Växter ringa 911 för att hjälpa sina grannar

"Jag visste att jag skulle ha mycket att lära, men jag var redo för det," säger 18-åringen från Wilmington, Delaware.

Två år och dussintals försök senare, Sweeney, nu en senior på Charter School of Wilmington, är den första författare till en forskningsartikel som publicerades i Frontiers in Plant Science, en ledande vetenskapliga tidskriften - en sällsynt bedrift för en high school student.

Vad Sweeney och Prof. Bais upptäcktes vid University of Delaware kan göra dig tänka annorlunda från och med nu när du klipper gräsmattan eller katten börjar noshing på dina krukväxter.

I studier av Arabidopsis thaliana, även känd som senaps ogräs fann teamet att när ett löv var trasiga skickade skadade anläggningen ut en nödsituation varning till närliggande anläggningar, som började bör förbättra deras försvar.

"En skadad anläggning kommer att varna sina grannar fara," säger Bais, som är docent i växt- och markvetenskap i UD: s College of jordbruk och naturresurser. "Det är inte skrika eller text, men det får budskapet. Kommunikationssignalerna är i form av luftburna kemikalier som frigörs huvudsakligen från bladen."

Sweeney grävde i arbete i Bais labb vid Delaware Biotechnology Institute efter skolan, på helger och under sommaren raster, odling uppskattningsvis tusen Arabidopsis växter för experiment. Frön placerades i petriskålar och provrör som innehåller agar, en gelatinös odlingssubstrat. Varje sats av frön skulle gro efter cirka sex dagar förvandlas till känsliga skaft tre-tums växter med ljusa, gröna blad.

En dag i labbet, satte Sweeney två fabriker några centimeter ifrån varandra på samma Petri plattan och gjorde två små nedskärningar på bladet av en för att simulera en insekt attack.

Vad som hände sedan, som Sweeney säger var "en oväntad överraskning." Nästa dag, rötterna på oskadade grannanläggningen hade vuxit märkbart längre och mer robust - med mer laterala rötter gräva ut från den primära roten.

"Det var galet - Jag trodde inte det först," Bais säger. "Jag skulle ha förväntat den skadade anläggningen för att lägga mer resurser på växande rötter. Men vi såg inte det."

Bais frågade Sweeney att upprepa experimentet flera gånger, partitionera växterna för att utesluta all kommunikation mellan rotsystem. I tidigare forskning hade Bais visat hur jordbakterier som lever bland rötterna kan signalera blad porer, som kallas klyvöppningar, att stänga för att hålla invasiva patogener ut.

"Anledningen till den oskadade anläggningen lägger ut fler rötter är att föda och få fler näringsämnen för att stärka dess försvar," Bais säger. "Så vi började leta efter föreningar som utlöser rottillväxt."

Sweeney uppmätt auxin, ett nyckelplanttillväxthormonet, och fann mer av denna gen uttrycks i grann växter när en skadad växt var runt. Han bekräftade också att grann växter av skadade växter uttrycka en gen som motsvarar en malat transportör (ALMT-1). Malat lockar nyttiga jordmikrober, inklusive Bacillus subtilis, som Bais och hans kollegor upptäckte flera år sedan. Tydligen oskadade växter som är i närheten av skadade ettor och som ökat malat transporter förknippar mer med dessa mikrober. Dessa nytto band med rötterna i oskadade växter för att öka deras försvar.

Homing in på kemiska signaler

"Så skadade anläggningen sänder signaler genom luften. Det är inte släppa dessa kemikalier för att hjälpa sig själv, utan att varna sina växt grannar," Bais sagt.

Vilka är dessa mystiska hopkok, känd vetenskapligt som flyktiga organiska föreningar, och hur länge har de kvar i atmosfären eller i marken för den delen - är det som en spritz parfym eller kvardröjande doften av färska kokta popcorn?

"Vi vet inte ännu," säger Bais, som redan har startat denna nästa etapp av forskningen. "Men om du går igenom ett fält av gräs efter att den blivit flyttade eller gröda fält efter skörd, kommer du luktar dessa föreningar."

Bais krediter Sweeney för upptäckten, prisade hans hårda arbete och vilja att lära, på toppen av hans andra high school studier och simning uppemot 22 timmar i veckan.

"Du måste närma sig detta arbete med engagemang och fullständighet. Du kan inte bara göra det halvvägs," Bais säger. "I Connor, har du grad student material. Vart han kommer att gå, kommer han att lysa."

"Att arbeta med Dr. Bais har varit stort," Sweeney säger. "De flesta barn inte får arbeta i ett labb. Jag har faktiskt fullföljde hela projektet och skrivit ett papper. Det är väldigt spännande."

Sweeney krediter också simning för att hjälpa honom med vetenskapen.

"Simning kräver en viss nivå av mental uthållighet - det kräver stirrar på botten av en pool," han säger. "Inlärningskurvan här var mycket branta för mig. När jag hade förorening i ett labb prov, när jag andades på något, jag var tvungen att börja om från början. Men tålamod och flit jag har lärt mig har gjort mig till en bättre vetenskapsman."

Son till UD alums, Sweeney först besökte Delaware Biotechnology Institute som en åttonde grader, för en boot camp om grundläggande laboratorieförfaranden, som utlöste hans intresse för forskning. Han har sedan dess vunnit 2016 Delaware BioGENEius Challenge, var 2016 den internationella BioGENEius Challenge finalist och namngavs en semifinalist i 2017 Regeneron Science Talent Search. I höst kommer han iväg till MIT dubbel huvudämne i ekonomi och bioteknik.

"Jag är intresserad av att titta på jordbrukssidan av vetenskap," han säger. "Det kanske inte låter sexig, men alla behöver äta. Så om du kan använda spjutspetsteknik inom genomik som livnär fler människor samtidigt minska miljöpåverkan, det är där jag vill vara."