [9] Los tallos de álamo pueden detectar la reorientación y la inclinación (equilibriocepción) a través del gravitropismo. [10]

En la punta de la raíz, los amiloplastos que contienen gránulos de almidón caen en la dirección de la gravedad. Este peso activa receptores secundarios, que le indican a la planta la dirección de la atracción gravitacional. Después de que esto ocurre, la auxina se redistribuye a través del transporte de auxina polar y comienza el crecimiento diferencial hacia la gravedad. En los brotes, la redistribución de auxinas se produce de manera que se produce un crecimiento diferencial alejado de la gravedad.

Para que ocurra la percepción, la planta a menudo debe poder sentir, percibir y traducir la dirección de la gravedad. Sin gravedad, no se producirá la orientación adecuada y la planta no crecerá de manera efectiva. La raíz no podrá absorber nutrientes ni agua, y el brote no crecerá hacia el cielo para maximizar la fotosíntesis. [11]

Toque Editar

El tigmotropismo es un movimiento direccional que ocurre en las plantas que responden al tacto físico. [12] Las plantas trepadoras, como los tomates, exhiben tigmotropismo, lo que les permite enroscarse alrededor de los objetos. Estas respuestas son generalmente lentas (del orden de varias horas) y se pueden observar mejor con la cinematografía de lapso de tiempo, pero también pueden ocurrir movimientos rápidos. Por ejemplo, la llamada "planta sensible" (Mimosa pudica) responde incluso al más mínimo toque físico doblando rápidamente sus delgadas hojas pinnadas de modo que apunten hacia abajo, [13] y plantas carnívoras como la Venus atrapamoscas (Dionaea muscipula) producen estructuras de hojas especializadas que se cierran de golpe cuando los insectos las tocan o aterrizan sobre ellas. En el atrapamoscas de Venus, el tacto se detecta por los cilios que recubren el interior de las hojas especializadas, que generan un potencial de acción que estimula las células motoras y hace que se produzca el movimiento. [14]

Olor Editar

Las plantas heridas o infectadas producen olores volátiles distintivos (por ejemplo, jasmonato de metilo, salicilato de metilo, volátiles de hojas verdes), que a su vez pueden ser percibidos por las plantas vecinas. [15] [16] Las plantas que detectan este tipo de señales volátiles a menudo responden aumentando sus defensas químicas o y se preparan para el ataque produciendo sustancias químicas que las defienden de los insectos o atraen a sus depredadores. [15]

Hormonas vegetales y señales químicas Editar

Las plantas utilizan sistemáticamente vías de señalización hormonal para coordinar su desarrollo y morfología.

Las plantas producen varias moléculas de señal generalmente asociadas con el sistema nervioso de los animales, como el glutamato, GABA, acetilcolina, melatonina y serotonina. [17] También pueden usar ATP, NO y ROS para señalizar de manera similar a como lo hacen los animales. [18]

Electrofisiología Editar

Las plantas tienen una variedad de métodos para enviar señales eléctricas. Los cuatro métodos de propagación comúnmente reconocidos incluyen potenciales de acción (AP), potenciales de variación (VP), potenciales eléctricos locales (LEP) y potenciales sistémicos (SP) [19] [20] [21]

Aunque las células vegetales no son neuronas, pueden ser eléctricamente excitables y pueden mostrar respuestas eléctricas rápidas en forma de AP a los estímulos ambientales. Los AP permiten el movimiento de iones y moléculas de señalización desde la célula de prepotencial a la (s) célula (s) de pospotencial. Estas señales electrofisiológicas están constituidas por gradientes de flujo de iones como H +, K +, Cl -, Na + y Ca 2+ pero también se piensa que otros iones cargan eléctricamente como Fe 3+, Al 3+, Mg 2 +, Zn 2+, Mn 2+ y Hg 2+ también pueden desempeñar un papel en las salidas aguas abajo. [22] El mantenimiento de cada gradiente electroquímico de iones es vital para la salud de la célula, ya que si la célula alguna vez alcanza el equilibrio con su entorno, está muerta. [23] [24] Este estado muerto puede deberse a una variedad de razones, como el bloqueo del canal iónico o la perforación de la membrana.

