Kasveissa esiintyvä sukulaisuuden tunnistaminen on yksi nykypäivän kasvibiologian kiistanalaisimmista ja kiehtovimmista aiheista. Perusajatus on, että jotkut kasvit muuttavat omaa käyttäytymistään (juurten allokaatio, haihtuvien orgaanisten yhdisteiden tuotanto, puolustusreaktio) naapuriyksilöiden geneettisen läheisyyden perusteella: yhteistyöllisemmin sukulaisia kohtaan, kilpailevammin vieraita kohtaan. Tämä kyky, jos se vahvistuu luotettavasti, edellyttäisi "geneettisen itsensä tunnistamisen" järjestelmää, joka ei vaadi hermoja tai hermostoa.

Perustutukimukset sukulaisuuden tunnistamisesta

Murphyn ja Dudleyn kokeet (2009, Functional Ecology): Impatiens pallida -kasvit (Pohjois-Amerikan metsissä kasvava laji) kasvoivat ruukuissa sukulaisten tai saman lajin vieraiden yksilöiden kanssa. Sukulaisten läsnä ollessa: kasvit tuottivat suurempia lehtiä (suurempi investointi fotosynteesiin) ja vähemmän aggressiivisia juuria. Vieraiden yksilöiden läsnä ollessa: kasvit tuottivat kilpailevampia juuria ja pienempiä lehtiä. Tulos viittasi siihen, että kasvit "tunnistivat" sukulaiset ja vähenivät kilpailua heidän kanssaan. Crepyn ja Casalin kokeet (2015, Nature Communications): Arabidopsis thaliana -kasvit kasvoivat sukulaisten tai vieraiden kanssa. Sukulaisten kanssa kasvavat kasvit kasvoivat vähemmän "pystysuorasti" (vähemmän varjon välttämistä), mikä viittaa vähentyneeseen kilpailuun valosta sukulaisten kanssa. Ehdotettu mekanismi: signaalit, joita fytokromaatit vastaanottavat lähellä olevien lehtien heijastamasta valosta. Sukulaiset tuottavat heijastusprofiileja, jotka eroavat hieman vieraista (pienten geneettisten erojen vuoksi pigmentimolekyyleissä). Kasvin fytokromaatit "lukevat" nämä heijastusprofiilit ja muuttavat varjon välttämisreaktiota. Kokeet, joissa emokasvit muuttavat siemeniä jälkeläisille: jotkut tutkimukset (Galloway ja Etterson, 2007, American Naturalist) ovat osoittaneet, että emokasvit muuttavat siementen epigenoomi tuotannon aikana koettujen ympäristöolosuhteiden perusteella, "ohjelmoiden" jälkeläiset odotetuille olosuhteille. "Äitillisen tiedon" siirtämisen järjestelmä jälkeläisille siementen kautta: eräänlainen sukupolvien välinen muisti.

Sukulaisuuden tunnistamisen ehdotetut mekanismit

Kasveissa esiintyvä sukulaisuuden tunnistaminen edellyttää "tunnistamisen" järjestelmää, joka erottaa naapurit niiden sukulaisuusasteen perusteella. Tutkitut ja ehdotetut mekanismit vaihtelevat eri signaalityypeittäin. Tunnistaminen juurten eritteillä: jokainen genotyyppi tuottaa juurten eritteitä, joiden kemiallinen koostumus on hieman erilainen. Kasvin juuret tunnistaisivat naapurin eritteen koostumuksen "samanlaiseksi" (sukulainen) tai "erilaiseksi" (vieras) ja muuttaisivat omaa käyttäytymistään vastaavasti. Ongelma: juurten eritteen koostumus riippuu myös ympäristöstä (maatyyppi, stressi), ei vain genotyypistä. Vaikea erottaa sukulaisuussignaali ympäristösignaalista. Tunnistaminen ilmassa leijuvien haihtuvien yhdisteiden avulla: hieman erilainen lehtien haihtuvien yhdisteiden koostumus eri genotyyppien välillä. Karbanin ja muiden kokeet (2013): Kalifornian artemisia-kasvit kommunikoivat mieluummin kloonisten kopioiden kanssa (geneettisesti identtiset) verrattuna saman lajin yksilöihin, jotka olivat geneettisesti erilaisia. Genotyyppille ominaiset haihtuvien yhdisteiden "kemiallinen murre" sukulaisuussignaalina. Tunnistaminen heijastuneen valon kautta (Crepy ja Casal 2015): lehtien heijastusprofiilit (joita fytokromaatit havaitsevat) optisena "geneettisen allekirjoituksena". Spekulatiivisempi, mutta joilla on jonkin verran kokeellista näyttöä. Tunnistaminen siitepölyn ja rakeiden kautta: kukissa siitepölyn tunnistaminen saman lajin siitepölystä ja geneettisestä yhteensopivuudesta (itsensä yhteensopimattomuus: kasvit hylkäävät omaa siitepölyään tai liian läheisesti sukua olevien yksilöiden siitepölyä sisäsiitoksen välttämiseksi) on hyvin dokumentoitu geneettisen tunnistamisen järjestelmä. Mutta se koskee lisääntymistä, ei vegetatiivista kilpailua.

