Planter ringe 911 for å hjelpe sine naboer

"Jeg visste at jeg ville ha mye å lære, men jeg var klar for det," sier 18-åringen fra Wilmington, Delaware.

Video: Death to Smoochy

To år og dusinvis av eksperimenter senere Sweeney, nå en senior på Charter School of Wilmington, er førsteforfatter av en vitenskapelig artikkel publisert i Frontiers i Plant Science, en ledende vitenskapelig tidsskrift - en sjelden prestasjon for en high school student.

Hva Sweeney og Prof. Bais oppdaget ved University of Delaware kan gjøre deg tenke annerledes fra nå av når du klipper plenen eller katten begynner noshing på potteplanter.

I studier av Arabidopsis thaliana, også kjent som sennep luke, teamet fant at når et blad ble bretter den skadde anlegget sendte ut en nødmelding til naboplanter, som begynte å forsterke sitt forsvar.

"En såret anlegget vil advare sine naboer av fare," sier Bais, som er førsteamanuensis i plante- og jord vitenskaper i UD College of Agriculture og naturressurser. "Det trenger ikke rope eller tekst, men det får budskapet. Kommunikasjonssignalene er i form av luftbårne kjemikalier ut hovedsakelig fra bladene."

Sweeney dykket ned arbeid i Bais laboratoriet ved Delaware Bioteknologi Institute etter skolen, i helgene og om sommeren pauser, dyrking anslagsvis tusen Arabidopsis planter for eksperimenter. Frø ble plassert i Petri-plater og reagensglass inneholdende agar, en gelatinaktig vekstmedium. Hver porsjon av frø vil spire etter omtrent seks dager, transformerer til delikate-stammet tre tommers planter med lyse, grønne blader.

En dag i laboratoriet, Sweeney sette to planter noen centimeter fra hverandre på samme Petri plate og laget to små kutt på blad av en for å simulere et insekt angrep.

Hva som skjedde etterpå, som Sweeney sier, var "en uventet overraskelse." Neste dag, røttene på uskadde nabo anlegget hadde vokst merkbart lengre og mer robust - med mer lateral røtter poking ut fra den primære roten.

"Det var gal - Jeg trodde ikke det først," Bais sier. "Jeg ville ha forventet den skadde anlegget å sette mer ressurser inn i voksende røtter. Men vi fikk ikke se det."

Bais bedt Sweeney å gjenta eksperimentet flere ganger, partisjonere plantene å utelukke noen kommunikasjon mellom rotsystemer. I tidligere forskning, hadde Bais vist hvordan jordbakterier som lever blant røttene kan signalisere blad porene, kalt stomata, for å lukke opp for å holde invasiv patogener ut.

"Grunnen til at den uskadde anlegget er å sette ut flere røtter er å fôr og skaffe flere næringsstoffer for å styrke sitt forsvar," Bais sier. "Så vi begynte å lete etter forbindelser som utløser rotvekst."

Sweeney målt auxin, en nøkkel planteveksthormonet, og gav mer av dette gen uttrykkes på naboplanter når en skadet plante var rundt. Han bekreftet også at nabo planter av skadde planter uttrykker et gen som tilsvarer en malat transporter (ALMT-1). Malat tiltrekker gunstige jord mikrober, inkludert Bacillus subtilis som Bais og hans kolleger oppdaget for flere år siden. Tilsynelatende uskadd planter som er i umiddelbar nærhet til skadet seg og som har økt malat transporter forbinder mer med disse mikrobene. Disse beneficials bånd med røttene av de uskadde planter for å øke sitt forsvar.

Homing på kjemiske signaler

"Så den skadde anlegget sender signaler gjennom luften. Det er ikke slippe disse kjemikaliene til å hjelpe seg selv, men for å varsle sine plante naboer," Bais sa.

Hva er disse mystiske påfunn, kjent vitenskapelig som flyktige organiske forbindelser, og hvor lenge de holder seg i atmosfæren eller i jord for den saks skyld - det er som en spritz av parfyme eller dvelende duften av nystekt popcorn?

"Vi vet ikke ennå," sier Bais, som allerede har startet dette neste etappe av forskningen. "Men hvis du går gjennom et felt med gress etter at den er klippet eller en avling felt etter høsting, vil du lukte disse forbindelsene."

Bais credits Sweeney for oppdagelsen, priste hans hardt arbeid og vilje til å lære, på toppen av hans andre high school studier og svømming i overkant av 22 timer i uken.

"Du må nærme seg dette arbeidet med engasjement og fullstendighet. Du kan ikke bare gjøre det halvveis," Bais sier. "I Connor, har du grad student materiale. Uansett hvor han vil gå, vil han skinne."

"Arbeide med Dr. Bais har vært stor," Sweeney sier. "De fleste barna ikke får til å jobbe i en lab. Jeg har faktisk fullført hele prosjektet og skrevet et papir. Det er veldig spennende."

Video: Here Be Dragons

Sweeney credits også svømming for å hjelpe ham med vitenskap.

"Svømming krever et visst nivå av mental utholdenhet - det krever stirrer på bunnen av et basseng," han sier. "Læringskurven her var veldig bratt for meg. Da jeg hadde forurensning i en lab prøve, da jeg pustet på noe, måtte jeg begynne på nytt. Men tålmodighet og flid jeg har lært har gjort meg til en bedre forsker."

Sønn av UD tidligere studenter, Sweeney først besøkte Delaware Bioteknologi Institute som en åttende klassing, for en boot camp om grunnleggende laboratorieprosedyrer, som utløste hans interesse for forskning. Han har siden vunnet 2016 Delaware BioGENEius Challenge, var en 2016 internasjonal BioGENEius Challenge finalist og ble kåret til en semifinalist i 2017 Regeneron Science Talent Search. Denne høsten vil han dra til MIT, dobbelt hovedfag i økonomi og biologisk engineering.

"Jeg er interessert i å se på landbrukssiden av vitenskap," han sier. "Det høres kanskje ikke sexy, men alle trenger å spise. Så hvis du kan bruke cutting-edge teknologi i genomikk som fôrer flere personer samtidig minske miljøpåvirkningen, det er der jeg ønsker å være."