Estos iones electrofisiológicos se unen a receptores en la célula receptora provocando efectos posteriores como resultado de una o una combinación de moléculas presentes. Se ha descubierto que este medio de transferir información y activar respuestas fisiológicas a través de un sistema de moléculas de señalización es más rápido y más frecuente en presencia de AP. [22]

Estos potenciales de acción pueden influir en procesos como el flujo citoplasmático basado en actina, los movimientos de los órganos de las plantas, las respuestas de las heridas, la respiración, la fotosíntesis y la floración. [25] [26] [27] [28] Estas respuestas eléctricas pueden provocar la síntesis de numerosas moléculas orgánicas, incluidas las que actúan como sustancias neuroactivas en otros organismos, como los iones de calcio. [29]

El flujo de iones a través de las células también influye en el movimiento de otras moléculas y solutos. Esto cambia el gradiente osmótico de la célula, lo que resulta en cambios en la presión de turgencia en las células vegetales por el flujo de agua y soluto a través de las membranas celulares. Estas variaciones son vitales para la absorción de nutrientes, el crecimiento, muchos tipos de movimientos (tropismos y movimientos nasales), entre otros aspectos básicos de la fisiología y el comportamiento de las plantas. [30] [31] (Higinbotham 1973 Scott 2008 Segal 2016).

Así, las plantas logran respuestas conductuales en contextos ambientales, comunicativos y ecológicos.

Percepción de la señal Editar

El comportamiento de las plantas está mediado por fitocromos, cininas, hormonas, liberación de antibióticos u otras sustancias químicas, cambios de agua y transporte químico, y otros medios.

Las plantas tienen muchas estrategias para combatir las plagas. Por ejemplo, pueden producir una gran cantidad de diferentes toxinas químicas contra depredadores y parásitos o pueden inducir una muerte celular rápida para prevenir la propagación de agentes infecciosos. Las plantas también pueden responder a señales volátiles producidas por otras plantas. [32] [33] Los niveles de jasmonato también aumentan rápidamente en respuesta a perturbaciones mecánicas como el enrollamiento de zarcillos. [34]

En las plantas, el mecanismo responsable de la adaptación es la transducción de señales. [35] [36] [37] [38] Las respuestas adaptativas incluyen:

  • Búsqueda activa de luz y nutrientes. Lo hacen cambiando su arquitectura, p. Ej. crecimiento y dirección de las ramas, fisiología y fenotipo. [39] [40] [41]
  • Las hojas y las ramas se posicionan y orientan en respuesta a una fuente de luz. [39] [42]
  • Detectar el volumen del suelo y adaptar el crecimiento en consecuencia, independientemente de la disponibilidad de nutrientes. [43] [44] [45].

Las plantas no tienen cerebros o redes neuronales como los animales, sin embargo, las reacciones dentro de las vías de señalización pueden proporcionar una base bioquímica para el aprendizaje y la memoria, además de la computación y la resolución de problemas básicos. [46] [47] De manera controvertida, el cerebro se utiliza como metáfora en la inteligencia de las plantas para proporcionar una visión integrada de la señalización. [48]

Las plantas responden a los estímulos ambientales mediante movimientos y cambios en la morfología. Se comunican mientras compiten activamente por los recursos. Además, las plantas calculan con precisión sus circunstancias, utilizan sofisticados análisis de costo-beneficio y toman acciones estrictamente controladas para mitigar y controlar diversos factores de estrés ambiental. Las plantas también son capaces de discriminar entre experiencias positivas y negativas y de aprender registrando recuerdos de sus experiencias pasadas. [49] [50] [51] [52] [53] Las plantas utilizan esta información para adaptar su comportamiento a fin de sobrevivir a los desafíos presentes y futuros de su entorno.

