遇到家族親屬，會(huì )親切地打個(gè)招呼，還會(huì )協(xié)調關(guān)系避免自相競爭；

　　遇到競爭對手，就迅速地威脅警告，并釋放毒素抑制對方生長(cháng)。

　　這是誰(shuí)，人還是某種動(dòng)物？都不是，恰恰是那些看上去“安靜生長(cháng)”的植物。在黑漆漆的土壤里，植物的世界遠比我們想象中熱鬧，它們每天都在用自己的語(yǔ)言“聊天”，可以互相交流、合作，甚至“發(fā)動(dòng)戰爭”。

　　近日，一項刊發(fā)在《微生物組》上研究成果，引起讀者興趣：木薯通過(guò)根部釋放的化學(xué)物質(zhì)，竟然促進(jìn)相鄰的了花生增產(chǎn)。

　　其實(shí)，國內外學(xué)界對植物交流的研究已進(jìn)行了二十多年，我國學(xué)者甚至已讀懂它們的“語(yǔ)言”，并據此培育出至少5個(gè)能抑制雜草生長(cháng)的水稻品種。

　　植物之間究竟通過(guò)什么方式“對話(huà)”？它們?yōu)槭裁匆嗷ソ涣?？讀懂植物“語(yǔ)言”對促進(jìn)生產(chǎn)有什么作用？帶著(zhù)這些問(wèn)題，科技日報記者走訪(fǎng)了中國農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院孔垂華教授和中國科學(xué)院南京土壤研究所孫波研究員，聽(tīng)聽(tīng)專(zhuān)家怎么說(shuō)。

小麥和雜草在地下的化感作用和化學(xué)識別。受訪(fǎng)者供圖

　　植物王國并非一片寂靜

　　木薯不能生吃，因為它體內包含有毒的氰化物。但是當它從根部向土壤中釋放出氰化物后，鄰近的花生感知到這些物質(zhì)，就會(huì )相應釋放出氣態(tài)分子乙烯。

　　在乙烯影響下，花生會(huì )主動(dòng)縮減地面植株的繁茂程度，優(yōu)先保證果實(shí)的養分供給。同時(shí)，乙烯還能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(jìn)一步提高花生果實(shí)的飽滿(mǎn)程度和產(chǎn)量。

　　“這項研究告訴我們，植物根部釋放的化學(xué)物質(zhì)，或許是不同植物間‘交流對話(huà)’的關(guān)鍵。搞清這些‘化學(xué)對話(huà)’如何進(jìn)行，就有機會(huì )解開(kāi)更多植物的‘生長(cháng)密碼’，也幫助人類(lèi)更加科學(xué)有效地種植農作物。”領(lǐng)導這項研究的孫波研究員說(shuō)道。

　　關(guān)于植物間是否存在交流，是一個(gè)由來(lái)已久的科學(xué)猜測，有人認為通過(guò)聲波交流，有人說(shuō)是通過(guò)觸碰，還有人猜測是某種化學(xué)物質(zhì)……但是真正找到確鑿的證據，來(lái)自于一次突發(fā)奇想的檢測。

　　當植物的葉子被昆蟲(chóng)咀嚼時(shí)，它會(huì )有什么反應？國外一位科學(xué)家在檢測中發(fā)現，受到攻擊的植物會(huì )釋放出一種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行防御。某一天，閑來(lái)無(wú)事的他，隨手檢測了旁邊一棵未受攻擊的植物。令他大為震驚的是，竟然也測出相同的化學(xué)物質(zhì)。這意味著(zhù)，受到攻擊的植物已經(jīng)通過(guò)某種方式告訴同伴：“我受到蟲(chóng)子的攻擊，你們趕快拿起武器保護自己！”

　　在其后的若干年里，科學(xué)家通過(guò)不懈努力終于弄清楚，植物之間的識別是涉及物理和化學(xué)信號，包括遠紅光反射、周?chē)B分改變、植物所釋放的次生代謝產(chǎn)物等。鄰近植物識別這些信號可以觸發(fā)復雜的響應策略，例如避蔭、根系覓食和化學(xué)防御。

　　已有的研究表明，化學(xué)信號物質(zhì)主要通過(guò)空氣傳播，包括茉莉酸甲酯、水楊酸酯、吲哚、乙烯和一些揮發(fā)性萜類(lèi)。

次生物質(zhì)介導的地下根系化學(xué)生態(tài)作用。受訪(fǎng)者供圖

　　通過(guò)“交談”辨認敵我

　　語(yǔ)言除了用來(lái)交流之外，還能表達感情。既然植物也有“語(yǔ)言交流”，那么在它們的世界里，是否也上演著(zhù)喜悅、憤怒或悲傷的故事？

　　“弄清楚這一切的前提是，我們得知道植物是否像人或動(dòng)物一樣，有親屬或敵對關(guān)系，而這種認知過(guò)去是不被科學(xué)界認可的。”中國農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院孔垂華教授說(shuō)道。

