為了生存它們整日“竊竊私語”,相鄰植物釋放的化學物質到底在表達什么

2020-03-25 09:52:31    作者:張曄     來源:科技日報

  遇到家族親屬,會親切地打個招呼,還會協調關系避免自相競爭;

  遇到競爭對手,就迅速地威脅警告,并釋放毒素抑制對方生長。

  這是誰,人還是某種動物?都不是,恰恰是那些看上去“安靜生長”的植物。在黑漆漆的土壤里,植物的世界遠比我們想象中熱鬧,它們每天都在用自己的語言“聊天”,可以互相交流、合作,甚至“發動戰爭”。

  近日,一項刊發在《微生物組》上研究成果,引起讀者興趣:木薯通過根部釋放的化學物質,竟然促進相鄰的了花生增產。

  其實,國內外學界對植物交流的研究已進行了二十多年,我國學者甚至已讀懂它們的“語言”,并據此培育出至少5個能抑制雜草生長的水稻品種。

  植物之間究竟通過什么方式“對話”?它們為什么要相互交流?讀懂植物“語言”對促進生產有什么作用?帶著這些問題,科技日報記者走訪了中國農業大學資源與環境學院孔垂華教授和中國科學院南京土壤研究所孫波研究員,聽聽專家怎么說。

為了生存它們整日“竊竊私語”,相鄰植物釋放的化學物質到底在表達什么

小麥和雜草在地下的化感作用和化學識別。受訪者供圖

  植物王國并非一片寂靜

  木薯不能生吃,因為它體內包含有毒的氰化物。但是當它從根部向土壤中釋放出氰化物后,鄰近的花生感知到這些物質,就會相應釋放出氣態分子乙烯。

  在乙烯影響下,花生會主動縮減地面植株的繁茂程度,優先保證果實的養分供給。同時,乙烯還能聚集土壤中的有益微生物到花生根部,提高氮、磷等有效養分的吸收率,以進一步提高花生果實的飽滿程度和產量。

  “這項研究告訴我們,植物根部釋放的化學物質,或許是不同植物間‘交流對話’的關鍵。搞清這些‘化學對話’如何進行,就有機會解開更多植物的‘生長密碼’,也幫助人類更加科學有效地種植農作物。”領導這項研究的孫波研究員說道。

  關于植物間是否存在交流,是一個由來已久的科學猜測,有人認為通過聲波交流,有人說是通過觸碰,還有人猜測是某種化學物質……但是真正找到確鑿的證據,來自于一次突發奇想的檢測。

  當植物的葉子被昆蟲咀嚼時,它會有什么反應?國外一位科學家在檢測中發現,受到攻擊的植物會釋放出一種化學物質進行防御。某一天,閑來無事的他,隨手檢測了旁邊一棵未受攻擊的植物。令他大為震驚的是,竟然也測出相同的化學物質。這意味著,受到攻擊的植物已經通過某種方式告訴同伴:“我受到蟲子的攻擊,你們趕快拿起武器保護自己!”

  在其后的若干年里,科學家通過不懈努力終于弄清楚,植物之間的識別是涉及物理和化學信號,包括遠紅光反射、周圍養分改變、植物所釋放的次生代謝產物等。鄰近植物識別這些信號可以觸發復雜的響應策略,例如避蔭、根系覓食和化學防御。

  已有的研究表明,化學信號物質主要通過空氣傳播,包括茉莉酸甲酯、水楊酸酯、吲哚、乙烯和一些揮發性萜類。

為了生存它們整日“竊竊私語”,相鄰植物釋放的化學物質到底在表達什么

次生物質介導的地下根系化學生態作用。受訪者供圖

  通過“交談”辨認敵我

  語言除了用來交流之外,還能表達感情。既然植物也有“語言交流”,那么在它們的世界里,是否也上演著喜悅、憤怒或悲傷的故事?

