作者:赵汉斌 来源:科技日报 发布时间:2023/4/18 9:35:54
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地上地下搭起“通讯网” 植物间交流无处不在

 

自然界中,植物并不是孤立存在的,而是经常与其他生物产生形式各异的互动。植物间通过地上和地下部分产生的挥发物以及利用根际分泌物进行交流互作,对此,科学家已进行了深入研究。

日前,中国科学院昆明植物研究所研究员吴建强团队受邀在国际期刊《植物生物学综述年刊》上发表了关于植物间“通讯”的综述文章。

一系列研究表明,寄生植物与寄主间可以进行物质与信号交流;此外,丛枝菌根真菌的菌丝也能在地下连接各种植物根系,形成庞大的菌根网络,在不同宿主植物间传递信号与物质。

寄生植物搭起地上有线“通讯网”

植物没有“大脑”,也不能移动,但在长期演化过程中,它们拥有的能力远比人们以为的复杂得多。而人们对其超强“通讯”能力的认识,还在起步阶段。

吴建强带领的植物与其他生物互作化学生态学攻关团队,长期从事植物间的相互作用研究。

“植食性昆虫的取食是植物生存面临的重要威胁之一 。”吴建强介绍,在生物协同演进过程中,植物拥有复杂多样的抵御昆虫取食的策略,包括精妙的信号传导系统和多种多样的植物抗虫次生代谢产物。

此前,吴建强团队首次提出寄生植物菟丝子与寄主植物可以形成“菟丝子连接的植物微群体”的生态学概念,并以此为研究模型,开展了一系列创新研究。

菟丝子是专性茎寄生植物,不能进行光合作用,萌发后,必须尽快寄生在宿主身上才能生存。

“在长期演化过程中,菟丝子特化出‘剥削’寄主的器官——吸器,通过吸器与寄主的维管组织连接,形成物质交流的通道。”前述论文共同第一作者、昆明植物研究所博士申国境介绍,转录组学研究表明,菟丝子和寄主在正常生长状态下,存在着上千个信使RNA的交流,而且在转运中,可能作为一种长距离运输信号,发挥生物学功能。

“菟丝子通过自身的维管束,可以与寄主交流,也可以在不同寄主间转运信号、水分、无机盐和有机营养物质,就像搭桥一样,维管束通道是一个复杂的系统。”吴建强说,菟丝子像“有线连接”一样,很稳定,与挥发物或根系分泌物传递“无线”信号不同,它能够稳定地传导信号和物质,从而调动寄主植物产生生理变化。具体来说,菟丝子能够传递有生态学效应的抗虫系统性信号、盐胁迫系统性信号、氮素营养缺乏诱导的系统性信号等。

丛枝菌根真菌无声勾连地下“通讯网”

丛枝菌根真菌是一类与植物共生的土壤真菌,因其侵入植物根系形成丛枝状结构而得此名。

“地球上约70%—90%的陆生植物,能与丛枝菌根真菌形成互作。”吴建强介绍,丛枝菌根真菌在细胞间生长,在植物根皮质细胞中形成高度分枝的树状结构。根外菌丝从土壤中吸收、转运磷和氮等,然后卸载到植物根部。

因此,这类真菌促进了植物对需求最盛的磷和氮的吸收;反过来,植物也可为真菌提供糖和脂质营养物质。丛枝菌根真菌并不“专情”于一株植物,而是同时“勾搭”相邻的不同植物,通过连接不同宿主的根系形成共生关系。

“这是一个新的研究方向,为了解生物间的相互作用提供了丰富的信息和崭新的视角。” 论文共同第一作者、昆明植物研究所博士张井雄说,越来越多的证据表明,和地表寄生植物与寄主间传递信号类似,复杂的信号同样可以通过菌丝网络在植物间传播,并相互影响,使植物之间的“通讯”成为可能。

此前,有研究人员利用丛枝菌根真菌,连接两棵相邻的番茄植株,搭起菌丝网络,并对其中一株番茄接种早疫病菌。科学家们发现,这会导致另外一株健康番茄植物中抗病相关基因转录水平和抗病相关酶的活性升高。其中,菌丝网络充当了传递病原体防御相关移动信号的管道。

“总的来说,菌丝网络连接诸多植物,把受胁迫的系统信号转移给其他植物,从而激活防御机制。”吴建强说,这是令人着迷的问题,但哪些植物可以通过菌丝网络传递移动的长途信号?这些信号产生和调控的机制是什么?植物能否展开双向“通信”?对这些问题,人们还知之甚少,有待进一步探秘。

基础研究应用于农业尚待时日

植物间由寄生植物的吸器或菌丝网络传达信号,并改变植物生长发育的事实,正日渐明晰。随着研究的深入与成果的积累,科学家开始思考:这一切,是否能应用于农林发展和病虫害绿色防治中呢?

此前,吴建强团队通过抗虫表型分析、激素及次生代谢物检测、转录组和代谢组关联分析,揭示了多个基因在植物系统性抗虫中的作用机理,解析了植物系统性抗虫响应的机制。

桃蚜是栽培型作物的主要害虫,可以取食菟丝子。“我们首次发现在桃蚜—寄生植物—寄主植物三者之间存在跨界的双向信使RNA信息交流,这意味着抗虫性信号从菟丝子传递到黄瓜叶和根中,导致后者对桃蚜取食产生了抗虫响应。”吴建强说。

在农业生产中,玉米等大多数作物都会长丛枝菌根真菌。吴建强告诉记者,很多时候,丛枝菌根真菌能帮植物获得氮和磷。科学家已经着手进行相关研究,希望通过人工合成等方式,改变作物与丛枝菌根真菌互作的强度,以提高作物的抗性和产量。

“除了植物内部的信号传输,上述‘通讯’网络也能传递和食草动物相关的移动信号。”申国境介绍,植物能感知环境因素,如水、光、营养物质可用性以及来自昆虫和病原体的攻击,并利用局部和系统的信号通路,调整成长和抗逆生理响应。

为了对付蚜虫,大豆会在叶片上生产出多种挥发物。这种效应不仅发生在受蚜虫取食的大豆植株上,也发生在菌丝网络连接的健康大豆中,这表明,某些移动信号已传递给更多“小伙伴”御敌。同样,棉铃虫摄食诱导的系统信号也能通过菌丝网络,从受昆虫侵害的番茄植株传播到其他植株,这些信号无一例外地增强了信号受体植物的抗性。未来,这些发现或可用于农业生产。

 
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