　　為弄清楚植物之間的關(guān)系以及它們之間的聯(lián)絡(luò )方式，孔垂華團隊用了7年時(shí)間，從植物的根系入手進(jìn)行研究。他們把小麥種植在營(yíng)養液里，并通過(guò)樹(shù)脂收集液體中的各種化學(xué)物質(zhì)，再一一進(jìn)行分析。

　　“過(guò)去研究者也意識到，植物可能通過(guò)根系進(jìn)行交流，但是土壤就像一個(gè)黑箱，任何物理與化學(xué)都信號看不見(jiàn)測不出。”孔垂華說(shuō)。

　　用這種方法對小麥根系分泌物進(jìn)行活性追蹤分離，孔垂華團隊得到了4個(gè)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(shí)，他們對小麥的100種伴生植物的根部、根系分泌物和根際土進(jìn)行了分析，發(fā)現植物根部、根系分泌物和根際土中都含有前3種物質(zhì)。特別是黑麥草內酯和茉莉酸，在較低濃度下就能極大地誘導小麥根系化感物質(zhì)DIMBOA濃度的升高。而DIMBOA是小麥等禾本科植物的特異化感物質(zhì),在抗菌、抗蟲(chóng)和防御雜草等方面都具有重要作用。

　　也就是說(shuō)，黑麥草內酯和茉莉酸是植物間地下交流的“通用語(yǔ)言”，不同種屬的植物通過(guò)感知這些化學(xué)物質(zhì)，就能辨認是敵是友。如果周?chē)嬖陔s草，小麥就會(huì )拿起武器（DIMBOA）發(fā)動(dòng)戰爭，壓制競爭對手的生長(cháng)。這一研究結果發(fā)表在2018年9月的《自然-通訊》。

　　隨后，孔垂華和他的博士生楊雪芳通過(guò)對水稻的研究進(jìn)一步證實(shí)，有親緣關(guān)系的水稻種植一起，根系會(huì )彼此疏遠，從而最大程度減少競爭；而非親緣關(guān)系的水稻種植在一起結果則相反，它們的根系更具活力和侵入性，力圖擠壓對方的生存空間。

　　“這與人或動(dòng)物的家族關(guān)系非常一致，親人之間大多是相互關(guān)照，而對外人則保持警惕和防范。”孔垂華用確鑿的證據表明，植物也有親屬觀(guān)念并具備相應的辨識能力，對內相互協(xié)調，對外擴張領(lǐng)土。

收集植物根系釋放化學(xué)物質(zhì)的實(shí)驗裝置。受訪(fǎng)者供圖

　　聽(tīng)懂植物語(yǔ)言竟有妙用

　　讀懂了植物語(yǔ)言我們才知道，看似一片寂靜的植物世界里，竟然每天都在上演“戰爭與和平”那樣的史詩(shī)大片。顯然，破譯植物語(yǔ)言并不是為了“看戲”，思考它對促進(jìn)生產(chǎn)有何作用才是科學(xué)研究的終極意義。

　　孔垂華認為，對這人類(lèi)的幫助非常大，比如可以利用植物這種特性，增加農作物產(chǎn)量，減少除草劑使用。

　　但是，禾本科植物釋放的化感物質(zhì)也是一把雙刃劍，它不僅能抑制競爭對手的生長(cháng)，也會(huì )使自己的果實(shí)產(chǎn)量下降。如果周?chē)Y源有限，植物甚至會(huì )釋放毒素殺死一部分同類(lèi)，以維持家族生態(tài)平衡。“更好地活著(zhù)，并繁育下一代，是一切生物的本能。”孔垂華說(shuō)道。

　　因此，科學(xué)家希望把化感物質(zhì)的產(chǎn)生與作物產(chǎn)量維持在一個(gè)平衡點(diǎn)。

　　“我們把那些具有天然抗雜草基因的水稻品種與高產(chǎn)水稻品種進(jìn)行雜交選育，得到一些能夠自己釋放‘除草劑’從而實(shí)現自我保護的品種。”2009年，孔垂華與其他科學(xué)家合作培育的“化感稻3號”在廣東省通過(guò)品種審定，2015年通過(guò)國家審定。

　　經(jīng)過(guò)田間試驗，化感稻3號至少能減少50%的除草劑用量。如今，化感稻家族已經(jīng)越來(lái)越興旺，至少已有5-6個(gè)品種通過(guò)審定。

　　2018年10月，《新植物學(xué)家》雜志報道了孔垂華團隊的又一項成果：在為期3年的田間試驗中，這些自我保護水稻品種與親屬識別合作產(chǎn)量增加了5%。這意味著(zhù)，化感稻實(shí)現了既能除草又能保持產(chǎn)量的目標。

　　“在生態(tài)安全條件下維持穩定的糧食供應是人類(lèi)永恒的目標，目前全球范圍內，除草劑的用量遠遠大于殺蟲(chóng)劑和滅菌劑?，F在，我們有了更自然的辦法解決這個(gè)問(wèn)題。”孔垂華告訴記者。