La fisiología vegetal estudia el papel de la señalización para integrar los datos obtenidos a nivel genético, bioquímico, celular y fisiológico, con el fin de comprender el desarrollo y el comportamiento de las plantas. La visión neurobiológica ve a las plantas como organismos procesadores de información con procesos de comunicación bastante complejos que ocurren en toda la planta individual. Estudia cómo se recopila, procesa, integra y comparte la información ambiental (biología vegetal sensorial) para permitir estas respuestas adaptativas y coordinadas (comportamiento vegetal) y cómo las percepciones sensoriales y los eventos conductuales se 'recuerdan' para permitir predicciones de actividades futuras sobre la base de experiencias pasadas. Plantas, algunos [ ¿Quién? ] los fisiólogos de las plantas, tienen un comportamiento tan sofisticado como los animales, pero esta sofisticación ha sido enmascarada por las escalas de tiempo de las respuestas de las plantas a los estímulos, que suelen ser muchos órdenes de magnitud más lentas que las de los animales. [ cita necesaria ]

Se ha argumentado que aunque las plantas son capaces de adaptarse, no debería llamarse inteligencia. per se, ya que los neurobiólogos de plantas se basan principalmente en metáforas y analogías para argumentar que las respuestas complejas en las plantas solo pueden ser producidas por la inteligencia. [54] "Una bacteria puede monitorear su entorno e instigar procesos de desarrollo apropiados a las circunstancias prevalecientes, pero ¿eso es inteligencia? Un comportamiento de adaptación tan simple podría ser inteligencia bacteriana, pero claramente no es inteligencia animal". [55] Sin embargo, la inteligencia vegetal se ajusta a una definición de inteligencia propuesta por David Stenhouse en un libro sobre evolución e inteligencia animal, en el que la describe como "comportamiento adaptativamente variable durante la vida del individuo". [56] Los críticos del concepto también han argumentado que una planta no puede tener objetivos una vez que ha pasado la etapa de desarrollo de la plántula porque, como organismo modular, cada módulo busca sus propios objetivos de supervivencia y el comportamiento resultante a nivel del organismo no está controlado centralmente. . [55] Este punto de vista, sin embargo, necesariamente acomoda la posibilidad de que un árbol sea una colección de módulos inteligentes individualmente que cooperan, compiten e influyen entre sí para determinar el comportamiento de abajo hacia arriba. Sin embargo, el desarrollo en un organismo más grande cuyos módulos deben lidiar con diferentes condiciones y desafíos ambientales no es universal en todas las especies de plantas, ya que los organismos más pequeños pueden estar sujetos a las mismas condiciones en sus cuerpos, al menos, cuando se consideran las partes de abajo y de arriba del suelo. por separado. Además, la afirmación de que el control central del desarrollo está completamente ausente de las plantas se ve fácilmente falseada por la dominancia apical. [ cita necesaria ]

El botánico italiano Federico Delpino escribió sobre la idea de la inteligencia vegetal en 1867. [57] Charles Darwin estudió el movimiento en las plantas y en 1880 publicó un libro, El poder del movimiento en las plantas. Darwin concluye:

No es exagerado decir que la punta de la radícula así dotada [..] actúa como el cerebro de uno de los animales inferiores, estando el cerebro situado dentro del extremo anterior del cuerpo, recibiendo impresiones de los órganos de los sentidos, y dirigiendo los varios movimientos.

