植物通過“口令”決定是戰(zhàn)是和 聽懂植物語言促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

遇到家族親屬，會(huì)親切地打個(gè)招呼，還會(huì)協(xié)調(diào)關(guān)系避免“窩里斗”;遇到競爭對(duì)手，則迅速地發(fā)出威脅警告，并釋放毒素抑制對(duì)方生長。

這是人還是某種動(dòng)物?都不是!能做出這些反應(yīng)的是那些我們平時(shí)看上去仿佛很安靜的植物。在看不見的地下，植物的世界遠(yuǎn)比我們想象中熱鬧。

最近，一項(xiàng)由中、德、英3國學(xué)者共同參與的最新研究發(fā)現(xiàn)，相鄰植物可以通過根部釋放的化學(xué)物質(zhì)互相“對(duì)話”。這種由化學(xué)物質(zhì)主導(dǎo)的“交流”，可以改變植物生長的微環(huán)境，調(diào)節(jié)養(yǎng)分供給，甚至影響產(chǎn)量。

從根部釋放化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行“交流”

領(lǐng)導(dǎo)這一研究的中國科學(xué)院南京土壤研究所研究員孫波介紹，植物根系從土壤中汲取生長所需的養(yǎng)分，同時(shí)也釋放化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)改變了原本土壤里的水、氣、生物等微環(huán)境，這些改變很可能對(duì)周圍其他植物也造成影響。此次，科研團(tuán)隊(duì)選取了中國南方耕地經(jīng)常相鄰種植的花生和木薯，來具體研究植物間的化學(xué)信號(hào)怎樣相互影響。

研究發(fā)現(xiàn)，木薯能從根部向土壤中釋放出一系列液態(tài)和氣態(tài)的氰化物，而附近的花生接收到這種信號(hào)后，能夠釋放相應(yīng)的氣態(tài)分子乙烯，在乙烯影響下，花生植株會(huì)主動(dòng)縮減地面植株的繁茂程度，優(yōu)先保證果實(shí)的養(yǎng)分供給。同時(shí)，乙烯還能作為“召集信號(hào)”，聚集土壤中的有益微生物到花生根部，提高氮、磷等有效養(yǎng)分的吸收率，以進(jìn)一步提高花生果實(shí)的飽滿程度和產(chǎn)量。

“這項(xiàng)研究告訴我們，植物根部釋放的化學(xué)物質(zhì)，或許是不同植物間‘交流對(duì)話’的關(guān)鍵。”孫波說。

其實(shí)除了釋放化學(xué)物質(zhì)外，研究者還發(fā)現(xiàn)，植物可以通過物理信號(hào)包括電信號(hào)、聲波信號(hào)等進(jìn)行交流。

西澳大利亞大學(xué)的生物學(xué)家莫妮卡·加利亞諾博士曾經(jīng)做過一次實(shí)驗(yàn)，將羅勒栽植到胡椒附近，胡椒的長勢就會(huì)變得更好，即便用一層塑料布把二者隔開，胡椒依然能保持這種變化。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)后研究人員認(rèn)為，這是植物細(xì)胞內(nèi)納米力學(xué)水平的聲信號(hào)在發(fā)揮著作用。來自英國布里斯托大學(xué)的研究人員還曾證實(shí)，花朵能夠發(fā)出微弱的電信號(hào)，表示已經(jīng)有蜜蜂來采過蜜了。

不同植物之間的交流，甚至可以在第三方的幫助下進(jìn)行，而這位被科學(xué)家識(shí)破身份的“送信使者”，就是我們熟知的菟絲子。菟絲子這種寄生植物，會(huì)纏繞在植物的莖上，從接觸宿主的部位伸出尖刺，戳入宿主直達(dá)韌皮部。中國科學(xué)院昆明植物研究所的一項(xiàng)研究證實(shí)，它不僅外形酷似“電話線”，在不同宿主間也能起到“通信渠道”的作用。當(dāng)昆蟲侵害一個(gè)宿主的時(shí)候，這個(gè)宿主能產(chǎn)生一個(gè)抗蟲信號(hào)，喚醒自身的防御機(jī)制，通過菟絲子這個(gè)渠道，這個(gè)抗蟲信號(hào)能夠被傳輸?shù)狡渌乃拗髦参?，令這些植物提起戒備，開始增強(qiáng)抗蟲能力。

通過“口令”決定是戰(zhàn)是和

除了進(jìn)行“交流”之外，植物還能通過感知“鄰居”的“信息”來決定是否要對(duì)其發(fā)起攻擊。

植物在什么情況下會(huì)對(duì)臨近植物“出手”呢?為了弄明白這個(gè)問題，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院教授孔垂華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用了7年時(shí)間，從植物的根系入手進(jìn)行研究，最終揭開了這層神秘面紗。

