Rośliny reagują na uszkodzenia poprzez uwalnianie szybkiego sygnału chemicznego, jednak precyzyjne uchwycenie tego sygnału pozostaje wyzwaniem technicznym. W ciągu kilku sekund po żerowaniu roślinożerców, uszkodzeniach przez wiatr lub zakłóceniach mechanicznych, rośliny uwalniają przejściowy wyrzut lotnych związków organicznych (VOCs), które aktywują wewnętrzne mechanizmy obronne i przygotowują sąsiednie rośliny do reakcji1,2,3,4. Te indukowane uszkodzeniami lotne związki organiczne (wVOCs) obejmują lotne związki zielonych liści (GLVs), metanol, krótkołańcuchowe alkohole i aldehydy, terpenoidy oraz pochodne oksylipin. Powstają one albo w wyniku syntezy de novo w komórkach mezofila, albo w wyniku przerwania struktur magazynujących, takich jak kanały żywiczne i trichomy. Jako bezpośrednie sygnały stresowe, wVOCs koordynują obronę fizjologiczną, pośredniczą w komunikacji między roślinami oraz oddziałują na chemię atmosfery1,5,6,7.
Ponieważ naturalna herbiworia łączy uszkodzenia mechaniczne z elicytorami ślinowymi i mikrobiologicznymi, w badaniach eksperymentalnych stosuje się symulowane ranienie, aby wyizolować odpowiedzi wyłącznie na uraz fizyczny8. Jednakże przejściowy charakter wVOC sprawia, że ich wychwycenie jest z natury trudne. Konwencjonalne metody, takie jak statyczne pobieranie próbek z przestrzeni nad próbką w połączeniu z chromatografią gazową sprzężoną z spektrometrią mas (GC-MS), często pomijają początkowy wyrzut emisji i zniekształcają jej profil kinetyczny9,10. Opóźnienia w osiągnięciu równowagi, podwyższone temperatury inkubacji oraz wydłużone linie pobierania próbek zwiększają czas przebywania i zniekształcają rejestrowany sygnał, szczególnie w przypadku związków reaktywnych, takich jak seskwiterpeny9,1,12. Wspólnie artefakty te zmniejszają amplitudę sygnału i zacierają dynamikę czasową emisji lotnych związków indukowanych ranieniem, co utrudnia interpretację reakcji roślin na stres.
W wielu badaniach pomiar jest przerywany w celu zranienia liści poza komorą. Przerwa ta destabilizuje przepływ gazów, zmienia czas powstania rany i zmniejsza kontrolę nad precyzją nacięcia13,14,15. W rezultacie pierwsze minuty po uszkodzeniu są często tracone lub zniekształcone13, czyli dokładnie wtedy, gdy szybkość emisji osiąga szczyt i pojawiają się charakterystyczne wzorce kinetyczne3,6,16,17. W niektórych podejściach wycinanie liści przeniesiono do wnętrza komór o dużej objętości, wykorzystując ostrza teflonowe lub wycinaki mechaniczne12,18,19. Jednakże takie układy często prowadziły do niestabilności uszczelnienia, niespójnej długości cięć i nierównych nacięć z powodu przesuwania się przecinaka lub różnic w twardości liści. Duża objętość komory dodatkowo opóźniała wymianę powietrza i poszerzała sygnał lotnych związków16. Wspólnie te ograniczenia eksperymentalne uniemożliwiają dokładną charakterystykę dynamiki czasowej emisji indukowanych zranieniem w stabilnych warunkach fizjologicznych.
Aby pokonać te trudności, niniejsze badanie przedstawia protokół ranienia wewnątrzkomorowego w czasie rzeczywistym, który integruje przecinak klasy chirurgicznej z systemem wymiany gazowej sprzężonym ze spektrometrią mas czasu przelotu z reakcją transferu protonu (PTR-TOF-MS). Protokół ten umożliwia jednoczesne ranienie liścia i detekcję substancji lotnych w kontrolowanych warunkach środowiskowych, przy jednoczesnym pomiarze strumieni substancji lotnych i wymiany gazowej z wysoką rozdzielczością czasową. Dzięki przeprowadzaniu wycinania liścia wewnątrz komory pomiarowej, protokół minimalizuje opóźnienia w pobieraniu próbek związane z konwencjonalnymi metodami, zachowuje dynamikę czasową szybko emitowanych lotnych związków indukowanych ranieniem oraz ilustruje zestandaryzowaną procedurę cięcia liści o różnych właściwościach mechanicznych. Taka rozdzielczość czasowa umożliwia bezpośrednią charakterystykę początku, czasu wystąpienia szczytu oraz specyficznej dla gatunku kinetyki emisji lotnych związków indukowanych ranieniem.
Protokół oceniono z wykorzystaniem trzech gatunków o kontrastujących cechach anatomicznych i fizjologicznych (Quercus rubra, Acer platanoides oraz Gossypium hirsutum), aby wykazać jego przydatność dla różnych typów liści. Zastosowanie identycznych warunków pomiarowych dla wszystkich gatunków dowodzi, że protokół pozwala na rozróżnienie dynamiki VOC indukowanych przez zranienie w szerokim zakresie wzorców emisji, przy jednoczesnym zminimalizowaniu zmienności eksperymentalnej. Podejście to znajduje szerokie zastosowanie w badaniach wymagających pomiarów VOC indukowanych przez zranienie z wysoką rozdzielczością czasową w kontrolowanych warunkach środowiskowych. Wspólnie cechy te zapewniają zestandaryzowane ramy do badania szybkich reakcji roślin na stres i ułatwiają stosowanie protokołu w różnych gatunkach i systemach eksperymentalnych.