En 2020, Paco Calvo estudió la dinámica de los movimientos de las plantas e investigó si los frijoles franceses apuntan deliberadamente a estructuras de soporte. [58] Calvo dijo: “Vemos estas firmas de comportamiento complejo, la única diferencia es que no está basado en los nervios, como ocurre en los humanos. Esto no es solo un comportamiento adaptativo, es un comportamiento flexible, anticipatorio y dirigido a objetivos ". [59]

En filosofía, hay pocos estudios sobre las implicaciones de la percepción de las plantas. Michael Marder propuso una fenomenología de la vida vegetal basada en la fisiología de la percepción de las plantas. [60] Paco Calvo Garzón ofrece una visión filosófica de la percepción de las plantas basada en las ciencias cognitivas y el modelado computacional de la conciencia. [61]

Comparación con neurobiología Editar

Los sistemas sensoriales y de respuesta de las plantas se han comparado con los procesos neurobiológicos de los animales. La neurobiología vegetal se refiere principalmente al comportamiento adaptativo sensorial de las plantas y a la electrofisiología vegetal. Al científico indio J. C. Bose se le atribuye el mérito de ser la primera persona en investigar y hablar sobre la neurobiología de las plantas. Sin embargo, muchos científicos de plantas y neurocientíficos ven el término "neurobiología vegetal" como un nombre inapropiado, porque las plantas no tienen neuronas. [54]

Las ideas detrás de la neurobiología vegetal fueron criticadas en un artículo de 2007 [54] publicado en Tendencias en la ciencia de las plantas por Amedeo Alpi y otros 35 científicos, incluidos eminentes biólogos de plantas como Gerd Jürgens, Ben Scheres y Chris Sommerville. La amplitud de los campos de la ciencia de las plantas representados por estos investigadores refleja el hecho de que la gran mayoría de la comunidad de investigación en ciencias de las plantas rechaza la neurobiología de las plantas como una noción legítima. Sus principales argumentos son que: [54]

  • "La neurobiología vegetal no contribuye a nuestra comprensión de la fisiología vegetal, la biología de las células vegetales o la señalización".
  • "No hay evidencia de estructuras como neuronas, sinapsis o un cerebro en las plantas".
  • La ocurrencia común de plasmodesmos en plantas "plantea un problema para la señalización desde un punto de vista electrofisiológico", ya que un acoplamiento eléctrico extenso excluiría la necesidad de cualquier transporte de célula a célula de compuestos "similares a neurotransmisores".

Los autores piden el fin de "analogías superficiales y extrapolaciones cuestionables" si el concepto de "neurobiología vegetal" va a beneficiar a la comunidad de investigadores. [54] Varias respuestas a esta crítica han intentado aclarar que el término "neurobiología vegetal" es una metáfora y que las metáforas han resultado útiles en ocasiones anteriores. [62] [63] La ecofisiología vegetal describe este fenómeno.

Paralelos en otros taxones Editar

Los conceptos de percepción, comunicación e inteligencia de las plantas tienen paralelos en otros organismos biológicos para los cuales tales fenómenos parecen ajenos o incompatibles con los conocimientos tradicionales de la biología, o han resultado difíciles de estudiar o interpretar. Existen mecanismos similares en células bacterianas, coanoflagelados, hifas de hongos y esponjas, entre muchos otros ejemplos. Todos estos organismos, a pesar de carecer de cerebro o sistema nervioso, son capaces de sentir su entorno inmediato y momentáneo y responder en consecuencia. En el caso de la vida unicelular, las vías sensoriales son aún más primitivas en el sentido de que tienen lugar en la superficie de una sola célula, a diferencia de dentro de una red de muchas células relacionadas.


La vida secreta de las plantas: cómo memorizan, comunican, resuelven problemas y socializan

Tenía la esperanza de entrevistar al neurobiólogo vegetal Stefano Mancuso en su laboratorio de la Universidad de Florencia. Lo imagino como una utopía botánica: un lugar donde la flora es respetada por su conciencia e inteligencia, donde las sensibles plantas de mimosa pueden demostrar sus largos recuerdos y donde los humanos son invitados a aprender cómo ser una mejor especie observando el comportamiento de nuestros verdes compañeros organismos. .

Pero debido a que ambos estamos encerrados, usamos Skype desde nuestras casas. En lugar de encontrarme con sus inteligentes plantas, me contento con admirar un montón de vainas con forma de bala de cañón de una especie acuática, en las estanterías detrás de él. "Se utilizan para la propagación", dice. "Siempre estoy recolectando semillas".