  “弄清楚這一切的前提是,我們得知道植物是否像人或動物一樣,有親屬或敵對關系,而這種認知過去是不被科學界認可的。”中國農業大學資源與環境學院孔垂華教授說道。

  為弄清楚植物之間的關系以及它們之間的聯絡方式,孔垂華團隊用了7年時間,從植物的根系入手進行研究。他們把小麥種植在營養液里,并通過樹脂收集液體中的各種化學物質,再一一進行分析。

  “過去研究者也意識到,植物可能通過根系進行交流,但是土壤就像一個黑箱,任何物理與化學都信號看不見測不出。”孔垂華說。

  用這種方法對小麥根系分泌物進行活性追蹤分離,孔垂華團隊得到了4個已知化合物,分別為茉莉酸、水楊酸、黑麥草內酯以及木犀草素。同時,他們對小麥的100種伴生植物的根部、根系分泌物和根際土進行了分析,發現植物根部、根系分泌物和根際土中都含有前3種物質。特別是黑麥草內酯和茉莉酸,在較低濃度下就能極大地誘導小麥根系化感物質DIMBOA濃度的升高。而DIMBOA是小麥等禾本科植物的特異化感物質,在抗菌、抗蟲和防御雜草等方面都具有重要作用。

  也就是說,黑麥草內酯和茉莉酸是植物間地下交流的“通用語言”,不同種屬的植物通過感知這些化學物質,就能辨認是敵是友。如果周圍存在雜草,小麥就會拿起武器(DIMBOA)發動戰爭,壓制競爭對手的生長。這一研究結果發表在2018年9月的《自然-通訊》。

  隨后,孔垂華和他的博士生楊雪芳通過對水稻的研究進一步證實,有親緣關系的水稻種植一起,根系會彼此疏遠,從而最大程度減少競爭;而非親緣關系的水稻種植在一起結果則相反,它們的根系更具活力和侵入性,力圖擠壓對方的生存空間。

  “這與人或動物的家族關系非常一致,親人之間大多是相互關照,而對外人則保持警惕和防范。”孔垂華用確鑿的證據表明,植物也有親屬觀念并具備相應的辨識能力,對內相互協調,對外擴張領土。

為了生存它們整日“竊竊私語”,相鄰植物釋放的化學物質到底在表達什么

收集植物根系釋放化學物質的實驗裝置。受訪者供圖

  聽懂植物語言竟有妙用

  讀懂了植物語言我們才知道,看似一片寂靜的植物世界里,竟然每天都在上演“戰爭與和平”那樣的史詩大片。顯然,破譯植物語言并不是為了“看戲”,思考它對促進生產有何作用才是科學研究的終極意義。

  孔垂華認為,對這人類的幫助非常大,比如可以利用植物這種特性,增加農作物產量,減少除草劑使用。

  但是,禾本科植物釋放的化感物質也是一把雙刃劍,它不僅能抑制競爭對手的生長,也會使自己的果實產量下降。如果周圍資源有限,植物甚至會釋放毒素殺死一部分同類,以維持家族生態平衡。“更好地活著,并繁育下一代,是一切生物的本能。”孔垂華說道。

  因此,科學家希望把化感物質的產生與作物產量維持在一個平衡點。

  “我們把那些具有天然抗雜草基因的水稻品種與高產水稻品種進行雜交選育,得到一些能夠自己釋放‘除草劑’從而實現自我保護的品種。”2009年,孔垂華與其他科學家合作培育的“化感稻3號”在廣東省通過品種審定,2015年通過國家審定。

  經過田間試驗,化感稻3號至少能減少50%的除草劑用量。如今,化感稻家族已經越來越興旺,至少已有5-6個品種通過審定。

  2018年10月,《新植物學家》雜志報道了孔垂華團隊的又一項成果:在為期3年的田間試驗中,這些自我保護水稻品種與親屬識別合作產量增加了5%。這意味著,化感稻實現了既能除草又能保持產量的目標。

  “在生態安全條件下維持穩定的糧食供應是人類永恒的目標,目前全球范圍內,除草劑的用量遠遠大于殺蟲劑和滅菌劑?,F在,我們有了更自然的辦法解決這個問題。”孔垂華告訴記者。

為了生存它們整日“竊竊私語”,相鄰植物釋放的化學物質到底在表達什么

編輯:王子悅

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