Μερικά φυτά παράγουν τα δικά τους φυτοφάρμακα

 Επίδραση της εκπομπής ισοπρενίου στη μελέτη προτίμησης διατροφής των φυτοφάγων εντόμων και των κερατοσκωλήκων. Από: Science Advances (2025).

Μερικά φυτά παράγουν τα δικά τους φυτοφάρμακα- αλλά με ποιο κόστος για την ατμόσφαιρα;

Μια φυσική εναλλακτική λύση στα φυτοφάρμακα μπορεί να κρύβεται σε μια παρεξηγημένη φυτική ένωση- αλλά θα μπορούσε να έχει περιβαλλοντικό κόστος. Για χρόνια, οι επιστήμονες γνώριζαν λίγα για το ισοπρένιο, μια φυσική χημική ουσία που παράγεται από τα φυτά. 

Νέα έρευνα του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, η οποία διεξάγεται 40 χρόνια, ρίχνει τώρα φως στο πώς αυτή η φυσική χημική ουσία μπορεί να απωθεί τα έντομα- και πώς ορισμένα φυτά που κανονικά δεν παράγουν ισοπρένιο θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν την παραγωγή σε περιόδους στρες. 

Ο Tom Sharkey, διακεκριμένος καθηγητής στο Εργαστήριο Έρευνας Φυτών του Τμήματος Ενέργειας του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, στο Ινστιτούτο Ανθεκτικότητας Φυτών του MSU και στο Τμήμα Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας, μελετά το ισοπρένιο για μεγάλο μέρος της καριέρας του. 

Τώρα, το εργαστήριό του δημοσίευσε ευρήματα που θα μπορούσαν να ανοίξουν τον δρόμο για τη μηχανική φυτών που είναι πιο ανθεκτικά στις περιβαλλοντικές αλλαγές και στα ξεσπάσματα παρασίτων. 

Η δημοσίευση της ομάδας στο Science Advances αποκαλύπτει μια ορμονική απόκριση που προκαλείται από το ισοπρένιο και κάνει τα έντομα να αποφεύγουν αυτά τα φυτά. Τα έντομα που έτρωγαν φύλλα που είχαν υποστεί επεξεργασία με ισοπρένιο είχαν στομαχόπονο, χάρη στις άπεπτες πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται όταν υπάρχει η ένωση. Αυτές οι πρωτεΐνες αναστέλλουν επίσης την ανάπτυξη σκουληκιών που τολμούν να τα συνεχίσουν να τρώνε.

 Μια άλλη δημοσίευση στο Proceedings of the National Academy of Sciences αποκαλύπτει ότι η σόγια παράγει ισοπρένιο όταν τα φύλλα της είναι τραυματισμένα. Αυτή η ανακάλυψη ήταν ιδιαίτερα εκπληκτική, καθώς οι ερευνητές πίστευαν προηγουμένως ότι οι σύγχρονες καλλιέργειες δεν παρήγαγαν ισοπρένιο. 

Αυτή η ικανότητα θα μπορούσε να κάνει τις καλλιέργειες πιο ανθεκτικές στη θερμότητα και τα παράσιτα. Αλλά αυτό το όφελος θα μπορούσε να έχει ένα κόστος. Το ισοπρένιο είναι ένας υδρογονάνθρακας που επιδεινώνει την ατμοσφαιρική ρύπανση, ειδικά σε περιοχές που έχουν ήδη κακή ποιότητα αέρα. Εάν περισσότερα φυτά καλλιεργειών τροποποιηθούν ώστε να απελευθερώνουν ισοπρένιο, αυτό θα μπορούσε να βλάψει περαιτέρω την ατμόσφαιρα της Γης. 