Tieteelliset kritiikki: mitä ei ole vielä todistettu

Kasveissa esiintyvän sukulaisuuden tunnistamisen tutkimusala joutuu tieteellisen yhteisön osasta kritiikille useista syistä. Toistettavuus: monet perustutkimuksista eivät ole olleet itsenäisesti toistettuja samalla hallintatasolla. Havaitut vaikutukset ovat usein pieniä ja riippuvat erityisistä kokeellisista olosuhteista. Vaikutuksen koko: havaitut käyttäytymisen muutokset sukulaisten kanssa kasvavien kasvejen ja vieraiden kanssa kasvavien kasvejen välillä ovat tilastollisesti merkitseviä, mutta ekologisesti pieniä (10-30 % vaihtelu juurten allokaatiossa). On epävarmuutta siitä, ovatko nämä vaikutukset riittävän suuria ollakseen adaptiivisesti merkityksellisiä luonnollisissa yhteisöissä, joissa monet muut tekijät vaikuttavat kasvuun. Tunnistamattomia mekanismeja: missään tapauksessa spesifistä molekyylistä signaalia, joka antaa kasveille mahdollisuuden erottaa sukulaiset vieraista, ei ole tunnistettu varmuudella. Hypoteesit mekanismeista (juurten eritteet, haihtuvat yhdisteet, heijastunut valo) ovat uskottavia, mutta ei todistettu riittävällä tarkkuudella. Vaihtoehtoiset selitykset: monet havaitut vaikutukset voitaisiin selittää ilman erityistä "sukulaisuuden tunnistamisen" järjestelmää: saman perheen kasvit, jotka kasvavat samassa ympäristössä, reagoivat samalla tavalla fenotyyppisesti, koska niillä on samankaltaiset genotyypit, ei koska ne "tunnistaisivat" toisensa. Nykyinen yksimielisyys: kasveissa esiintyvän sukulaisuuden tunnistamisen vaikutukset ovat todennäköisesti todellisia, mutta määrällisesti rajoitettuja. Tutkimuksen on tunnistettava tarkat molekyylimekanismit osoittaakseen tunnistamisen vakuuttavasti.

Sukulaisuuden tunnistaminen ja kasvilajien suojelu

Jos kasveilla on kyky tunnistaa sukulaisensa ja tällä on todellisia vaikutuksia kilpailuun ja yhteistyöhön, sillä on merkitystä harvinaisten kasvilajien suojelulle ja suojeltujen alueiden hallinnalle. Pirstoutuneet populaatiot ja sisäsiittoistuminen: harvinaisten kasvilajien populaatiot, jotka ovat jakautuneet pieniin eristyneisiin elinympäristöihin, altistuvat sisäsiittoistumiselle (lisääntyminen sukulaisten välillä). Jos sukulaiset kilpailevat vähemmän keskenään, lähisukuisten yksilöiden muodostamat populaatiot voivat käyttäytyä eri tavalla kuin geneettisesti vaihtelevat populaatiot. Metsänuudistaminen ja paikallinen alkuperä: periaate käyttää "paikallista alkuperää" olevaa kasviainesta (paikallisia ekotyyppejä) metsänuudistamisessa on jo perusteltu adaptiivisen genetiikan näkökulmasta (paikalliset ekotyypit ovat sopeutuneet paikallisiin olosuhteisiin). Sukulaisuuden tunnistaminen tarjoaa potentiaalisesti toisen perustelun: paikallisesta alkuperästä olevat kasvit voisivat olla yhteensopivampia keskenään (vähemmän aggressiivista kilpailua, enemmän yhteistyötä mykoriitsaverkon kautta) verrattuna eri alkuperää oleviin kasveihin. Geneettinen monimuotoisuus viljellyissä metsissä: kloonimetsiköt (yksittäinen genotyyppi, yleinen käytäntö joissakin intensiivisissä metsänhoitomenetelmissä) voivat käyttäytyä eri tavalla kuin luonnonmetsät. Jos kaikki sukulaiset "yhteistyötä tekevät", klooninen monokultuuri voisi johtaa vähemmän kilpailuun lajin sisällä, mutta myös heikompaan kestävyyteen (kaikilla kloonilla on sama haavoittuvuus patogeeneille). Geneettinen monimuotoisuus on hyödyllinen paitsi patogeeniresistenssin kannalta myös metsän sosiaalisten vuorovaikutusten monimutkaisuuden kannalta.

Etiikka ja antropomorfismi kasvilajien sukulaisuuden tunnistamisessa

Kasvilajien sukulaisuuden tunnistaminen on yksi niistä tutkimusalueista, joissa antropomorfismin riski on suurin. Narratiivi "puut tunnistavat omat jälkeläisensä ja huolehtivat heistä" on emotionaalisesti voimakas, mutta se voi vääristää tieteellistä ymmärrystä. Antropomorfismin ongelma: kasveille "tunnistamisen" kyvyn liittäminen ihmisen kognitiivisessa mielessä (kyvyn tietoisesti tunnistaa yksilö sukulaiseksi) on tieteellisesti sopimaton: kasveilla ei ole kognitiivisia järjestelmiä. "Tunnistaminen" kasveissa on biokemiallinen reaktio kemiallisiin signaaleihin: se ei vaadi tietoisuutta tai aikomusta. Tarkempi kuvaus: "kasvit muuttavat omien juuriensa kasvua vastauksena lähellä olevien juurten eritteisiin, ja tämä koostumus määräytyy osittain naapurin genotyypin perusteella" on pitempi, mutta tarkempi kuin "kasvit tunnistavat omat jälkeläisensä". Antropomorfismin rajallinen hyödyllisyys tieteellisessä viestinnässä: on olemassa todellinen keskustelu siitä, kuinka hyödyllistä on käyttää antropomorfista kieltä kasvibiologian viestintään ei-asiantuntijapubliikolle. Riski: luoda väärät odotukset, joita tutkimus sitten kumoaa (kuten äiti-puiden tapauksessa). Hyöty: lisätä yleisön kiinnostusta ja tukea metsänsuojelua. Tiedeviestijöiden vastuu on löytää tasapaino narratiivin saavutettavuuden ja tieteellisen tarkkuuden välillä.