Antes de que el laboratorio de Mancuso comenzara a trabajar en 2005, la neurobiología vegetal se consideraba en gran medida un concepto ridículo. “Estábamos interesados ​​en problemas que, hasta ese momento, solo estaban relacionados con los animales, como la inteligencia e incluso el comportamiento”, dice. En ese momento, estaba "casi prohibido" hablar sobre el comportamiento en las plantas. Pero “estudiamos cómo las plantas son capaces de resolver problemas, cómo memorizan, cómo se comunican, cómo tienen su vida social y cosas así”.

Poder de la flor . El equipo de Mancuso ha demostrado que Mimosa pudica puede retener la información aprendida durante semanas. Fotografía: Alamy

Mancuso y sus colegas se han convertido en expertos en el entrenamiento de plantas, al igual que los neurocientíficos entrenan a las ratas de laboratorio. Si dejas caer una gota de agua sobre un Mimosa pudica, su respuesta instintiva es retroceder sus hojas, pero, si continúas haciéndolo, la planta rápidamente se dará cuenta de que el agua es inofensiva y dejará de reaccionar. Las plantas pueden conservar este conocimiento durante semanas, incluso cuando cambian sus condiciones de vida, como la iluminación. “Eso fue inesperado porque estábamos pensando en recuerdos muy cortos, en el rango de uno o dos días, el recuerdo promedio de los insectos”, dice Mancuso. "Descubrir que las plantas pudieron memorizar durante dos meses fue una sorpresa". Sobre todo porque no tienen cerebro.

En una planta, un solo cerebro sería un defecto fatal porque han evolucionado para ser el almuerzo. “Las plantas usan una estrategia muy diferente”, dice Mancuso. "Son muy buenos para difundir la misma función por todo el cuerpo". Puede eliminar el 90% de una planta sin matarla. “Necesitas imaginar una planta como un cerebro enorme. Quizás no sea tan eficiente como en el caso de los animales, pero se difunde por todas partes ”.

Uno de los aspectos más controvertidos del trabajo de Mancuso es la idea de la conciencia vegetal. A medida que aprendemos más sobre la inteligencia animal y vegetal, sin mencionar la inteligencia humana, el término siempre polémico conciencia se ha convertido en el tema de un debate científico y filosófico cada vez más acalorado. "Usemos otro término", sugiere Mancuso. “La conciencia es un poco complicada en nuestros dos idiomas. Hablemos de conciencia. Las plantas son perfectamente conscientes de sí mismas ". Un ejemplo simple es cuando una planta eclipsa a otra: la planta sombreada crecerá más rápido para alcanzar la luz. Pero cuando miras la copa de un árbol, todos los brotes están muy sombreados. No crecen rápido porque saben que están sombreados por una parte de sí mismos. “Así que tienen una imagen perfecta de sí mismos y del exterior”, dice Mancuso.

La ciencia se esfuerza por ver a las plantas como activas y motivadas porque su perspectiva es muy humana, argumenta. Una prueba de la autoconciencia en los animales es si pueden mirarse en un espejo y comprender que se miran a sí mismos. “Muy pocos animales pueden hacer esto”, dice Mancuso. “Humanos, delfines, algunos simios y probablemente elefantes. Esto se ha tomado en los últimos años como una especie de evidencia de que solo estos pocos grupos de animales tienen conciencia de sí mismos ". Mancuso cree que esto está mal. “Mi opinión personal es que no hay vida que no sea consciente de sí misma. Para mí, es imposible imaginar una forma de vida que no sea capaz de ser inteligente, de resolver problemas ".

Otro concepto erróneo es que las plantas son la definición de un estado vegetativo: incomunicativas e insensibles a lo que las rodea. Pero Mancuso dice que las plantas son mucho más sensibles que los animales. “Y esto no es una opinión. Esto se basa en miles de pruebas. Sabemos que un solo ápice de la raíz es capaz de detectar al menos 20 parámetros químicos y físicos diferentes, muchos de los cuales somos ciegos ". Podría haber una tonelada de cobalto o níquel bajo nuestros pies y no tendríamos ni idea, mientras que “las plantas pueden sentir unos pocos miligramos en una gran cantidad de suelo”, dice.

