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May. 07 2023

植物真的能「說話」!本文帶你來一探究竟

  • 這件位於比利時布魯日的展覽品呈現出透過地下真菌連接樹木和其他植物的網路。這只是植物的「說話」方式之一,它們說話的對象包括其他植物,以及從微生物到動物(例如我們人類)等生物。PHOTOGRAPH BY SYLVAIN LEFEVRE, GETTY IMAGES

    這件位於比利時布魯日的展覽品呈現出透過地下真菌連接樹木和其他植物的網路。這只是植物的「說話」方式之一,它們說話的對象包括其他植物,以及從微生物到動物(例如我們人類)等生物。PHOTOGRAPH BY SYLVAIN LEFEVRE, GETTY IMAGES

  • 許多植物都會與真菌形成共生關係,苔蘚(本照片攝於智利奧莫拉民族植物園)就是其中之一。苔蘚提供透過光合作用製造的醣類,而真菌為苔蘚提供營養素。PHOTOGRAPH BY ALBERTO PEÑA, AFP/GETTY IMAGES

    許多植物都會與真菌形成共生關係,苔蘚(本照片攝於智利奧莫拉民族植物園)就是其中之一。苔蘚提供透過光合作用製造的醣類,而真菌為苔蘚提供營養素。PHOTOGRAPH BY ALBERTO PEÑA, AFP/GETTY IMAGES

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動物並不是唯一能夠喋喋不休的生物,但植物到底會對彼此「說」什麼?這個問題的答案或許有助於餵飽全世界。

這件位於比利時布魯日的展覽品呈現出透過地下真菌連接樹木和其他植物的網路。這只是植物的「說話」方式之一,它們說話的對象包括其他植物,以及從微生物到動物(例如我們人類)等生物。PHOTOGRAPH BY SYLVAIN LEFEVRE, GETTY IMAGES

這件位於比利時布魯日的展覽品呈現出透過地下真菌連接樹木和其他植物的網路。這只是植物的「說話」方式之一,它們說話的對象包括其他植物,以及從微生物到動物(例如我們人類)等生物。PHOTOGRAPH BY SYLVAIN LEFEVRE, GETTY IMAGES

「救命!」「在這裡降落!」「保存資源!」「走開!」「我的果實可以吃了!」

我們已經知道植物可以傳遞許多訊息,從一塊苔蘚到一棵90公尺高的紅杉都不例外,以上只是它們傳達的一部分訊息。其實,如果你曾經聞過剛割下的草,就表示你已經與植物交流過了。

「我認為我們逐漸發覺,植物〔的溝通方式〕就跟動物一樣錯綜複雜。」美國國家科學基金會(National Science Foundation,簡稱NSF)的微生物學家和計畫主任曼塔.拉瓦特(Mamta Rawat)說:「我們還有很多需要學習,目前才剛碰到冰山一角而已。」

今年3月,一項新研究顯示,許多不同種植物會發出超音波來傳達所承受的壓力。這是顯示植物如何與從掠食者到授粉者等一切生物「說話」的最新證據。

這項研究有一個重要用途。了解植物的溝通方式,可協助我們增加耕地以餵飽不斷成長的人口,並成功適應氣候變遷。

傳遞消息

為了對環境做出反應,單株植物的根、莖、葉、花、果實之間必須進行溝通。

威斯康辛大學麥迪遜分校的植物學教授賽門.吉爾羅伊(Simon Gilroy)說,植物傳遞訊號的方式不是像我們一樣利用神經系統,反而像是連接水管。

葉會偵測掠食者或光線和聲音的變化,而根會監測地下的狀況,包括是否發生營養素、水分相關問題,以及掠食者是否出現。

生物學家兼NSF計畫主任寇特妮.詹恩(Courtney Jahn)研究植物交互作用,她解釋說,電訊號會透過化學物質在這些管道中的活動四處傳遞。例如,根可以偵測乾旱,並告訴葉減少蒸散作用及保留水分。

研究人員將電極放在同一株植物的兩個不同位置,就能觀察到這種電訊號傳遞。我們甚至已經製作出特殊的樂器(例如這件),可以將這種電荷轉換為我們能聽到的聲音。吉爾羅伊說,如果植物受傷,傷口會發出電訊號。如果植物彼此接觸,也可以在個體間傳遞這些電訊號。

詹恩說,捕蠅草及含羞草受到碰觸時,都會傳遞電訊號。捕蠅草會關閉開口困住獵物,而含羞草則會移動葉子,以便將昆蟲甩掉。

包括賀爾蒙在內的化學物質也會在植物體內傳遞。

有一種稱為生長素(auxin)的賀爾蒙是在植物頂端製造,然後向下傳遞,使想要破土而出的幼芽知道哪個方向朝上。出現昆蟲掠食等緊急威脅時,植物必須迅速反應,否則會被完全吃光。許多植物面臨這類壓力時會傳遞茉莉酸(jasmonic acid),這種賀爾蒙會告訴植物開始製造毒素以便自衛。

