自然界中，植物并不是孤立存在的，而是經常與其他生物產生形式各異的互動。植物間通過地上和地下部分產生的揮發(fā)物以及利用根際分泌物進行交流互作，對此，科學家已進行了深入研究。
日前，中國科學院昆明植物研究所研究員吳建強團隊受邀在國際期刊《植物生物學綜述年刊》上發(fā)表了關于植物間“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行物質與信號交流；此外，叢枝菌根真菌的菌絲也能在地下連接各種植物根系，形成龐大的菌根網絡，在不同宿主植物間傳遞信號與物質。
寄生植物搭起地上有線“通訊網”
植物沒有“大腦”，也不能移動，但在長期演化過程中，它們擁有的能力遠比人們以為的復雜得多。而人們對其超強“通訊”能力的認識，還在起步階段。
吳建強帶領的植物與其他生物互作化學生態(tài)學攻關團隊，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 。”吳建強介紹，在生物協(xié)同演進過程中，植物擁有復雜多樣的抵御昆蟲取食的策略，包括精妙的信號傳導系統(tǒng)和多種多樣的植物抗蟲次生代謝產物。
此前，吳建強團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境介紹，轉錄組學研究表明，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，而且在轉運中，可能作為一種長距離運輸信號，發(fā)揮生物學功能。
“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運信號、水分、無機鹽和有機營養(yǎng)物質，就像搭橋一樣，維管束通道是一個復雜的系統(tǒng)。”吳建強說，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)定地傳導信號和物質，從而調動寄主植物產生生理變化。具體來說，菟絲子能夠傳遞有生態(tài)學效應的抗蟲系統(tǒng)性信號、鹽脅迫系統(tǒng)性信號、氮素營養(yǎng)缺乏誘導的系統(tǒng)性信號等。
叢枝菌根真菌無聲勾連地下“通訊網”
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構而得此名。
“地球上約70%—90%的陸生植物，能與叢枝菌根真菌形成互作。”吳建強介紹，叢枝菌根真菌在細胞間生長，在植物根皮質細胞中形成高度分枝的樹狀結構。根外菌絲從土壤中吸收、轉運磷和氮等，然后卸載到植物根部。
因此，這類真菌促進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營養(yǎng)物質。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。” 論文共同第一作者、昆明植物研究所博士張井雄說，越來越多的證據表明，和地表寄生植物與寄主間傳遞信號類似，復雜的信號同樣可以通過菌絲網絡在植物間傳播，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，搭起菌絲網絡，并對其中一株番茄接種早疫病菌。科學家們發(fā)現，這會導致另外一株健康番茄植物中抗病相關基因轉錄水平和抗病相關酶的活性升高。其中，菌絲網絡充當了傳遞病原體防御相關移動信號的管道。
“總的來說，菌絲網絡連接諸多植物，把受脅迫的系統(tǒng)信號轉移給其他植物，從而激活防御機制。”吳建強說，這是令人著迷的問題，但哪些植物可以通過菌絲網絡傳遞移動的長途信號？這些信號產生和調控的機制是什么？植物能否展開雙向“通信”？對這些問題，人們還知之甚少，有待進一步探秘。
基礎研究應用于農業(yè)尚待時日
植物間由寄生植物的吸器或菌絲網絡傳達信號，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，科學家開始思考：這一切，是否能應用于農林發(fā)展和病蟲害綠色防治中呢？
此前，吳建強團隊通過抗蟲表型分析、激素及次生代謝物檢測、轉錄組和代謝組關聯(lián)分析，揭示了多個基因在植物系統(tǒng)性抗蟲中的作用機理，解析了植物系統(tǒng)性抗蟲響應的機制。
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從菟絲子傳遞到黃瓜葉和根中，導致后者對桃蚜取食產生了抗蟲響應。”吳建強說。
在農業(yè)生產中，玉米等大多數作物都會長叢枝菌根真菌。吳建強告訴記者，很多時候，叢枝菌根真菌能幫植物獲得氮和磷。科學家已經著手進行相關研究，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度，以提高作物的抗性和產量。
“除了植物內部的信號傳輸，上述‘通訊’網絡也能傳遞和食草動物相關的移動信號。”申國境介紹，植物能感知環(huán)境因素，如水、光、營養(yǎng)物質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)的信號通路，調整成長和抗逆生理響應。
為了對付蚜蟲，大豆會在葉片上生產出多種揮發(fā)物。這種效應不僅發(fā)生在受蚜蟲取食的大豆植株上，也發(fā)生在菌絲網絡連接的健康大豆中，這表明，某些移動信號已傳遞給更多“小伙伴”御敵。同樣，棉鈴蟲攝食誘導的系統(tǒng)信號也能通過菌絲網絡，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了信號受體植物的抗性。未來，這些發(fā)現或可用于農業(yè)生產。