Lejos de ser silenciosas y pasivas, las plantas son sociales y comunicativas, por encima y por debajo, a través de sus raíces y redes de hongos. Son expertos en detectar campos electromagnéticos sutiles generados por otras formas de vida. Utilizan productos químicos y aromas para advertirse mutuamente del peligro, disuadir a los depredadores y atraer insectos polinizadores. Cuando las orugas mordisquean el maíz, por ejemplo, la planta emite una señal de angustia química que atrae a las avispas parásitas para que las exterminen.

Un ritmo de vida más lento. El viejo Tjikko en Suecia tiene casi 10.000 años. Fotografía: Lars Johansson / Getty Images / iStockphoto

Las plantas también responden al sonido, “sintiendo” vibraciones por todas partes. "Las plantas son extremadamente buenas para detectar tipos específicos de sonidos, por ejemplo, a 200 hz o 300 hz ... porque buscan el sonido del agua corriente". Si coloca una fuente de sonido de 200 Hz cerca de las raíces de una planta, dice, la seguirán. No hay evidencia de que la voz humana beneficie a las plantas, aunque hablar con las plantas puede calmar a los humanos que lo hacen.

Otra razón por la que pasamos por alto la inteligencia de las plantas es su ritmo de vida mucho más lento. En el nuevo libro de Mancuso, The Incredible Journey of Plants, nos encontramos con la planta más antigua del mundo, Old Tjikko, un abeto rojo cuyas raíces se han retorcido en la tierra sueca durante unos 9.560 años. También conocemos las ingeniosas semillas de la hierba de fuente carmesí, que eligen no germinar hasta que las condiciones sean perfectas, y pueden sobrevivir durante seis años mientras esperan.

La idea principal del libro es que las plantas fueron las pioneras originales y siempre han estado explorando el planeta. Mancuso evita la noción de “especies nativas” y valora las llamadas especies invasoras por encima de todo. “Cuanto más invasivos son, más me gustan, porque son el ejemplo más brillante de la capacidad para resolver problemas”, dice. "Las especies invasoras son las plantas más hermosas que puedo imaginar". Para Mancuso, “la migración es una de las fuerzas más importantes de la naturaleza. Todos los organismos vivos migran. Somos la única especie a la que no se le permite, y esto es completamente antinatural ".

Aunque las nuevas generaciones de botánicos están adoptando cada vez más la neurobiología vegetal, Mancuso todavía tiene sus detractores. El verano pasado, un grupo de ocho científicos de plantas escribió en la revista Trends in Plant Science que Mancuso y sus colegas “han pasado por alto constantemente el grado único y notable de complejidad estructural, organizativa y funcional que el cerebro animal tenía que evolucionar antes de que pudiera emerger la conciencia. ”. Mancuso dice que casi todos estos botánicos están jubilados. “Es una generación anterior de científicos de plantas que está completamente en contra de cualquier idea de que una planta sea inteligente o se comporte. Para ellos, las plantas son una especie de máquina orgánica semiviva ”.

La noción de que los humanos son la cúspide de la vida en la Tierra es una de las ideas más peligrosas que existen, dice Mancuso: “Cuando te sientes mejor que todos los demás humanos u otros organismos vivos, comienzas a usarlos. Esto es exactamente lo que hemos estado haciendo. Nos sentíamos ajenos a la naturaleza ". La esperanza de vida media de una especie en la Tierra es de entre 2 y 5 millones de años. “El Homo sapiens ha vivido apenas 300.000 años”, dice, y ya “hemos podido casi destruir nuestro medio ambiente. Desde este punto de vista, ¿cómo podemos decir que somos mejores organismos? ”