有些動物可以偵測到植物正在應對危險(老鼠可能「聽到」,昆蟲可能「聞到」),就像聽到遠處有人大叫「唉唷!」一樣。我們很難判斷這些訊號到底是自然發生,還是有意讓其他生物接收到。

公開宣告

與周遭環境溝通可協助植物生存。春季綻放的美麗花卉會傳送訊息給昆蟲和動物,表示花朵已經準備好授粉。

研究人員發現,如果使用可偵測蝙蝠叫聲的特殊麥克風,我們也能聽到植物的聲音。從蕃茄到仙人掌等多種植物面臨壓力時,會發出超音波的爆裂聲,某些昆蟲(例如蛾)和哺乳動物(例如蝙蝠和老鼠)能夠聽到這類聲音。科學家正在研究這類求救聲,以便找到在無需觸碰植物的情況下診斷、治療及監測植物的新方法。

許多植物都會與真菌形成共生關係,苔蘚(本照片攝於智利奧莫拉民族植物園)就是其中之一。苔蘚提供透過光合作用製造的醣類,而真菌為苔蘚提供營養素。PHOTOGRAPH BY ALBERTO PEÑA, AFP/GETTY IMAGES

許多植物都會與真菌形成共生關係,苔蘚(本照片攝於智利奧莫拉民族植物園)就是其中之一。苔蘚提供透過光合作用製造的醣類,而真菌為苔蘚提供營養素。PHOTOGRAPH BY ALBERTO PEÑA, AFP/GETTY IMAGES

身為人類,我們或許無法先天就聽到植物的聲音,但我們經常可以聞到植物的訊息。割草時,草會釋放氣態化學物質,這是一種帶有香氣的求救訊號。有些人會從這種氣味聯想到在溫暖的季節外出活動,對他們而言,這是一種撫慰人心的氣味。毛蟲啃食植物時,植物也會釋放這種氣味,而其他昆蟲會注意到這種氣味並前來捕食毛蟲,就好像是回應植物的求救一般。

這種帶有氣味的訊號屬於一類稱為揮發物的化學物質,能以氣體形式在地上和地下傳遞很遠。每種植物都有獨特的揮發性化合物配方。

普渡大學的生化學家娜塔莉亞.杜達列娃(Natalia Dudareva)說,這些揮發性化合物有許多不同功效。揮發物可以在花卉準備好授粉時吸引授粉者,甚至引導牠們到尚未授粉的花朵。果實散發的揮發物會吸引動物前來吃掉果實並散播種子。葉也會散發揮發物,使掠食者「中毒」並驅逐牠們。

研究人員也已經知道,植物可以透過揮發物傳遞訊息以表達它們面臨的特定威脅,例如掠食者攻擊。有研究曾觀察到,位於正在散發揮發物的植物附近的植物會在自己面臨威脅前,就準備好對抗威脅。

植物也能使用揮發物辨別親屬和非親屬,並相應改變行為。舉例來說,梅西大學農業與環境學院的研究主任安德莉亞.克拉維喬.麥考米克(Andrea Clavijo McCormick)表示,植物會偵測自己的後代並幫助後代成長,而不是與它們競爭資源。

植物也會在地下釋放揮發物。這種現象在森林中尤其常見,植物會在根部周圍釋放揮發物,向真菌傳遞「過來這裡」的訊號。許多真菌可以擴大生長範圍並收集營養素,然後把營養素送回植物,藉此交換植物透過光合作用製造的醣類。

保持聯絡吧

普渡大學真菌學教授兼NSF輪值計畫主任凱西.艾梅(Cathie Aime)說,森林中的一棵樹會與許多不同真菌建立關係,而一株真菌也會與許多不同棵樹建立關係,因而在菌根網路(mycorrhizal network)中相互連結。

真菌與植物根部接觸的位置會發生有趣的「對話」。目前已觀察到雙方會交換小RNA片段,使彼此的基因表現改變。拉瓦特說,如果真菌是盟友,它會表示:「你可以相信我」,然後幫助植物生長。如果真菌是敵人,來自真菌的小RNA會關閉植物的防禦基因,使真菌更容易攻擊植物。

好幾棵樹由同一株真菌連結在一起時,可以共享資源。有研究對碳進行追蹤,發現碳會透過真菌網路從一棵比較老的「保護樹」(nurse tree)傳遞到另一棵比較年輕的樹,後者因為太過年幼而無法獲得良好光源並進行光合作用。

植物也會在地下與微生物交流。微生物像真菌一樣,會被吸引到植物根部,並形成生物膜附著在根部。例如,促生菌可以提升植物的防禦,增加對疾病的抵抗力。

關於植物的地下微生物群系,進行研究探索的時機已經成熟,而研究發現可以協助我們提高土壤肥沃度,進而餵飽不斷成長的人口。

 

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