一根網(wǎng)線串起家中的智能設(shè)備，讓它們可以在網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)。在自然界，植物之間也有這樣的“網(wǎng)線”，可以讓兩個(gè)甚至多個(gè)植物互聯(lián)，傳遞信號(hào)。
這種可當(dāng)作“網(wǎng)線”的植物就是菟絲子。最近，這項(xiàng)研究成果刊登在《美國國家科學(xué)院院刊》上。
傳遞生物信號(hào)
菟絲子是一種全寄生植物，因?yàn)槠洳缓蛘吆袠O少的葉綠素，所以無法或極少進(jìn)行光合作用為自己提供營養(yǎng)，只能通過吸取其他植物的營養(yǎng)而存活。
“菟絲子是一種莖寄生植物，它‘扎根’在其他植物的莖中。而且，它經(jīng)常會(huì)同時(shí)寄生幾個(gè)植物。”該項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院昆明植物研究所吳建強(qiáng)博士告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。為了更好地汲取養(yǎng)分，所有寄生植物都具備一個(gè)特殊的器官——吸器，并將其與寄主的維管束組織形成連接，從寄主獲取營養(yǎng)、水分等生長(zhǎng)所需物質(zhì)，造成寄主營養(yǎng)的大量流失，進(jìn)而嚴(yán)重影響寄主生長(zhǎng)和繁殖。
只是植物維管束中傳遞的不僅是營養(yǎng)成分，還有生物電。早在100多年前，科學(xué)家就在受到機(jī)械刺激的捕蠅草裂片的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)存在動(dòng)作電位，并提出電位的傳遞速度與環(huán)境溫度有較高相關(guān)性。
后來，在葡萄、錫蘭蓮、絲瓜等植物中，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)存在動(dòng)作電位的產(chǎn)生與傳遞。這些發(fā)現(xiàn)開啟了植物電信號(hào)在生理情報(bào)領(lǐng)域中研究應(yīng)用的序幕。
上世紀(jì)70年代，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)植物存在系統(tǒng)性響應(yīng)，這種響應(yīng)是當(dāng)植物被昆蟲“攻擊”時(shí)，除了被取食的葉片或組織產(chǎn)生抗蟲響應(yīng)，其他未被損傷的葉片或組織也能夠有類似的響應(yīng)。這說明有一種或多種信號(hào)從被昆蟲取食的葉片或者組織移動(dòng)到植物的其他部位，誘導(dǎo)抗蟲響應(yīng)。
那么這種信號(hào)傳遞是否會(huì)被吸取營養(yǎng)的菟絲子捕捉到？“最開始，我們提出一種假說，就是菟絲子在通過維管束吸取營養(yǎng)時(shí)，也從中接收到植物傳遞的信號(hào)，并且將這種信號(hào)傳遞給其他寄主?！眳墙◤?qiáng)解釋說。
吳建強(qiáng)和同事們選取擬南芥、大豆和野生番茄等作為寄主，在不斷嘗試讓菟絲子成功寄生后，發(fā)現(xiàn)菟絲子確實(shí)充當(dāng)了“通信渠道”。在實(shí)驗(yàn)室搭建的生態(tài)微群落中，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)昆蟲取食一個(gè)寄主的時(shí)候，這個(gè)寄主能夠產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)不但能夠誘導(dǎo)被取食植物的抗蟲性，而且通過菟絲子這個(gè)渠道，能夠被傳輸?shù)狡渌募闹髦参?，同樣增?qiáng)這些植物的抗蟲能力。
雖然目前沒有研究確定移動(dòng)信號(hào)到底是什么，但在吳建強(qiáng)的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員證實(shí)，一種叫作茉莉酸的植物激素在這個(gè)“交流”過程中起到了非常重要的作用?！败岳蛩嵯袷莻€(gè)將軍，對(duì)這個(gè)移動(dòng)信號(hào)有重要調(diào)控作用?！眳墙◤?qiáng)補(bǔ)充道。
