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释放化学-来具体研究植物间的化学信号怎样相互影响

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尼日利亚

研究發現,木薯能從根部向土壤中釋放出一系列液態和氣態的氰化物,而附近的花生接收到這種信號后,能夠釋放相應的氣態分子乙烯,在乙烯影響下,花生植株會主動縮減地面植株的繁茂程度,優先保證果實的養分供給。同時,乙烯還能作為「召集信號」,聚集土壤中的有益微生物到花生根部,提高氮、磷等有效養分的吸收率,以進一步提高花生果實的飽滿程度和產量。

隨後,孔垂華和研究團隊通過對水稻的研究進一步證實,有親緣關係的水稻種植在一起,根系會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「關照」都會存在;而非親緣關係的水稻種植在一起結果則相反,它們的根系會扎得更深,更具活力和侵入性,力圖擠壓對方的生存空間。此外,研究人員還發現,在根系分泌物抑製劑作用下,或者完全阻斷根系物質交流后,這種親緣識別現象就會隨之消失。

遇到家族親屬,會親切地打個招呼,還會協調關係避免「窩裡斗」;遇到競爭對手,則迅速地發出威脅警告,並釋放毒素抑制對方生長。

以禾本科植物為例,它們所釋放的次生代謝物質諸如DIMBOA之類,不僅能抑制競爭對手的生長,同時也會使自己的果實產量下降。此外,如果周圍生存所需的資源有限,有些植物甚至會釋放毒素殺死一部分同類,以維持家族生態平衡。因此,科學家斷定,通過監測植物的「化學對話」,能有效幫助把植物次生代謝物質的產生與作物產量維持在一個平衡點。

「這與人或動物的家族關係非常一致,親人之間大多是相互關照,而對外人則保持警惕和防範。」孔垂華用確鑿的證據表明,植物也有親屬觀念並具備相應的辨識能力,對內相互協調,對外擴張領土。

「這項研究告訴我們,植物根部釋放的化學物質,或許是不同植物間『交流對話』的關鍵。」孫波說。

西澳大利亞大學的生物學家莫妮卡·加利亞諾博士曾經做過一次實驗,將羅勒栽植到胡椒附近,胡椒的長勢就會變得更好,即便用一層塑料布把二者隔開,胡椒依然能保持這種變化。經過反覆實驗后研究人員認為,這是植物細胞內納米力學水平的聲信號在發揮着作用。來自英國布里斯託大學的研究人員還曾證實,花朵能夠發出微弱的電信號,表示已經有蜜蜂來採過蜜了。

最近,一項由中、德、英3國學者共同參与的最新研究發現,相鄰植物可以通過根部釋放的化學物質互相「對話」。這種由化學物質主導的「交流」,可以改變植物生長的微環境,調節養分供給,甚至影響產量。

從根部釋放化學物質進行「交流」領導這一研究的中國科學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分,同時也釋放化學物質。這些化學物質改變了原本土壤里的水、氣、生物等微環境,這些改變很可能對周圍其他植物也造成影響。此次,科研團隊選取了中國南方耕地經常相鄰種植的花生和木薯,來具體研究植物間的化學信號怎樣相互影響。

通過「口令」決定是戰是和除了進行「交流」之外,植物還能通過感知「鄰居」的「信息」來決定是否要對其發起攻擊。

科學家還利用植物對其「敵對者」釋放的化學物質,成功研製出可以有效抑制病害的生物農藥。以煙草花葉病毒為例,這種病毒可感染的植物高達500多種。中國科學院昆明植物研究所的研究人員發現,雲南的某種野生植物,在遇到攜帶這種病毒的植物時,會大量分泌出一種次生代謝物,並能有效抵禦這種病毒的攻擊。他們根據從植物馬藍提取物中分離得到的活性成分,成功研製了一種新型生物農藥,不僅能有效防治煙草花葉病毒傳染,還最大限度地保護了生態環境。

其實除了釋放化學物質外,研究者還發現,植物可以通過物理信號包括電信號、聲波信號等進行交流。

孔垂華也認為,解開植物交流的密碼,不僅對植物生態研究具有重大的理論價值,對農作物種植和環境保護也會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,以便增加農作物產量,或者減少除草劑使用。

不同植物之間的交流,甚至可以在第三方的幫助下進行,而這位被科學家識破身份的「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,戳入宿主直達韌皮部。中國科學院昆明植物研究所的一項研究證實,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。當昆蟲侵害一個宿主的時候,這個宿主能產生一個抗蟲信號,喚醒自身的防禦機制,通過菟絲子這個渠道,這個抗蟲信號能夠被傳輸到其他的宿主植物,令這些植物提起戒備,開始增強抗蟲能力。

也就是說,黑麥草內酯和茉莉酸可以看做是小麥辨認其伴生植物的「信號」,通過感知這些化學物質的濃度,小麥就能判斷對方的存在。如果周圍的伴生植物達到了一定的密度,開始威脅到小麥的水分和養分吸收,小麥就會開始大量分泌DIMBOA抑制其生長,就像是拿起武器發動戰爭。

聽懂植物語言促進農業生產破譯植物語言、搞清植物親疏並不是因為科學家們太「八卦」,促進生產才是科學研究的終極意義。

現在已經有科學家對此開始進行實踐了。德國波恩大學的研究者在對植物發出的聲信號進行測定后,給當地的農場配置了合適的「竊聽」裝置,通過這些信號農民就能夠辨別作物是否出現了病蟲害。

孫波說:「搞清這些『對話』如何進行,就有機會解開更多植物的『生長密碼』,也能幫助人類更加科學有效地種植農作物。」

他們把小麥種植在營養液里,並通過樹脂收集液體中的各種化學物質,再一一進行分析。通過這種方法對小麥根系分泌物進行活性追蹤分離,孔垂華團隊得到了4個已知化合物,分別為茉莉酸、水楊酸、黑麥草內酯以及木犀草素。同時,他們選取了自然界中常出現在小麥附近的大狼杷草、野燕麥、節節草等100種伴生植物,然後分別對它們的根部、根系分泌物和根際土進行了分析。通過研究發現,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,其中特別是黑麥草內酯和茉莉酸,在較低濃度下就能極大程度地誘導小麥根系化感物質DIMBOA濃度的升高。而DIMBOA這種物質在小麥抗菌、抗蟲和防禦雜草等方面都具有重要作用。

植物在什麼情況下會對臨近植物「出手」呢?為了弄明白這個問題,中國農業大學資源與環境學院教授孔垂華帶領團隊用了7年時間,從植物的根系入手進行研究,最終揭開了這層神秘面紗。

這是人還是某種動物?都不是!能做出這些反應的是那些我們平時看上去彷彿很安靜的植物。在看不見的地下,植物的世界遠比我們想象中熱鬧。

今日关键词:黄山启动应急预案