为了生存它们整日“窃窃私语”,相邻植物释放的化学物质到底在表达什么

2020-03-25 09:52:31    作者:张晔     来源:科技日报

  遇到家族亲属,会亲切地打个招呼,还会协调关系避免自相竞争;

  遇到竞争对手,就迅速地威胁警告,并释放毒素抑制对方生长。

  这是谁,人还是某种动物?都不是,恰恰是那些看上去“安静生长”的植物。在黑漆漆的土壤里,植物的世界远比我们想象中热闹,它们每天都在用自己的语言“聊天”,可以互相交流、合作,甚至“发动战争”。

  近日,一项刊发在《微生物组》上研究成果,引起读者兴趣:木薯通过根部释放的化学物质,竟然促进相邻的了花生增产。

  其实,国内外学界对植物交流的研究已进行了二十多年,我国学者甚至已读懂它们的“语言”,并据此培育出至少5个能抑制杂草生长的水稻品种。

  植物之间究竟通过什么方式“对话”?它们为什么要相互交流?读懂植物“语言”对促进生产有什么作用?带着这些问题,科技日报记者走访了中国农业大学资源与环境学院孔垂华教授和中国科学院南京土壤研究所孙波研究员,听听专家怎么说。

为了生存它们整日“窃窃私语”,相邻植物释放的化学物质到底在表达什么

小麦和杂草在地下的化感作用和化学识别。受访者供图

  植物王国并非一片寂静

  木薯不能生吃,因为它体内包含有毒的氰化物。但是当它从根部向土壤中释放出氰化物后,邻近的花生感知到这些物质,就会相应释放出气态分子乙烯。

  在乙烯影响下,花生会主动缩减地面植株的繁茂程度,优先保证果实的养分供给。同时,乙烯还能聚集土壤中的有益微生物到花生根部,提高氮、磷等有效养分的吸收率,以进一步提高花生果实的饱满程度和产量。

  “这项研究告诉我们,植物根部释放的化学物质,或许是不同植物间‘交流对话’的关键。搞清这些‘化学对话’如何进行,就有机会解开更多植物的‘生长密码’,也帮助人类更加科学有效地种植农作物。”领导这项研究的孙波研究员说道。

  关于植物间是否存在交流,是一个由来已久的科学猜测,有人认为通过声波交流,有人说是通过触碰,还有人猜测是某种化学物质……但是真正找到确凿的证据,来自于一次突发奇想的检测。

  当植物的叶子被昆虫咀嚼时,它会有什么反应?国外一位科学家在检测中发现,受到攻击的植物会释放出一种化学物质进行防御。某一天,闲来无事的他,随手检测了旁边一棵未受攻击的植物。令他大为震惊的是,竟然也测出相同的化学物质。这意味着,受到攻击的植物已经通过某种方式告诉同伴:“我受到虫子的攻击,你们赶快拿起武器保护自己!”

  在其后的若干年里,科学家通过不懈努力终于弄清楚,植物之间的识别是涉及物理和化学信号,包括远红光反射、周围养分改变、植物所释放的次生代谢产物等。邻近植物识别这些信号可以触发复杂的响应策略,例如避荫、根系觅食和化学防御。

  已有的研究表明,化学信号物质主要通过空气传播,包括茉莉酸甲酯、水杨酸酯、吲哚、乙烯和一些挥发性萜类。

为了生存它们整日“窃窃私语”,相邻植物释放的化学物质到底在表达什么

次生物质介导的地下根系化学生态作用。受访者供图

  通过“交谈”辨认敌我

  语言除了用来交流之外,还能表达感情。既然植物也有“语言交流”,那么在它们的世界里,是否也上演着喜悦、愤怒或悲伤的故事?

