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通风报信的植物

2017年7月14日0:02 环球解密

    植物受伤时会有什么反应?过去的研究让我们了解,当植物被攻击(受到病原菌感染、受伤)时,会释放出挥发性有机物质(VOCs,Volatile Organic Compounds),让自己以及附近的植物启动防御机制。这个作用有点像古代的烽火台,当敌人来袭就烧起狼烟,附近的人看到狼烟就知道这里出事了,要加强戒备。
    不过,当附近的植物感应到VOCs时,它们会如何加强自己的防御机制呢?过去的实验发现,当植物的地上部位受到病原菌感染时,会传递信号给自己的根,接着根部的铝活化苹果酸运输蛋白(ALMT1,aluminum-activated malate transporter)便会活化后释放苹果酸(malate)到土壤中来召唤枯草杆菌 UD1022(Bacillus subtilis UD1022)这只植物的益菌。这些现象是否不仅仅发生在苦主、也发生在附近的植物身上呢?
    康纳(Connor Sweeney)和他在德拉瓦大学的指导教授,最近发现:不只是受伤的植物本身会进行这些防御机制、附近的植物也会呢!
    康纳是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因为对科学有兴趣,写了e-mail给德拉瓦大学(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表达希望能进他的实验室学习。当白斯老师回信说“OK”的时候,康纳高兴得不得了。
    于是他就开始了他的实验室生活:下课后、周末以及暑假,康纳都在白斯老师的实验室里种阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。虽然他也是高中的游泳校队,但他尽可能地投入时间作实验。
    成果是丰硕的。两年后,康纳在白斯教授的指导下,解出了植物接到邻居的“狼烟”以后,接下来做了什么;他们的成果发表在2017年的“植物科学前锋”(Frontier in Plant Science)期刊上。
    以一个高中生来说,这可是个非同小可的成就;康纳不只是付出了许多努力,他也细心观察每一个实验。因为他够细心,所以才没有错失了重要的发现。
    这个重要的发现是什么呢?有一天他如常地进行实验:把一株阿拉伯芥用镊子弄了几个伤口,准备明天观察它的反应。不同的是,这次旁边有一株阿拉伯芥没有被他弄伤。
    第二天他看到了令他不敢相信的结果:旁边的阿拉伯芥的主根变长、而且还长出了不少侧根。
    于是他们做了更多测试。他们发现:旁边有受伤的伙伴的小芥们,主根生长的速度大约是控制组的1.64倍;侧根则多长了4.25条。这个现象,不管这两株植物距离2公分或4公分,结果都是一样的。


    分区培养皿。图片取自网络。
    会不会这两株小芥其实是用根分泌物质到培养基里面来通风报信呢?康纳使用分区培养皿,把两株小芥种在两区。如此一来,因为培养基被隔开,它们就不可能透过培养基交换物质了。实验结果还是一样,有受伤伙伴在旁边的小芥们,主根生长的速度变快、侧根生长的数目增加。这表示:受伤的植物应该是释放VOCs让旁边的植物们得以感应,然后启动主根与侧根的生长。
    因为根的生长与生长素(auxin)有关,所以接着康纳进一步测试:旁边有受伤伙伴的小芥们是否启动了与生长素相关的基因呢?他以对生长素有反应的DR5启动子(DR5 promoter)连接β-葡萄糖醛酸苷酶(β-glucuronidase,GUS)来观察这些植物们,因为β-葡萄糖醛酸苷酶可以把化合物X-Gluc(5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-glucuronide,5-溴-4-氯-3-吲哚基β-D-葡糖苷酸,化学式C14H13BrClNO7)转化为蓝色的化合物,所以非常容易观察。结果发现,与生长素相关的基因,在根部表现得非常多;也就是说,实验中所看到的主根延长加速、侧根数目增加,的确与生长素有关。
    接着康纳又测试旁边有受伤伙伴的小芥们是否跟被病菌感染的植物一样,会启动ALMT1?康纳把ALMT1的启动子连到β-葡萄糖醛酸苷酶前面,观察ALMT1基因是否在根部被启动了。结果也是肯定的。这么一来,接着当然就想了解,这些小芥们是否也能召唤枯草杆菌UD1022呢?


    图片:老叶
    以共轭焦显微镜观察,康纳发现在与受伤小芥相处24小时后,这些没有受伤的植物们的根部有更多的枯草杆菌UD1022来形成生物膜(biofilm);所以当植物受伤的时候,不仅自己的防御机制会提升,也会透过释放VOCs来通知附近的植物们,而附近的植物们在接到VOCs的“狼烟”后,便会赶紧长多一点根,好来吸收更多的水分与矿物质。除此之外,位于根部的ALMT1也赶紧释放出更多的苹果酸来召唤枯草杆菌UD1022,让这些益菌们帮它把根部给武装起来,这样等一下才能抵御外侮!
    看来真的很酷,不过笔者有点好奇是:之前曾有研究发现,植物对不同的掠食者会有不同的反应,不知道如康纳所进行的单纯机械性伤害与真正被病原菌感染之间,植物的反应是否会有所不同呢?当然这就有赖白斯教授的研究团队再进行进一步的研究了。对康纳来说,在实验室两年能够有这样的成果,真的也很不容易呢!在笔者的研究生涯中,也看过不少高中生、大学生来来去去不同的实验室,能够累积到足以发表期刊论文的真有如凤毛麟角,康纳真的是个好小子!
    参考文献:
    May 16, 2017. Plants call 911 to help their neighbors. Science Daily.
    Connor Sweeney, Venkatachalam Lakshmanan, Harsh P. Bais. Interplant Aboveground Signaling Prompts Upregulation of Auxin Promoter and Malate Transporter as Part of Defensive Response in the Neighboring Plants. Frontiers in Plant Science, 2017; 8 DOI: 10.3389/fpls.2017.00595
    Heidi M. Appel, Howard Fescemyer, Juergen Ehlting, David Weston, Erin Rehrig, Trupti Joshi, Dong Xu, Joerg Bohlmann, Jack Schultz. Transcriptional responses of Arabidopsis thaliana to chewing and sucking insect herbivores. Frontiers in Plant Science, 2014; 5 DOI: 10.3389/fpls.2014.00565


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