作者:袁一雪 来源:中国科学报 发布时间:2017-9-1
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菟丝子:植物界的“网线”

 

■本报记者 袁一雪

一根网线串起家中的智能设备,让它们可以在网络中互联。在自然界,植物之间也有这样的“网线”,可以让两个甚至多个植物互联,传递信号。

这种可当作“网线”的植物就是菟丝子。最近,这项研究成果刊登在《美国国家科学院院刊》上。

传递生物信号

菟丝子是一种全寄生植物,因为其不含或者含有极少的叶绿素,所以无法或极少进行光合作用为自己提供营养,只能通过吸取其他植物的营养而存活。

“菟丝子是一种茎寄生植物,它‘扎根’在其他植物的茎中。而且,它经常会同时寄生几个植物。”该项研究的负责人、中国科学院昆明植物研究所吴建强博士告诉《中国科学报》记者。为了更好地汲取养分,所有寄生植物都具备一个特殊的器官——吸器,并将其与寄主的维管束组织形成连接,从寄主获取营养、水分等生长所需物质,造成寄主营养的大量流失,进而严重影响寄主生长和繁殖。

只是植物维管束中传递的不仅是营养成分,还有生物电。早在100多年前,科学家就在受到机械刺激的捕蝇草裂片的细胞中发现存在动作电位,并提出电位的传递速度与环境温度有较高相关性。

后来,在葡萄、锡兰莲、丝瓜等植物中,科学家也发现存在动作电位的产生与传递。这些发现开启了植物电信号在生理情报领域中研究应用的序幕。

上世纪70年代,科学家又发现植物存在系统性响应,这种响应是当植物被昆虫“攻击”时,除了被取食的叶片或组织产生抗虫响应,其他未被损伤的叶片或组织也能够有类似的响应。这说明有一种或多种信号从被昆虫取食的叶片或者组织移动到植物的其他部位,诱导抗虫响应。

那么这种信号传递是否会被吸取营养的菟丝子捕捉到?“最开始,我们提出一种假说,就是菟丝子在通过维管束吸取营养时,也从中接收到植物传递的信号,并且将这种信号传递给其他寄主。”吴建强解释说。

吴建强和同事们选取拟南芥、大豆和野生番茄等作为寄主,在不断尝试让菟丝子成功寄生后,发现菟丝子确实充当了“通信渠道”。在实验室搭建的生态微群落中,研究人员发现当昆虫取食一个寄主的时候,这个寄主能够产生一个信号,这个信号不但能够诱导被取食植物的抗虫性,而且通过菟丝子这个渠道,能够被传输到其他的寄主植物,同样增强这些植物的抗虫能力。

虽然目前没有研究确定移动信号到底是什么,但在吴建强的这项实验中,研究人员证实,一种叫作茉莉酸的植物激素在这个“交流”过程中起到了非常重要的作用。“茉莉酸像是个将军,对这个移动信号有重要调控作用。”吴建强补充道。

而且,茉莉酸能够传递到至少一米远的寄主,诱导其进行抗虫响应。通过测定发现,这个信号的传递速度大约是两个小时一米。“这种速度对于人来讲是非常缓慢的,但是对于植物而言,接收到这种信号就像是被通风报信,能提前得知附近有昆虫取食而作出抗虫准备。”吴建强说。当然,植物的抗虫表现各异,“烟草中的尼古丁就是天然的抗虫化合物,对昆虫有很强的毒性。很多植物还产生蛋白酶抑制剂,能够抑制昆虫肠道中的消化酶的活性”,吴建强说。

菟丝子之后是列当

其实,吴建强在德国马普所学习工作期间,从事的是昆虫与植物相互作用的研究。“比如昆虫取食植物时,植物如何对抗。”吴建强介绍道,“后来看到了植物间作用的论文,进而想到寄生植物可能传递信号,回国之后,我马上着手开始了研究。”

“寄生植物并不只菟丝子一种,我们选择菟丝子第一是因为它属于茎寄生植物,对比根寄生植物,菟丝子更容易操作和观察。其次是因为菟丝子的基因组较小,比较容易测序,并且容易进一步研究其吸器的形成与进化。”吴建强解释道,“而且,生物学中,植物有很多信号传导,除了抗虫还有抗病、抗旱等系统性信号。那么菟丝子是否可以传递所有的信号?其生态学意义是什么?”

现在,吴建强与同事们还开始进行列当的研究。列当对于人类来说也是“臭名昭著”的寄生植物,而且其从根部寄生,令寄主失去营养。

比如我国内蒙古和新疆等地区的农作物就受到列当影响,造成农作物减产。“目前研究列当的目的,是希望了解当寄主受到生物或非生物因素胁迫时,系统性信号进入列当,是否会对列当也产生影响,这样的反应是否会具有生态学意义?”吴建强说。

换个角度看“寄生”

谈及寄生植物,特别是寄生在农作物上的植物,对于人类来说都是需要对抗甚至被消灭的。但实际上,不论人类如何不喜欢寄生植物,它们依然顽强地生存在世界上。

“不得不承认的是,寄生是一种成功的生存方式,是特殊的生命现象,在自然界中具有一定的生态位。”吴建强解释说,“这也是因为菟丝子等寄生植物本身的基因进化远比其他植物更快。”

对菟丝子的研究,让吴建强意识到从人类角度看上去“不好”的植物,在植物之间却也能产生一定正面的意义。“当然,菟丝子在寄主之间传递信号的作用,不能抵消其对于寄主的伤害。但我们的研究也提醒,需要从多个角度看植物之间的作用。”

为了更好地完成研究,吴建强甚至查阅了关于寄生虫的论文,并在论文最后引用了其中的一些内容。“寄生虫虽然令医生头疼,但是某些寄生虫却可以抑制寄主的免疫系统对自身的攻击,从而缓解某些自身免疫性疾病的症状。”吴建强表示。当然,这并不意味着就需要人们培养寄生虫解决免疫系统的问题,相反,科学家可以从中找到相关机理,提取有效成分,进而达到治疗疾病的目的。而这在植物界亦是同理。

“我们这个研究利用创新点,从新的生态学现象揭示寄生植物与寄主间的互作关系,或许可以从另一个角度带来启示,为之后的对抗寄生植物的研究以及植物抗病、抗虫等研究提供新的思路。”吴建强总结道。

《中国科学报》 (2017-09-01 第3版 科普)
 
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