Quizás deberíamos intentar, ejem, sacar una hoja del libro del reino vegetal. Las sociedades y organizaciones humanas están estructuradas como nuestros cuerpos: con un cerebro o un centro de control de alto nivel y varios órganos diferentes que gobiernan funciones específicas. "Usamos esto en nuestras universidades, nuestras empresas, incluso nuestras divisiones de clases", dice Mancuso. Esta estructura nos permite movernos con rapidez, física y organizativamente, pero también nos deja vulnerables. Si un órgano importante falla, podría arruinarlo todo, y el liderazgo de arriba hacia abajo rara vez sirve al conjunto.

Las plantas, en cambio, “son una especie de organizaciones horizontales, difusivas, descentralizadas y mucho más acordes con la modernidad”. Por ejemplo, Internet, el sistema raíz descentralizado definitivo. “Observe la capacidad de Wikipedia para producir una cantidad maravillosa de información de buena calidad mediante el uso de una organización descentralizada y difundida. Afirmo que, al estudiar las redes de plantas, podemos encontrar soluciones maravillosas para nosotros ”, o adoptemos el espíritu de cooperación. Las plantas, dice Mancuso, “son maestras en iniciar relaciones simbióticas con otros organismos: bacterias, hongos, insectos, incluso nosotros. Solo mire la forma en que nos usan para ser transportados por todo el mundo ". Podemos pensar que tenemos la ventaja, pero las plantas pueden diferir.

El increíble viaje de las plantas de Stefano Mancuso es publicado por Otra Prensa


Sound Garden: ¿Pueden las plantas hablar y oír realmente?

Aunque a menudo es demasiado bajo o demasiado alto para que los oídos humanos lo detecten, los insectos y los animales se señalan entre sí con vibraciones. Incluso los árboles y las plantas burbujean con el sonido de pequeñas burbujas de aire al estallar en sus tuberías.

Y hay evidencia de que los insectos y las plantas "escuchan" los sonidos de los demás. Las abejas zumban con la frecuencia adecuada para liberar el polen de los tomates y otras plantas con flores. Y los escarabajos de la corteza pueden recoger las burbujas de aire dentro de una planta, un indicio de que los árboles están experimentando estrés por sequía.

El sonido es tan fundamental para la vida que algunos científicos ahora piensan que hay un núcleo de verdad en el folclore que sostiene que los humanos pueden comunicarse con las plantas. Y las plantas pueden usar el sonido para comunicarse entre sí.

Si incluso las bacterias pueden enviarse señales entre sí con vibraciones, ¿por qué no las plantas? Dijo Monica Gagliano, fisióloga de plantas de la Universidad de Australia Occidental en Crawley.

"El sonido es abrumador, está en todas partes. Seguramente la vida lo habría usado a su favor en todas sus formas", dijo a OurAmazingPlanet.

Gagliano y sus colegas mostraron recientemente que las raíces de las plántulas de maíz se inclinan hacia un ronroneo de 220 Hertz, y las raíces emiten clics de una melodía similar. Las plántulas de chile aceleran su crecimiento cuando una desagradable planta de hinojo dulce está cerca, aislada de los chiles en una caja que solo transmite sonido, no aroma, reveló otro estudio del grupo. El hinojo libera sustancias químicas que ralentizan el crecimiento de otras plantas, por lo que los investigadores piensan que las plantas de chile crecen más rápido en anticipación a las sustancias químicas y mdash, pero solo porque escuchan la planta, no porque la huelen. Tanto el hinojo como los chiles también estaban en una caja insonorizada.

"Hemos identificado que las plantas responden al sonido y hacen sus propios sonidos", dijo Gagliano. "El propósito obvio del sonido podría ser comunicarse con los demás".

Gagliano imagina que las alertas de raíz a raíz podrían transformar un bosque en una centralita orgánica. "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 | Fisiología de las plantas

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.

I. 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.

iv. 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

Credit: Shutterstock

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 procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (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.


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