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通風報信的植物

植物受傷時會有什麼反應?過去的研究讓我們瞭解,當植物被攻擊(受到病原菌感染、受傷)時,會釋放出揮發性有機物質(VOCs,Volatile Organic Compounds),讓自己以及附近的植物啟動防禦機制。這個作用有點像古代的烽火臺,當敵人來襲就燒起狼煙,附近的人看到狼煙就知道這裡出事了,要加強戒備。

不過,當附近的植物感應到VOCs時,它們會如何加強自己的防禦機制呢?過去的實驗發現,當植物的地上部位受到病原菌感染時,會傳遞信號給自己的根,接著根部的鋁活化蘋果酸運輸蛋白(ALMT1,aluminum-activated malate transporter)便會活化後釋放蘋果酸(malate)到土壤中來召喚枯草桿菌 UD1022(Bacillus subtilis UD1022)這隻植物的益菌。這些現象是否不僅僅發生在苦主、也發生在附近的植物身上呢?

康納(Connor Sweeney)和他在德拉瓦大學的指導教授,最近發現:不只是受傷的植物本身會進行這些防禦機制、附近的植物也會呢!

康納是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因為對科學有興趣,寫了e-mail給德拉瓦大學(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表達希望能進他的實驗室學習。當白斯老師回信說「OK」的時候,康納高興得不得了。

於是他就開始了他的實驗室生活:下課後、週末以及暑假,康納都在白斯老師的實驗室裡種阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。雖然他也是高中的游泳校隊,但他盡可能地投入時間作實驗。

成果是豐碩的。兩年後,康納在白斯教授的指導下,解出了植物接到鄰居的「狼煙」以後,接下來做了什麼;他們的成果發表在2017年的「植物科學前鋒」(Frontier in Plant Science)期刊上。

以一個高中生來說,這可是個非同小可的成就;康納不只是付出了許多努力,他也細心觀察每一個實驗。因為他夠細心,所以才沒有錯失了重要的發現。

這個重要的發現是什麼呢?有一天他如常地進行實驗:把一株阿拉伯芥用鑷子弄了幾個傷口,準備明天觀察它的反應。不同的是,這次旁邊有一株阿拉伯芥沒有被他弄傷。

第二天他看到了令他不敢相信的結果:旁邊的阿拉伯芥的主根變長、而且還長出了不少側根。

於是他們做了更多測試。他們發現:旁邊有受傷的伙伴的小芥們,主根生長的速度大約是控制組的1.64倍;側根則多長了4.25條。這個現象,不管這兩株植物距離2公分或4公分,結果都是一樣的。

分區培養皿。圖片取自網路

會不會這兩株小芥其實是用根分泌物質到培養基裡面來通風報信呢?康納使用分區培養皿,把兩株小芥種在兩區。如此一來,因為培養基被隔開,它們就不可能透過培養基交換物質了。實驗結果還是一樣,有受傷伙伴在旁邊的小芥們,主根生長的速度變快、側根生長的數目增加。這表示:受傷的植物應該是釋放VOCs讓旁邊的植物們得以感應,然後啟動主根與側根的生長。

因為根的生長與生長素(auxin)有關,所以接著康納進一步測試:旁邊有受傷伙伴的小芥們是否啟動了與生長素相關的基因呢?他以對生長素有反應的DR5啟動子(DR5 promoter)連接β-葡萄糖醛酸苷酶(β-glucuronidase,GUS)來觀察這些植物們,因為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,化學式C14H13BrClNO7)轉化為藍色的化合物,所以非常容易觀察。結果發現,與生長素相關的基因,在根部表現得非常多;也就是說,實驗中所看到的主根延長加速、側根數目增加,的確與生長素有關。

接著康納又測試旁邊有受傷伙伴的小芥們是否跟被病菌感染的植物一樣,會啟動ALMT1?康納把ALMT1的啟動子連到β-葡萄糖醛酸苷酶前面,觀察ALMT1基因是否在根部被啟動了。結果也是肯定的。這麼一來,接著當然就想瞭解,這些小芥們是否也能召喚枯草桿菌UD1022呢?
圖片:老葉

以共軛焦顯微鏡觀察,康納發現在與受傷小芥相處24小時後,這些沒有受傷的植物們的根部有更多的枯草桿菌UD1022來形成生物膜(biofilm);所以當植物受傷的時候,不僅自己的防禦機制會提升,也會透過釋放VOCs來通知附近的植物們,而附近的植物們在接到VOCs的「狼煙」後,便會趕緊長多一點根,好來吸收更多的水分與礦物質。除此之外,位於根部的ALMT1也趕緊釋放出更多的蘋果酸來召喚枯草桿菌UD1022,讓這些益菌們幫它把根部給武裝起來,這樣等一下才能抵禦外侮!

看來真的很酷,不過筆者有點好奇是:之前曾有研究發現,植物對不同的掠食者會有不同的反應,不知道如康納所進行的單純機械性傷害與真正被病原菌感染之間,植物的反應是否會有所不同呢?當然這就有賴白斯教授的研究團隊再進行進一步的研究了。對康納來說,在實驗室兩年能夠有這樣的成果,真的也很不容易呢!在筆者的研究生涯中,也看過不少高中生、大學生來來去去不同的實驗室,能夠累積到足以發表期刊論文的真有如鳳毛麟角,康納真的是個好小子!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

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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