Dalam sebuah video, diperlihatkan bagaimana seekor ulat yang sedang lapar berjalan di sekitar tepi daun, mendekati pangkalnya dan, dengan beberapa gigitan saja sanggup memotongnya. Namun, hampir secara bersamaan terlihat cahaya fluorescent menyala mengalir melalui daun yang terselamatkan, sebuah sinyal sebagai peringatan bahwa mereka harus mempersiapkan serangan-serangan di waktu selanjutnya oleh ulat dan sejenisnya.
Cahaya fluorescent itu melacak kalsium ketika ia melintasi jaringan tanaman, memberikan sinyal listrik dan kimia dari sebuah ancaman. Dalam lebih dari selusin video seperti ini, Professor Simon Gilroy dari Universitas Wisconsin-Madison dan labnya mengungkapkan bagaimana glutamat – sebuah neurotransmitter; senyawa organik pembawa sinyal di antara neuron yang melimpah pada hewan – mengaktifkan gelombang kalsium ini ketika tanaman tersebut terluka. Video-video ini memberikan tampilan terbaik pada sistem komunikasi di dalam tanaman yang biasanya tersembunyi dari pandangan.
Penelitian ini telah diterbitkan di jurnal Science.
Masatsugu Toyota memimpin pekerjaan sebagai peneliti di laboratorium Gilroy. Gilroy dan Toyota, sekarang berkolaborasi dengan para peneliti dari Badan Sains dan Teknologi Jepang, Universitas Negeri Michigan, dan Universitas Missouri.
“Kami tahu ada sistem sinyal sistemik, dan jika Anda terluka di satu tempat, sisa tanaman memicu respon pertahanannya,” kata Gilroy. “Tapi kami tidak tahu apa yang ada di balik sistem ini.”
“Kami tahu bahwa jika Anda melukai daun, Anda mendapatkan muatan listrik, dan Anda mendapatkan propagasi yang bergerak di seluruh tanaman,” tambah Gilroy. Apa yang memicu muatan listrik itu, dan bagaimana itu bergerak di seluruh tanaman, tidak diketahui.
Tetapi kalsium menjadi satu kandidat penyebabnya. Di mana-mana dalam sel, kalsium sering bertindak sebagai sinyal yang menunjukkan tentang perubahan lingkungan yang sedang terjadi. Dan karena kalsium membawa muatan, ia juga dapat menghasilkan sinyal listrik. Tetapi kalsium cepat musnah, memacu dan mencelup dalam konsentrasi dengan cepat. Para peneliti membutuhkan cara untuk melihat kalsium secara real time.
Jadi Toyota mengembangkan tanaman yang dapat menunjukkan kalsium dalam cahaya yang sama sekali baru. Tanaman menghasilkan protein yang hanya berfluoresensi di sekitar kalsium, mempermudah para peneliti melacak keberadaan dan konsentrasinya. Saat tanaman terkena gigitan ulat, memotong dan membuat luka.
Menanggapi setiap jenis kerusakan, beberapa video menunjukkan tanaman yang menyala ketika kalsium mengalir dari lokasi kerusakan menuju daun lain. Sinyal bergerak cepat, sekitar satu milimeter per detik. Itu hanya sebagian kecil dari kecepatan impuls saraf hewan, tapi sangat cepat di dunia tanaman – cukup cepat menyebar ke daun lain hanya dalam beberapa menit. Hanya butuh beberapa menit lagi untuk kadar hormon yang berhubungan dengan pertahanan untuk lonjakan dedaunan yang jauh. Hormon-hormon pertahanan ini membantu mempersiapkan tanaman untuk ancaman selanjutnya, misalnya, meningkatkan kandungan bahan kimia berbahaya untuk mengusir ulat atau predator lainnya.
Penelitian sebelumnya oleh ilmuwan Swiss Ted Farmer telah menunjukkan bahwa sinyal-sinyal listrik yang berhubungan dengan pertahanan bergantung pada reseptor untuk glutamat, asam amino – protein – yang merupakan neurotransmiter utama pada hewan dan juga umum pada tumbuhan. Petani menunjukkan bahwa tanaman mutan yang kehilangan reseptor glutamat juga kehilangan respons listrik terhadap ancaman. Jadi Toyota dan Gilroy meneliti aliran kalsium selama tanaman mutan ini terlukai.
“Lihatlah, mutan yang lumpuh, sinyal listriknya benar-benar melumpuhkan sinyal kalsiumnya juga,” kata Gilroy.
Di mana tanaman normal menyala terang dengan gelombang kalsium fluorescent selama terlukai, berbagai video menunjukkan tanaman mutan hampir tidak memercikkan sedikit cahaya. Hasil ini menunjukkan bahwa glutamat yang tumpah keluar dari tempat luka memicu ledakan kalsium yang menyebar di seluruh tanaman.
Penelitian ini menghubungkan beberapa dekade penelitian yang telah mengungkapkan bagaimana tanaman, sering terlihat sebagai inert dan seolah tak berdaya, secara dinamis merespon ancaman dengan menyiapkan jaringan yang jauh untuk menghadapi serangan di masa depan. Glutamat menyebabkan kalsium mengarah ke hormon pertahanan dan perubahan pertumbuhan dan biokimia, semua berjalan tanpa melalui sistem saraf.
Gilroy mengatakan untuk mempermudah, semua video harus disatukan, video-video tersebut membantunya memvisualisasikan aktivitas di dalam tanaman yang biasanya tidak terlihat.
Sebuah studi di tahun 2014 menunjukkan bahwa Cressida Arabidopsis – semacam kubis – dapat membedakan antara suara kunyahan ulat dengan getaran angin. Sehingga tanaman merespon dengan menghasilkan lebih banyak racun kimia setelah “mendengar” rekaman serangga yang sedang memakan daun tersebut. “Kita cenderung meremehkan tanaman karena tanggapan mereka biasanya kurang terlihat oleh kita. Tapi daun dapat berubah menjadi detektor getaran yang sangat sensitif,” kata penulis studi utama Heidi Appel, seorang ilmuwan lingkungan, sekarang di University of Toledo yang tidak terlibat dalam penelitian.