他們把小麥種植在營養(yǎng)液里，并通過樹脂收集液體中的各種化學(xué)物質(zhì)，再一一進(jìn)行分析。通過這種方法對(duì)小麥根系分泌物進(jìn)行活性追蹤分離，孔垂華團(tuán)隊(duì)得到了4個(gè)已知化合物，分別為茉莉酸、水楊酸、黑麥草內(nèi)酯以及木犀草素。同時(shí)，他們選取了自然界中常出現(xiàn)在小麥附近的大狼杷草、野燕麥、節(jié)節(jié)草等100種伴生植物，然后分別對(duì)它們的根部、根系分泌物和根際土進(jìn)行了分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，這些植物根部、根系分泌物和根際土壤中都含有小麥根系分泌物中所含的前3種物質(zhì)，其中特別是黑麥草內(nèi)酯和茉莉酸，在較低濃度下就能極大程度地誘導(dǎo)小麥根系化感物質(zhì)DIMBOA濃度的升高。而DIMBOA這種物質(zhì)在小麥抗菌、抗蟲和防御雜草等方面都具有重要作用。

也就是說，黑麥草內(nèi)酯和茉莉酸可以看做是小麥辨認(rèn)其伴生植物的“信號(hào)”，通過感知這些化學(xué)物質(zhì)的濃度，小麥就能判斷對(duì)方的存在。如果周圍的伴生植物達(dá)到了一定的密度，開始威脅到小麥的水分和養(yǎng)分吸收，小麥就會(huì)開始大量分泌DIMBOA抑制其生長，就像是拿起武器發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭。

隨后，孔垂華和研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)水稻的研究進(jìn)一步證實(shí)，有親緣關(guān)系的水稻種植在一起，根系會(huì)盡量小心翼翼地避開彼此，從而最大程度減少競爭，而且不論是否存在與稗草的種間競爭，水稻與“親屬”之間的這種“關(guān)照”都會(huì)存在;而非親緣關(guān)系的水稻種植在一起結(jié)果則相反，它們的根系會(huì)扎得更深，更具活力和侵入性，力圖擠壓對(duì)方的生存空間。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在根系分泌物抑制劑作用下，或者完全阻斷根系物質(zhì)交流后，這種親緣識(shí)別現(xiàn)象就會(huì)隨之消失。

“這與人或動(dòng)物的家族關(guān)系非常一致，親人之間大多是相互關(guān)照，而對(duì)外人則保持警惕和防范。”孔垂華用確鑿的證據(jù)表明，植物也有親屬觀念并具備相應(yīng)的辨識(shí)能力，對(duì)內(nèi)相互協(xié)調(diào)，對(duì)外擴(kuò)張領(lǐng)土。

聽懂植物語言促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

破譯植物語言、搞清植物親疏并不是因?yàn)榭茖W(xué)家們太“八卦”，促進(jìn)生產(chǎn)才是科學(xué)研究的終極意義。

孫波說：“搞清這些‘對(duì)話’如何進(jìn)行，就有機(jī)會(huì)解開更多植物的‘生長密碼’，也能幫助人類更加科學(xué)有效地種植農(nóng)作物。”

以禾本科植物為例，它們所釋放的次生代謝物質(zhì)諸如DIMBOA之類，不僅能抑制競爭對(duì)手的生長，同時(shí)也會(huì)使自己的果實(shí)產(chǎn)量下降。此外，如果周圍生存所需的資源有限，有些植物甚至?xí)尫哦舅貧⑺酪徊糠滞悾跃S持家族生態(tài)平衡。因此，科學(xué)家斷定，通過監(jiān)測植物的“化學(xué)對(duì)話”，能有效幫助把植物次生代謝物質(zhì)的產(chǎn)生與作物產(chǎn)量維持在一個(gè)平衡點(diǎn)。

孔垂華也認(rèn)為，解開植物交流的密碼，不僅對(duì)植物生態(tài)研究具有重大的理論價(jià)值，對(duì)農(nóng)作物種植和環(huán)境保護(hù)也會(huì)起到很大的幫助作用，比如可以利用植物這種特性，將適宜合種的植物相鄰種植，以便增加農(nóng)作物產(chǎn)量，或者減少除草劑使用。

現(xiàn)在已經(jīng)有科學(xué)家對(duì)此開始進(jìn)行實(shí)踐了。德國波恩大學(xué)的研究者在對(duì)植物發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行測定后，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)場配置了合適的“竊聽”裝置，通過這些信號(hào)農(nóng)民就能夠辨別作物是否出現(xiàn)了病蟲害。

科學(xué)家還利用植物對(duì)其“敵對(duì)者”釋放的化學(xué)物質(zhì)，成功研制出可以有效抑制病害的生物農(nóng)藥。以煙草花葉病毒為例，這種病毒可感染的植物高達(dá)500多種。中國科學(xué)院昆明植物研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，云南的某種野生植物，在遇到攜帶這種病毒的植物時(shí)，會(huì)大量分泌出一種次生代謝物，并能有效抵御這種病毒的攻擊。他們根據(jù)從植物馬藍(lán)提取物中分離得到的活性成分，成功研制了一種新型生物農(nóng)藥，不僅能有效防治煙草花葉病毒傳染，還最大限度地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。(記者 張 曄)

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