Snabba elektriska signaler kartlagda i växter med ny bioelektronisk teknik

Vad sker inne i den köttätande växten Venusfälla när den fångar en insekt? Med en ny teknik har forskare gjort upptäckter om den elektriska signaleringen som får fällan att smälla igen. Den bioelektroniska tekniken möjliggör avancerad forskning om hur växter reagerar på sin omgivning och på stress.

Att nervsystemet i människor och andra djur skickar elektriska impulser känner de flesta till. Men har även växter elektriska signaler, trots att de saknar nervsystem? Jo, även i växter förekommer elektrisk signalering som uppstår som svar på beröring och faktorer som stressar växten, som skador från växtätande djur och angrepp på rötterna. Till skillnad från djur som kan flytta sig för att komma undan, är växter tvungna att klara av stressande förhållanden på platsen där de växer.

– I dag finns ett stort behov att utveckla växter som är mer motståndskraftiga mot stress för att vi ska kunna odla mat och ha friska skogar även i framtiden. Därför är det är viktigt att vi förstår hur växter reagerar på stress och jag tror att den här nya tekniken kan bidra till den forskningen, säger Eleni Stavrinidou, ­­­­­­­­universitetslektor på Institutionen för teknik och naturvetenskap vid Linköpings universitet, LiU, och ledare för forskargruppen Elektroniska växter.

Hos en del växter har elektriska signaler också visat sig vara kopplade till snabba rörelser. Den köttätande växten Venusfälla (Dionaea muscipula) används av forskare som modellsystem för snabb signalering i växter.

På insidan av Venusfällans gap sitter små känselhår. När ett hår böjs, exempelvis av en insekt, kan det leda till att fällan smäller igen. Infångade djur bryts sedan ner av ett enzym i fällan och växten tar upp näringen. Men för att fällan ska stängas behövs att känselhår berörs två gånger inom ca 30 sekunder. På så sätt kan växten spara energi genom att inte slå igen varenda gång ett hår stimuleras av annat än potentiella bytesdjur.

Elektrisk signalering i levande organismer bygger på att det finns en spänningsskillnad mellan cellers insida och miljön utanför. Spänningsskillnaden skapas av att joner, som är elektriskt laddade atomer, flyttas över cellmembranet. När något triggar i gång en signal – exempelvis mekanisk stimulering i form av att ett känselhår böjs – flödar joner mycket snabbt genom cellmembranet. Den snabba förändringen i spänningsskillnad ger upphov till en impuls som sedan sprids vidare.

Det finns mycket kunskap om hur nervimpulser fungerar i människan och andra djur. Men när det kommer till växter, som ju inte har ett nervsystem i den bemärkelsen, finns det mycket kvar att upptäcka.

I den aktuella studien demonstrerar forskare en multielektrodteknologi, som de använt för att undersöka hur den elektriska signalen uppstår och sprids i Venusfälla. Den nya tekniken har utvecklats av forskare vid Linköpings universitet i samarbete med forskare vid Columbia University, som använder teknologin för neurovetenskapliga undersökningar i djur.

Det nyutvecklade mätinstrumentet består av en mycket tunn film med elektroder i. Eftersom den är ungefär lika tunn som plastfolie som används för att täcka livsmedel, kan den följa formen på utsidan av växtens bladflikar. Forskarna petade på ett känselhår och mätte med hjälp av runt 30 elektroder signalen som uppstod i bladet. De filmade också växtens rörelser så att de kunde korrelera den elektriska signalen med Venusfällans stängning.

Tidigare forskning har oftast använt endast en mätpunkt, men då inte kunnat avgöra var signalen uppstår och inte heller i vilka riktningar den fortplantar sig.

– Nu kan vi med säkerhet säga att den elektriska signalen kommer från Venusfällans känselhår. Med vår teknologi ser vi också att signalen framför allt sprider sig radiellt från håret utan någon tydlig riktning, säger Eleni Stavrinidou.

Den nya mättekniken låter också forskarna upptäcka ny information:

– Eftersom vi kunde mäta signaler från hela fällan ser vi att det ibland uppstår signaler spontant och att dessa kommer från känselhår som inte har stimulerats. Det är mycket intressant och vi vet ännu inte varför det händer och vad funktionen är. En av de viktigaste sakerna med den här studien är att vi visar att bioelektroniska tekniker, som används mycket inom neurovetenskaplig forskning, också kan tillämpas direkt i forskning om växtfysiologi. Det öppnar upp möjligheter att göra nya upptäckter, säger Eleni Stavrinidou.

Forskningen har finansierats med stöd av Stiftelsen för strategisk forskning, EU:s ramprogram Horizon 2020 och den svenska strategiska satsningen på nya funktionella material, AFM, som bedrivs vid Linköpings universitet.

Artikeln: Plant electrophysiology with conformable organic electronics: Deciphering the propagation of Venus flytrap action potentials, Adam Armada-Moreira, Abdul Manan Dar, Zifang Zhao, Claudia Cea, Jennifer Gelinas, Magnus Berggren, Alex Costa, Dion Khodagholy och Eleni Stavrinidou, Science Advances, publicerad online den 26 juli 2023, doi: 10.1126/sciadv.adh4443

https://doi.org/10.1126/sciadv.adh4443

För mer information, kontakta gärna:

Eleni Stavrinidou, universitetslektor, eleni.stavrinidou@liu.se, 070-089 62 03