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日本科學家首次看到植物受威脅時發出警告
日本的科學家似乎致力於解開禪機。一棵樹倒在森林裡﹐周圍沒有人聽到它的聲音﹐但是它確實會發出聲音﹐或者更確切地說﹐是一種氣味。通過深入地探索植物隱祕的交流方式﹐埼玉大學(Saitama University)的研究人員直觀地目睹了受壓和受傷的植物發給周圍植物的「警告」信號。在受傷後的幾秒鐘內﹐它們會向空氣中散發出一種化合物的細霧﹐向其它植物發出信號﹐以增強鄰居的防禦能力。
自1980年代初以來﹐科學家們已經知道植物之間存在相互作用﹐他們將這種相互作用稱為「植物竊聽」(plant eavesdroppin)。人為破壞﹐或被食草動物(如昆蟲)破壞的植物會釋放出能被附近其它植物感知的揮發性有機化合物(VOC)。錫特卡柳樹和楊樹在暴露於揮發性有機化合物時會表現出抗食草動物的特性。其它30種植物也是如此﹐例如利馬豆﹑菸草﹑番茄﹑鼠尾草和擬南芥。
但直到最近﹐這種信號都一直沒有被實時看到﹐更不用說記錄在視頻中了。埼玉大學教授豊田正嗣(Masatsugu Toyota)和他的團隊領導了一項研究﹐將擬南芥(一種芥菜植物)暴露於兩種類型的VOC——(Z)-3-己烯醛和(E)-2-己烯醛中﹐二者都是六碳醛。這些六碳醛也被稱為綠葉揮發物(GLV)﹐會散發出刺鼻的草味。這不是一個自然的設置。關在瓶子裡的毛毛蟲咬食從番茄植株上切下的葉子﹐然後實驗人員檢查氣體含量﹐再將所得到的氣體用泵送到受體植物中﹐將其浸泡在揮發性化合物中。
「我們搭建了設備﹐將毛毛蟲咬過的植物排放的揮發性有機化合物﹐用泵送到未受損的鄰近植物上﹐並將其與寬視場實時螢光成像系統相結合。」該研究的資深作者﹑分子生物學家豐田在一份同行評審的文章中說。「除了昆蟲攻擊外﹐人工粉碎的葉子釋放的揮發性有機化合物在未受損的鄰近植物中﹐也能誘導(鈣離子)信號。」。
實驗所用的擬南芥經過基因改造﹐某些細胞含有螢光蛋白傳感器。當植物的防禦機制由暴露於揮發性化合物觸發時﹐螢光蛋白傳感器可以使研究人員觀察到綠色的螢光在植物展開的葉子上蕩漾。螢光傳感器可以檢測已知的應激反應。鈣離子信號不僅與植物細胞的應激感知有關﹐而且與人類的應激感知有關。現在﹐這些鈣信號﹐對其它植物的警告信號﹐可以被實時目睹。
研究人員特別在植物的保衛細胞﹑葉肉細胞和表皮細胞中設計了蛋白質傳感器﹐這些傳感器提供了哪些細胞會首先做出反應的線索。在植物的表面﹐保衛細胞是形成氣孔的豆形細胞﹐這是植物內部向空氣開放的微小孔隙﹐使植物能夠「呼吸」。葉肉細胞由植物的內部組織組成﹐而表皮細胞就像植物的皮膚細胞一樣﹐形成外部組織。
研究人員使用螢光顯微鏡觀察到﹐在暴露於危險信號後大約一分鐘內﹐保衛細胞發出了「警告」信號。葉肉細胞在這之後做出了反應。進一步的實驗將植物的氣孔分離﹐然後用脫落酸(一種植物激素)對植物進行預處理﹐這種預處理有效地關閉了植物的氣孔﹐而這大大降低了鈣信號傳導。「植物沒有『鼻子』﹐但氣孔是植物的門戶﹐可以讓GLV快速進入葉片組織的間隙。」豐田說。
然後﹐實驗人員用相同的脫落酸預處理突變的植物﹐這種突變使氣孔的閉合受損﹐這一次植物產生了正常的綠色光芒。突變的「鼻孔」保持張開﹐儘管有植物激素預處理﹐但植物還是發出了警告信號。「我們終於揭開了這個錯綜複雜的故事﹐即植物何時﹑何地﹐以及如何對來自受威脅鄰居的空中『警告』做出反應。」豐田說。
「這個隱藏在我們視線之外的虛無縹緲的通信網絡在及時保護鄰近植物免受迫在眉睫的威脅方面發揮著關鍵作用。
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