日本科学家首次看到植物受威胁时发出警告

Daphane

來源:大纪元



研究人员发现，受压和受伤的植物会发给周围的植物“警告”信号。（由Masatsugu T., Aratani, Y., Uemura, T., Hagihara, T. 等人提供）

【大纪元2024年01月24日讯】（英文大纪元记者Michael Wing报导／赵孜济编译）日本的科学家似乎致力于解开禅机。一棵树倒在森林里，周围没有人听到它的声音，但是它确实会发出声音，或者更确切地说，是一种气味。

通过深入地探索植物隐秘的交流方式，埼玉大学（Saitama University）的研究人员直观地目睹了受压和受伤的植物发给周围植物的“警告”信号。在受伤后的几秒钟内，它们会向空气中散发出一种化合物的细雾，向其它植物发出信号，以增强邻居的防御能力。

自1980年代初以来，科学家们已经知道植物之间存在相互作用，他们将这种相互作用称为“植物窃听”（plant eavesdroppin）。人为破坏，或被食草动物（如昆虫）破坏的植物会释放出能被附近其它植物感知的挥发性有机化合物（VOC）。锡特卡柳树和杨树在暴露于挥发性有机化合物时会表现出抗食草动物的特性。其它30种植物也是如此，例如利马豆、烟草、番茄、鼠尾草和拟南芥。

图A：实验设置；图B：拟南芥中的钙离子的变化；图C：钙离子特征的定量。（由 Masatsugu T.,Aratani, Y.,Uemura,T.,Hagihara,T.等人提供）

但直到最近，这种信号都一直没有被实时看到，更不用说记录在视频中了。埼玉大学教授豊田正嗣（Masatsugu Toyota）和他的团队领导了一项研究，将拟南芥（一种芥菜植物）暴露于两种类型的VOC——（Z）-3-己烯醛和（E）-2-己烯醛中，二者都是六碳醛。这些六碳醛也被称为绿叶挥发物（GLV），会散发出刺鼻的草味。

这不是一个自然的设置。关在瓶子里的毛毛虫咬食从番茄植株上切下的叶子，然后实验人员检查气体含量，再将所得到的气体用泵送到受体植物中，将其浸泡在挥发性化合物中。

“我们搭建了设备，将毛毛虫咬过的植物排放的挥发性有机化合物，用泵送到未受损的邻近植物上，并将其与宽视场实时荧光成像系统相结合。”该研究的资深作者、分子生物学家丰田在一份同行评审的文章中说。

“除了昆虫攻击外，人工粉碎的叶子释放的挥发性有机化合物在未受损的邻近植物中，也能诱导（钙离子）信号。”

实验所用的拟南芥经过基因改造，某些细胞含有荧光蛋白传感器。当植物的防御机制由暴露于挥发性化合物触发时，荧光蛋白传感器可以使研究人员观察到绿色的荧光在植物展开的叶子上荡漾。

荧光传感器可以检测已知的应激反应。钙离子信号不仅与植物细胞的应激感知有关，而且与人类的应激感知有关。现在，这些钙信号，对其它植物的警告信号，可以被实时目睹。

研究人员特别在植物的保卫细胞、叶肉细胞和表皮细胞中设计了蛋白质传感器，这些传感器提供了哪些细胞会首先做出反应的线索。

在植物的表面，保卫细胞是形成气孔的豆形细胞，这是植物内部向空气开放的微小孔隙，使植物能够“呼吸”。叶肉细胞由植物的内部组织组成，而表皮细胞就像植物的皮肤细胞一样，形成外部组织。

研究人员Yuri Aratani和Takuya Uemura使用荧光显微镜观察到，在暴露于危险信号后大约一分钟内，保卫细胞发出了“警告”信号。叶肉细胞在这之后做出了反应。

图A：在突变和非突变叶上用脱落酸（ABA）预处理；图B：突变和非突变叶样品上钙离子特征的定量；图C：在突变和非突变叶样品上检测到的最大钙离子变化的比较。（由 Masatsugu T.,Aratani, Y.,Uemura,T.,Hagihara,T.等人提供）

进一步的实验将植物的气孔分离，然后用脱落酸（一种植物激素）对植物进行预处理，这种预处理有效地关闭了植物的气孔，而这大大降低了钙信号传导。

“植物没有‘鼻子’，但气孔是植物的门户，可以让GLV快速进入叶片组织的间隙。”丰田先生说。

然后，实验人员用相同的脱落酸预处理突变的植物，这种突变使气孔的闭合受损，这一次，植物产生了正常的绿色光芒。突变的“鼻孔”保持张开，尽管有植物激素预处理，但植物还是发出了警告信号。

“我们终于揭开了这个错综复杂的故事，即植物何时、何地，以及如何对来自受威胁邻居的空中‘警告’做出反应。”丰田说。

“这个隐藏在我们视线之外的虚无缥缈的通信网络在及时保护邻近植物免受迫在眉睫的威胁方面发挥着关键作用。”

原文“Scientists Film Plants ‘Hearing’ Warnings of Their Neighbors in Real-Time—And the Video Is Amazing”刊于英文《大纪元时报》网站。