地上地下搭起“通訊網(wǎng)”植物間交流無處不在

趙漢斌

自然界中，植物并不是孤立存在的，而是經(jīng)常與其他生物產(chǎn)生形式各異的互動?？茖W(xué)家已深入研究了植物間通過地上和地下部分產(chǎn)生的揮發(fā)物以及利用根際分泌物進(jìn)行交流互作。日前，中國科學(xué)院昆明植物研究所研究員吳建強(qiáng)團(tuán)隊受邀在國際期刊《植物生物學(xué)綜述年刊》上發(fā)表了關(guān)于植物間“通訊”的綜述文章。

一系列研究表明，寄生植物與寄主間可以進(jìn)行物質(zhì)與信號交流；此外，叢枝菌根真菌的菌絲也能在地下連接各種植物根系，形成龐大的菌根網(wǎng)絡(luò)，在不同宿主植物間傳遞信號與物質(zhì)。

寄生植物搭起地上有線“通訊網(wǎng)”

植物沒有“大腦”，也不能移動，但在長期演化過程中，它們擁有的能力遠(yuǎn)比人們以為的復(fù)雜得多。而人們對其超強(qiáng)“通訊”能力的認(rèn)識，還在起步階段。

吳建強(qiáng)帶領(lǐng)的植物與其他生物互作化學(xué)生態(tài)學(xué)攻關(guān)團(tuán)隊，長期從事植物間的相互作用研究。

“植食性昆蟲的取食是植物生存面臨的重要威脅之一。”吳建強(qiáng)介紹，在生物協(xié)同演進(jìn)過程中，植物擁有復(fù)雜多樣的抵御昆蟲取食的策略，包括精妙的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)和多種多樣的植物抗蟲次生代謝產(chǎn)物。

此前，吳建強(qiáng)團(tuán)隊首次提出寄生植物菟絲子與寄主植物可以形成“菟絲子連接的植物微群體”的生態(tài)學(xué)概念，并以此為研究模型，開展了一系列創(chuàng)新研究。

菟絲子是專性莖寄生植物，不能進(jìn)行光合作用，萌發(fā)后，必須盡快寄生在宿主身上才能生存。

“在長期演化過程中，菟絲子特化出‘剝削寄主的器官——吸器，通過吸器與寄主的維管組織連接，形成物質(zhì)交流的通道?！鼻笆稣撐墓餐谝蛔髡?、昆明植物研究所博士申國境介紹，轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，菟絲子和寄主在正常生長狀態(tài)下，存在著上千個信使RNA的交流，而且在轉(zhuǎn)運中，可能作為一種長距離運輸信號，發(fā)揮生物學(xué)功能。

“菟絲子通過自身的維管束，可以與寄主交流，也可以在不同寄主間轉(zhuǎn)運信號、水分、無機(jī)鹽和有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，就像搭橋一樣，維管束通道是一個復(fù)雜的系統(tǒng)?！眳墙◤?qiáng)說，菟絲子像“有線連接”一樣，很穩(wěn)定，與揮發(fā)物或根系分泌物傳遞“無線”信號不同，它能夠穩(wěn)定地傳導(dǎo)信號和物質(zhì)，從而調(diào)動寄主植物產(chǎn)生生理變化。具體來說，菟絲子能夠傳遞有生態(tài)學(xué)效應(yīng)的抗蟲系統(tǒng)性信號、鹽脅迫系統(tǒng)性信號、氮素營養(yǎng)缺乏誘導(dǎo)的系統(tǒng)性信號等。

叢枝菌根真菌無聲勾連地下“通訊網(wǎng)”

叢枝菌根真菌是一類與植物共生的土壤真菌，因其侵入植物根系形成叢枝狀結(jié)構(gòu)而得此名。

“地球上約70%～90%的陸生植物，能與叢枝菌根真菌形成互作?！眳墙◤?qiáng)介紹，叢枝菌根真菌在細(xì)胞間生長，在植物根皮質(zhì)細(xì)胞中形成高度分枝的樹狀結(jié)構(gòu)。根外菌絲從土壤中吸收、轉(zhuǎn)運磷和氮等，然后卸載到植物根部。

因此，這類真菌促進(jìn)了植物對需求最盛的磷和氮的吸收；反過來，植物也可為真菌提供糖和脂質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)。叢枝菌根真菌并不“專情”于一株植物，而是同時“勾搭”相鄰的不同植物，通過連接不同宿主的根系形成共生關(guān)系。

“這是一個新的研究方向，為了解生物間的相互作用提供了豐富的信息和嶄新的視角?！闭撐墓餐谝蛔髡?、昆明植物研究所博士張井雄說，越來越多的證據(jù)表明，和地表寄生植物與寄主間傳遞信號類似，復(fù)雜的信號同樣可以通過菌絲網(wǎng)絡(luò)在植物間傳播，并相互影響，使植物之間的“通訊”成為可能。

此前，有研究人員利用叢枝菌根真菌，連接兩棵相鄰的番茄植株，搭起菌絲網(wǎng)絡(luò)，并對其中一株番茄接種早疫病菌。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這會導(dǎo)致另外一株健康番茄植物中抗病相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平和抗病相關(guān)酶的活性升高。其中，菌絲網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)了傳遞病原體防御相關(guān)移動信號的管道。

“總的來說，菌絲網(wǎng)絡(luò)連接諸多植物，把受脅迫的系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)移給其他植物，從而激活防御機(jī)制。”吳建強(qiáng)說，這是令人著迷的問題，但哪些植物可以通過菌絲網(wǎng)絡(luò)傳遞移動的長途信號？這些信號產(chǎn)生和調(diào)控的機(jī)制是什么？植物能否展開雙向“通信”？對這些問題，人們還知之甚少，有待進(jìn)一步探秘。

基礎(chǔ)研究應(yīng)用于農(nóng)業(yè)尚待時日

植物間由寄生植物的吸器或菌絲網(wǎng)絡(luò)傳遞信號并改變植物生長發(fā)育的事實，正日漸明晰。隨著研究的深入與成果的積累，科學(xué)家開始思考：這一切，是否能應(yīng)用于農(nóng)林發(fā)展和病蟲害綠色防治中呢？

此前，吳建強(qiáng)團(tuán)隊通過抗蟲表型分析、激素及次生代謝物檢測、轉(zhuǎn)錄組和代謝組關(guān)聯(lián)分析，揭示了多個基因在植物系統(tǒng)性抗蟲中的作用機(jī)理，解析了植物系統(tǒng)性抗蟲響應(yīng)的機(jī)制。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，玉米等大多數(shù)作物都會長叢枝菌根真菌。吳建強(qiáng)告訴記者，很多時候，叢枝菌根真菌能幫植物獲得氮和磷?？茖W(xué)家已經(jīng)著手進(jìn)行相關(guān)研究，希望通過人工合成等方式，改變作物與叢枝菌根真菌互作的強(qiáng)度，以提高作物的抗性和產(chǎn)量。

為了對付蚜蟲，大豆會在葉片上生產(chǎn)出多種揮發(fā)物。這種效應(yīng)不僅發(fā)生在受蚜蟲取食的大豆植株上，也發(fā)生在菌絲網(wǎng)絡(luò)連接的健康大豆中，這表明，某些移動信號已傳遞給更多“小伙伴”御敵。同樣，棉鈴蟲攝食誘導(dǎo)的系統(tǒng)信號也能通過菌絲網(wǎng)絡(luò)，從受昆蟲侵害的番茄植株傳播到其他植株，這些信號無一例外地增強(qiáng)了信號受體植物的抗性。未來，這些發(fā)現(xiàn)或可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

◎ 來源|科技日報