Η έρευνα έχει επίσης επιπτώσεις στο πώς η σόγια μπορεί να επηρεάσει την ατμοσφαιρική ρύπανση. «Αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά ερωτήματα που πρέπει να προκύψουν από αυτήν την έρευνα», δήλωσε ο Sharkey. «Πρέπει να προσθέσουμε ισοπρένιο στα φυτά καλλιεργειών ώστε να προστατεύονται από τα έντομα και να ανέχονται την επίδρασή τους στο όζον; Ή μήπως πρέπει να τροποποιήσουμε γενετικά τα φυτά ώστε να απενεργοποιούν τη συνθάση του ισοπρενίου όσο το δυνατόν περισσότερο για να βελτιώσουμε την ατμόσφαιρα;»

 Μια παρεξηγημένη ένωση 

Το ισοπρένιο είναι ένας από τους υδρογονάνθρακες με τις υψηλότερες εκπομπές στη Γη, δεύτερος μόνο μετά τις εκπομπές μεθανίου από την ανθρώπινη δραστηριότητα. 

Αυτές οι οργανικές ενώσεις αλληλεπιδρούν με το ηλιακό φως και το οξείδιο του αζώτου από τις εγκαταστάσεις καύσης άνθρακα και τις εκπομπές οχημάτων, δημιουργώντας ένα τοξικό μείγμα όζοντος, αερολυμάτων και άλλων επιβλαβών υποπροϊόντων. Ωστόσο, δεν παράγουν όλα τα φυτά ισοπρένιο, και αυτά που παράγουν τείνουν να παράγουν περισσότερο σε ζεστό καιρό. 

Βρίσκεται κυρίως σε βελανιδιές και λεύκες, αλλά σε αντίθεση με παρόμοια μόρια σε πεύκα και ευκαλύπτους, το ισοπρένιο δεν έχει άρωμα. «Όλοι καταλαβαίνουν πώς μυρίζει όταν περπατάς μέσα σε ένα πευκοδάσος», είπε ο Sharkey. «Σε ένα άλσος με βελανιδιές, το οποίο έχει περισσότερους υδρογονάνθρακες επειδή παράγει τόσο πολύ ισοπρένιο, απλά δεν το προσέχεις». 

Τα φυτά που παράγουν ισοπρένιο εκκρίνουν περισσότερο από την ένωση τις ζεστές καλοκαιρινές μέρες. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό βοηθά στη σταθεροποίηση των φυτών και στην εξουδετέρωση των αντιδράσεων στο στρες. Τα φυτά που εκπέμπουν ισοπρένιο θεωρούνται επίσης ανθεκτικά στα παράσιτα, αν και μέχρι τώρα, είχε γίνει ελάχιστη μελέτη για το γιατί. 

Ανάλυση in-silico των ISPS στην οικογένεια Fabaceae και σε μη Fabaceae. Από: Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (2025).

Αλλά καθώς τα φυτά παράγουν περισσότερο ισοπρένιο, θυσιάζουν μέρος του αναπτυξιακού τους δυναμικού. Όταν τα φυτά παράγουν ισοπρένιο, εκτρέπουν τον άνθρακα μακριά από την ανάπτυξη και την αποθήκευση και επενδύουν αντ' αυτού στην άμυνά τους. Κάποιοι πιστεύουν ότι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πολλά φυτά αναδιπλώθηκαν υπό την εξελικτική πίεση για να απαλλαγούν από τη συνθάση του ισοπρενίου. 

Ο Sharkey ενδιαφέρθηκε για πρώτη φορά για το ισοπρένιο ως μεταπτυχιακός φοιτητής του MSU. Βασιζόμενος σε μια απλή ανάλυση κόστους-οφέλους, ήξερε ότι έπρεπε να υπάρχει κάποιο όφελος από τη διατήρηση του γονιδίου που παράγει ισοπρένιο. Έχει αφιερώσει μεγάλο μέρος της καριέρας του, πρώτα στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν και τώρα στο MSU, για να ανακαλύψει τι είναι αυτό. 

Ένα τυχαίο πείραμα

 Μια προσβολή από αλευρώδεις μύγες σε ένα θερμοκήπιο του MSU ήταν η πρώτη δοκιμή για το πώς το ισοπρένιο προστατεύει τα φυτά από τα έντομα. Το εργαστήριο του Sharkey καλλιέργησε δύο τύπους φυτών καπνού στο θερμοκήπιο: το ένα γενετικά τροποποιημένο για να εκπέμπει ισοπρένιο και το άλλο ένα φυτό που δεν εκπέμπει. 

