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(dòng)。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，對(duì)此，科學(xué)家已進(jìn)行了深入研究。
日前，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所研究員吳建強(qiáng)團(tuán)隊(duì)受邀在國(guó)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。
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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(hào)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(hào)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(dòng)，但在長(zhǎng)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(duì)其超強(qiáng)“通訊”能力的認(rèn)識(shí)，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(duì)，長(zhǎng)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(hào)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(duì)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(zhǎng)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。”前述論文共同第一作者、昆明植物研究所博士申國(guó)境介紹，轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，菟絲子和寄主在正常生長(zhǎng)狀態(tài)下，存在著上千個(gè)信使RNA的交流，而且在轉(zhuǎn)運(yùn)中，可能作為一種長(zhǎng)距離運(yùn)輸信號(hào)，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(yùn)信號(hào)、水分、無機(jī)鹽和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，就像搭橋一樣，維管束通道是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。”吳建強(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(hào)不同，它能夠穩(wěn)定地傳導(dǎo)信號(hào)和物質(zhì)，從而調(diào)動(dòng)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(hào)、鹽脅迫系統(tǒng)性信號(hào)、氮素營(yíng)養(yǎng)缺乏誘導(dǎo)的系統(tǒng)性信號(hào)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。”吳建強(qiáng)介紹，叢枝菌根真菌在細(xì)胞間生長(zhǎng)，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(yùn)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(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。叢枝菌根真菌并不“專情”于一株植物，而是同時(shí)“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(gè)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。” 論文共同第一作者、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(hào)類似，復(fù)雜的信號(hào)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(duì)其中一株番茄接種早疫病菌。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這會(huì)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(dòng)信號(hào)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(hào)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(dòng)的長(zhǎng)途信號(hào)？這些信號(hào)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(duì)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(shí)日
植物間由寄生植物的吸器或菌絲網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)信號(hào)，并改變植物生長(zhǎng)發(fā)育的事實(shí)，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(duì)通過抗蟲表型分析、激素及次生代謝物檢測(cè)、轉(zhuǎn)錄組和代謝組關(guān)聯(lián)分析，揭示了多個(gè)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。
桃蚜是栽培型作物的主要害蟲，可以取食菟絲子。“我們首次發(fā)現(xiàn)在桃蚜—寄生植物—寄主植物三者之間存在跨界的雙向信使RNA信息交流，這意味著抗蟲性信號(hào)從菟絲子傳遞到黃瓜葉和根中，導(dǎo)致后者對(duì)桃蚜取食產(chǎn)生了抗蟲響應(yīng)。”吳建強(qiáng)說。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，玉米等大多數(shù)作物都會(huì)長(zhǎng)叢枝菌根真菌。吳建強(qiáng)告訴記者，很多時(shí)候，叢枝菌根真菌能幫植物獲得氮和磷。科學(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。
“除了植物內(nèi)部的信號(hào)傳輸，上述‘通訊’網(wǎng)絡(luò)也能傳遞和食草動(dòng)物相關(guān)的移動(dòng)信號(hào)。”申國(guó)境介紹，植物能感知環(huán)境因素，如水、光、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可用性以及來自昆蟲和病原體的攻擊，并利用局部和系統(tǒng)的信號(hào)通路，調(diào)整成長(zhǎng)和抗逆生理響應(yīng)。
為了對(duì)付蚜蟲，大豆會(huì)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(dòng)信號(hào)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(hào)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(hào)無一例外地增強(qiáng)了信號(hào)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)。
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