  “弄清楚这一切的前提是,我们得知道植物是否像人或动物一样,有亲属或敌对关系,而这种认知过去是不被科学界认可的。”中国农业大学资源与环境学院孔垂华教授说道。

  为弄清楚植物之间的关系以及它们之间的联络方式,孔垂华团队用了7年时间,从植物的根系入手进行研究。他们把小麦种植在营养液里,并通过树脂收集液体中的各种化学物质,再一一进行分析。

  “过去研究者也意识到,植物可能通过根系进行交流,但是土壤就像一个黑箱,任何物理与化学都信号看不见测不出。”孔垂华说。

  用这种方法对小麦根系分泌物进行活性追踪分离,孔垂华团队得到了4个已知化合物,分别为茉莉酸、水杨酸、黑麦草内酯以及木犀草素。同时,他们对小麦的100种伴生植物的根部、根系分泌物和根际土进行了分析,发现植物根部、根系分泌物和根际土中都含有前3种物质。特别是黑麦草内酯和茉莉酸,在较低浓度下就能极大地诱导小麦根系化感物质DIMBOA浓度的升高。而DIMBOA是小麦等禾本科植物的特异化感物质,在抗菌、抗虫和防御杂草等方面都具有重要作用。

  也就是说,黑麦草内酯和茉莉酸是植物间地下交流的“通用语言”,不同种属的植物通过感知这些化学物质,就能辨认是敌是友。如果周围存在杂草,小麦就会拿起武器(DIMBOA)发动战争,压制竞争对手的生长。这一研究结果发表在2018年9月的《自然-通讯》。

  随后,孔垂华和他的博士生杨雪芳通过对水稻的研究进一步证实,有亲缘关系的水稻种植一起,根系会彼此疏远,从而最大程度减少竞争;而非亲缘关系的水稻种植在一起结果则相反,它们的根系更具活力和侵入性,力图挤压对方的生存空间。

  “这与人或动物的家族关系非常一致,亲人之间大多是相互关照,而对外人则保持警惕和防范。”孔垂华用确凿的证据表明,植物也有亲属观念并具备相应的辨识能力,对内相互协调,对外扩张领土。

为了生存它们整日“窃窃私语”,相邻植物释放的化学物质到底在表达什么

收集植物根系释放化学物质的实验装置。受访者供图

  听懂植物语言竟有妙用

  读懂了植物语言我们才知道,看似一片寂静的植物世界里,竟然每天都在上演“战争与和平”那样的史诗大片。显然,破译植物语言并不是为了“看戏”,思考它对促进生产有何作用才是科学研究的终极意义。

  孔垂华认为,对这人类的帮助非常大,比如可以利用植物这种特性,增加农作物产量,减少除草剂使用。

  但是,禾本科植物释放的化感物质也是一把双刃剑,它不仅能抑制竞争对手的生长,也会使自己的果实产量下降。如果周围资源有限,植物甚至会释放毒素杀死一部分同类,以维持家族生态平衡。“更好地活着,并繁育下一代,是一切生物的本能。”孔垂华说道。

  因此,科学家希望把化感物质的产生与作物产量维持在一个平衡点。

  “我们把那些具有天然抗杂草基因的水稻品种与高产水稻品种进行杂交选育,得到一些能够自己释放‘除草剂’从而实现自我保护的品种。”2009年,孔垂华与其他科学家合作培育的“化感稻3号”在广东省通过品种审定,2015年通过国家审定。

  经过田间试验,化感稻3号至少能减少50%的除草剂用量。如今,化感稻家族已经越来越兴旺,至少已有5-6个品种通过审定。

  2018年10月,《新植物学家》杂志报道了孔垂华团队的又一项成果:在为期3年的田间试验中,这些自我保护水稻品种与亲属识别合作产量增加了5%。这意味着,化感稻实现了既能除草又能保持产量的目标。

  “在生态安全条件下维持稳定的粮食供应是人类永恒的目标,目前全球范围内,除草剂的用量远远大于杀虫剂和灭菌剂。现在,我们有了更自然的办法解决这个问题。”孔垂华告诉记者。

为了生存它们整日“窃窃私语”,相邻植物释放的化学物质到底在表达什么

编辑:王子悦

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