Ήταν προφανές ακόμη και σε έναν περιστασιακό παρατηρητή ότι οι αλευρώδεις μύγες προτιμούσαν το φυτό που δεν εκπέμπει. Οι ερευνητές δοκίμασαν περαιτέρω τη θεωρία τους παρατηρώντας κερατοσκώληκες καπνού. Τα σκουλήκια επιτέθηκαν αχόρταγα στα φύλλα που δεν εκπέμπουν, αφήνοντας τα άλλα στην ησυχία τους.

 Μετά από 10 ημέρες, οι κερατοσκώληκες που έτρωγαν μόνο φύλλα που εκπέμπουν ισοπρένιο ήταν σημαντικά μικρότεροι από εκείνους που έτρωγαν τα μη επεξεργασμένα φύλλα. Το ίδιο το ισοπρένιο δεν είναι αυτό που απωθεί τα έντομα. Αντίθετα, το ισοπρένιο προκαλεί αύξηση του ιασμονικού οξέος, ενός μορίου που μειώνει την ικανότητα ενός εντόμου να αφομοιώνει τις πρωτεΐνες και επιβραδύνει την ανάπτυξή του. 

«Η άμυνα δεν ήταν το ίδιο το ισοπρένιο, αλλά η συνέπεια αυτού που έκανε το ισοπρένιο στο φυτό», είπε ο Sharkey. 

Ανακαλύπτοντας γονίδια ισοπρενίου στη σόγια 

Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα καλλιεργούμενα φυτά όπως η σόγια και το καλαμπόκι δεν παρήγαγαν ισοπρένιο επειδή η ικανότητά τους να το κάνουν αυτό χάθηκε μέσω της εξέλιξης. 

Στη συνέχεια, το 2022, οι ερευνητές ανακάλυψαν δύο άθικτα γονίδια συνθάσης ισοπρενίου, ή ISPS, στη σόγια. Ο Sharkey αποφάσισε να πειραματιστεί εάν οι περιβαλλοντικές πιέσεις θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν το αδρανές γονίδιο ISPS. Για να ελέγξουν αυτό το ερώτημα, τοποθέτησαν σφιγκτήρες στα φύλλα σόγιας και τα κατέστρεψαν. 

Τα φύλλα απάντησαν με μια μικρή έκρηξη ισοπρενίου. Ο Sharkey είπε ότι αυτό σημαίνει ότι οι σόγιες έχουν το κέικ τους και το τρώνε κι αυτές - είναι σε θέση να παράγουν ισοπρένιο όταν χρειάζεται, αλλά μπορούν να διακόψουν τη διαδικασία υπό κανονικές συνθήκες. Χρειάζεται περισσότερη έρευνα για να προσδιοριστεί πώς αυτή η ικανότητα προστατεύει τη σόγια από τους στρεσογόνους παράγοντες, καθώς και αν η παραγωγή ισοπρενίου προκαλείται από υπερβολική ζέστη. 

Ο Sharkey ανησυχεί για τον πιθανό αντίκτυπο που μπορεί να έχουν οι σόγιες στην ατμόσφαιρα εάν παράγουν ισοπρένιο κατά τη διάρκεια ολοένα και πιο συχνών θερμών περιόδων. «Αυτό που με ωθεί περισσότερο είναι ότι νομίζω ότι πρέπει να κατανοήσουμε αυτά τα μεγάλα πράγματα», είπε ο Sharkey. «Το ισοπρένιο είναι η μεγαλύτερη πηγή υδρογονανθράκων στην ατμόσφαιρα. Πρέπει να το κατανοήσουμε».

Γεωδίφης με πληροφορίες από phys.org

περισσότερα,

Abira Sahu et al, Isoprene deters insect herbivory by priming plant hormone responses, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu4637

Mohammad Golam Mostofa et al, Cryptic isoprene emission of soybeans, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2502360122

https://phys.org/news/2025-06-pesticide-atmosphere.html#google_vignette