而且，茉莉酸能夠傳遞到至少一米遠(yuǎn)的寄主，誘導(dǎo)其進(jìn)行抗蟲響應(yīng)。通過測(cè)定發(fā)現(xiàn)，這個(gè)信號(hào)的傳遞速度大約是兩個(gè)小時(shí)一米?！斑@種速度對(duì)于人來講是非常緩慢的，但是對(duì)于植物而言，接收到這種信號(hào)就像是被通風(fēng)報(bào)信，能提前得知附近有昆蟲取食而作出抗蟲準(zhǔn)備?！眳墙◤?qiáng)說。當(dāng)然，植物的抗蟲表現(xiàn)各異，“煙草中的尼古丁就是天然的抗蟲化合物，對(duì)昆蟲有很強(qiáng)的毒性。很多植物還產(chǎn)生蛋白酶抑制劑，能夠抑制昆蟲腸道中的消化酶的活性”，吳建強(qiáng)說。
菟絲子之后是列當(dāng)
其實(shí)，吳建強(qiáng)在德國馬普所學(xué)習(xí)工作期間，從事的是昆蟲與植物相互作用的研究?！氨热缋ハx取食植物時(shí)，植物如何對(duì)抗。”吳建強(qiáng)介紹道，“后來看到了植物間作用的論文，進(jìn)而想到寄生植物可能傳遞信號(hào)，回國之后，我馬上著手開始了研究?！?/span>
“寄生植物并不只菟絲子一種，我們選擇菟絲子第一是因?yàn)樗鼘儆谇o寄生植物，對(duì)比根寄生植物，菟絲子更容易操作和觀察。其次是因?yàn)檩私z子的基因組較小，比較容易測(cè)序，并且容易進(jìn)一步研究其吸器的形成與進(jìn)化?！眳墙◤?qiáng)解釋道，“而且，生物學(xué)中，植物有很多信號(hào)傳導(dǎo)，除了抗蟲還有抗病、抗旱等系統(tǒng)性信號(hào)。那么菟絲子是否可以傳遞所有的信號(hào)？其生態(tài)學(xué)意義是什么？”
現(xiàn)在，吳建強(qiáng)與同事們還開始進(jìn)行列當(dāng)?shù)难芯?。列?dāng)對(duì)于人類來說也是“臭名昭著”的寄生植物，而且其從根部寄生，令寄主失去營養(yǎng)。
比如我國內(nèi)蒙古和新疆等地區(qū)的農(nóng)作物就受到列當(dāng)影響，造成農(nóng)作物減產(chǎn)。“目前研究列當(dāng)?shù)哪康?，是希望了解?dāng)寄主受到生物或非生物因素脅迫時(shí)，系統(tǒng)性信號(hào)進(jìn)入列當(dāng)，是否會(huì)對(duì)列當(dāng)也產(chǎn)生影響，這樣的反應(yīng)是否會(huì)具有生態(tài)學(xué)意義？”吳建強(qiáng)說。
換個(gè)角度看“寄生”
談及寄生植物，特別是寄生在農(nóng)作物上的植物，對(duì)于人類來說都是需要對(duì)抗甚至被消滅的。但實(shí)際上，不論人類如何不喜歡寄生植物，它們依然頑強(qiáng)地生存在世界上。
“不得不承認(rèn)的是，寄生是一種成功的生存方式，是特殊的生命現(xiàn)象，在自然界中具有一定的生態(tài)位。”吳建強(qiáng)解釋說，“這也是因?yàn)檩私z子等寄生植物本身的基因進(jìn)化遠(yuǎn)比其他植物更快?！?/span>
對(duì)菟絲子的研究，讓吳建強(qiáng)意識(shí)到從人類角度看上去“不好”的植物，在植物之間卻也能產(chǎn)生一定正面的意義?！爱?dāng)然，菟絲子在寄主之間傳遞信號(hào)的作用，不能抵消其對(duì)于寄主的傷害。但我們的研究也提醒，需要從多個(gè)角度看植物之間的作用。”
為了更好地完成研究，吳建強(qiáng)甚至查閱了關(guān)于寄生蟲的論文，并在論文最后引用了其中的一些內(nèi)容?！凹纳x雖然令醫(yī)生頭疼，但是某些寄生蟲卻可以抑制寄主的免疫系統(tǒng)對(duì)自身的攻擊，從而緩解某些自身免疫性疾病的癥狀?！眳墙◤?qiáng)表示。當(dāng)然，這并不意味著就需要人們培養(yǎng)寄生蟲解決免疫系統(tǒng)的問題，相反，科學(xué)家可以從中找到相關(guān)機(jī)理，提取有效成分，進(jìn)而達(dá)到治療疾病的目的。而這在植物界亦是同理。
“我們這個(gè)研究利用創(chuàng)新點(diǎn)，從新的生態(tài)學(xué)現(xiàn)象揭示寄生植物與寄主間的互作關(guān)系，或許可以從另一個(gè)角度帶來啟示，為之后的對(duì)抗寄生植物的研究以及植物抗病、抗蟲等研究提供新的思路?！眳墙◤?qiáng)總結(jié)道。
《中國科學(xué)報(bào)》 (2017-09-01 第3版 科普) 本報(bào)記者 袁一雪
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