大自然的秘密口令：植物如何与空气“对话”

大自然的秘密口令：植物如何与空气“对话”研究人员通过空气传播的化合物实现了植物与植物之间交流的可视化，确定了激活植物防御威胁的特定信号和细胞反应。植物在受到机械损伤或昆虫攻击时会向大气中释放挥发性有机化合物（VOC）。未受损的邻近植物会感知到释放的挥发性有机化合物，并将其视为危险线索，从而激活防御反应，抵御即将到来的威胁（图1）。植物之间通过挥发性有机化合物进行空气传播的这一现象于1983年首次被记录下来，此后在30多种不同的植物物种中都观察到了这一现象。然而，从感知挥发性有机化合物到诱导防御的分子机制仍不清楚。图1：植物在受到昆虫破坏时会向大气释放挥发性有机化合物。完好的邻近植物会感知挥发性有机化合物，并启动先发制人的防御反应来对付昆虫。资料来源：MasatsuguToyota/琦玉大学植物对话的突破性可视化由MasatsuguToyota教授（日本埼玉大学）领导的研究小组通过VOCs对植物与植物之间的交流进行了实时可视化，并揭示了VOCs如何被植物吸收，从而启动依赖Ca2+的防御反应，抵御未来的威胁。这项突破性研究将于2023年10月17日发表在《自然通讯》（NatureCommunications）杂志上。YuriAratani和TakuyaUemura分别作为丰田实验室的博士生和博士后研究员领导了这项工作，并与日本山口大学的KenjiMatsui教授进行了合作。视频1：虫害植物释放的挥发性有机化合物诱导Ca2+信号（箭头）。资料来源：MasatsuguToyota/琦玉大学丰田说："我们建造了一种设备，将毛虫喂养的植物释放的挥发性有机化合物泵送到未受损的邻近植物上，并将其与野外实时荧光成像系统相结合。这种创新装置可以观察到芥属植物拟南芥在接触到虫害植物释放的挥发性有机化合物后荧光的爆发性扩散（图2；视频1）。这种植物产生了细胞内Ca2+的荧光蛋白传感器，因此可以通过观察荧光的变化来监测细胞内Ca2+浓度的变化。"丰田说："除了昆虫的攻击外，人工击碎的叶片释放的挥发性有机化合物也会诱导未受损害的邻近植物产生Ca2+信号，"（视频2）。图2：左图：将完整的拟南芥暴露于虫害植物释放的挥发性有机化合物的设备（虚线箭头）。右图：虫害植物释放的挥发性有机化合物（虚线箭头）诱导Ca2+信号（黄色箭头，600和1200秒）。资料来源：MasatsuguToyota/琦玉大学识别关键挥发性有机化合物及其影响为了确定哪种类型的挥发性有机化合物会诱导植物产生Ca2+信号，丰田的科学家团队研究了各种已知会诱导植物防御反应的挥发性有机化合物。他们发现，(Z)-3-己烯醛（Z-3-HAL）和(E)-2-己烯醛（E-2-HAL）这两种六碳醛类挥发性有机化合物能诱导拟南芥中的Ca2+信号（图3；视频3）。Z-3-HAL和E-2-HAL是空气中带有青草气味的化学物质，被称为绿叶挥发物（GLVs），是从机械损伤和食草动物损伤的植物中释放出来的。视频2：人工粉碎的植物释放的挥发性有机化合物诱导Ca2+信号。资料来源：MasatsuguToyota/琦玉大学将拟南芥暴露于Z-3-HAL和E-2-HAL会导致防御相关基因上调。为了了解Ca2+信号与防御反应之间的关系，他们用Ca2+通道抑制剂LaCl3和Ca2+螯合剂EGTA处理拟南芥。这些化学物质抑制了Ca2+信号和防御相关基因的诱导，从而证明拟南芥能感知GLV并以Ca2+依赖性方式激活防御反应。图3：空气中的Z-3-HAL（橙色折线）诱导拟南芥叶片中的Ca2+信号（黄色箭头，120秒和370秒）。资料来源：MasatsuguToyota/琦玉大学保卫细胞：植物的认知门户他们还通过在保卫细胞、叶肉细胞或表皮细胞中设计专门表达荧光蛋白传感器的转基因植物，确定了哪些特定细胞会对GLV产生Ca2+信号。暴露于Z-3-HAL后，保卫细胞在大约1分钟内产生Ca2+信号，随后叶肉细胞也产生了Ca2+信号，而表皮细胞产生Ca2+信号的速度较慢（视频4）。保卫细胞是植物表面的豆状细胞，形成气孔，是连接内部组织和大气的小孔。视频3：空气中的Z-3-HAL（右侧管中）诱导拟南芥叶片中的Ca2+信号。资料来源：MasatsuguToyota/琦玉大学丰田说："植物没有'鼻子'，但气孔是植物的门户，它介导GLV快速进入叶组织间隙。"事实上，他们发现用脱落酸（ABA）（一种以关闭气孔而闻名的植物激素）进行预处理会降低野生型叶片的Ca2+反应。另一方面，ABA诱导的气孔关闭功能受损的突变体，即使用ABA处理，叶片中的Ca2+信号也能保持正常。他说："我们终于揭开了植物何时、何地以及如何对来自其受到威胁的邻居的空气传播'警告信息'做出反应的复杂故事。这种通信网络隐藏在我们的视线之外，在及时保护邻近植物免受迫在眉睫的威胁方面发挥着关键作用。"视频4：空气传播的Z-3-HAL在拟南芥叶片的保卫细胞（左侧视频）、叶肉细胞（中央视频）和表皮细胞（右侧视频）中诱导Ca2+信号。资料来源：MasatsuguToyota/琦玉大学这项开创性的研究不仅加深了我们对植物这个令人惊叹的世界的了解，还强调了大自然赋予植物在逆境中茁壮成长和适应环境的非凡方式。这些发现的深远影响远远超出了植物科学的界限，让我们得以一窥地球上错综复杂的生命织锦。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390547.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390547.htm

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