番茄（tomato）如何回應隱形的夥伴與敵人

 

番茄天蛾。圖片來源：維基百科

面對環境變化，植物總要努力因應。我們過去知道，植物在被昆蟲啃咬的時候會釋放揮發性化合物（VOC），但是，最近的一個研究卻有不太一樣的結果。

他們使用了四種不同的番茄（Solanum lycopersicum L.）品系進行實驗，分別是：

1. Mountain Fresh F1 (MF): 這是一個具有強大適應性的品系，能夠在涼爽和潮濕的環境中生長。它能生產大型、重達8-16盎司的果實，味道良好，並且對多種病害有很強的抵抗力。由北卡羅來納州立大學的Dr. Randy Gardner開發。

2. Valley Girl F1 (VG): 資料較少，可能也是針對特定生長條件進行優化的雜交品系。

3. Amish Paste OG (AP): 這是一個擁有超過100年歷史的傳統品系。它是不定性品系，意味著它會持續生產番茄直到霜凍來臨。Amish Paste番茄生產大型的果實，具有獨特的甜和酸的風味。

4. Cherokee Purple OG (CP): Cherokee Purple是一個古老的番茄品系，果實在成熟時呈深色，表皮近蒂部保持一定的綠色。這種番茄因其深紅色的內部和清晰的表皮組合而呈現出獨特的顏色。

實驗中使用的昆蟲是「番茄天蛾」（Manduca sexta），這是一種常見的害蟲，主要在夜間活動，會對番茄、煙草等植物造成損害。

四種番茄品系，每個進行了四種處理，每種處理有八次重複，總共128個盆栽。每個品系的一半接種了叢枝菌根真菌（AMF），另一半在收集揮發物前48小時暴露於昆蟲取食。處理組（每種處理8個）如下：1) 無AMF + 無取食，2) 無AMF + 取食，3) AMF + 無取食，以及4) AMF + 取食。所有植物都在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）植物護理設施（PCF）的溫室中生長，在25°C ± 5°C、50 ± 5％相對濕度和14L:10D光照周期下養育三周。

這個研究使用了市面上可購得的叢枝菌根真菌MycoApply® Ultrafine Endo/Ecto接種劑，由Mycorrhizal Applications公司（位於美國俄勒岡州格蘭特帕斯）生產，並由A.M. Leonard Horticultural Tool & Supply Co.（位於美國俄亥俄州皮奎）購得。該接種劑包含四種AMF菌根真菌：內生根圈霉（Glomus intraradices）、摩西根圈霉（Glomus mosseae）、聚合根圈霉（Glomus aggregatum）、以及埃圖尼根圈霉（Glomus etunicatum）。

研究團隊想要探討在不同的番茄品種中，菌根真菌共生和番茄天蛾取食對植物揮發性有機化合物（VOCs）排放的影響，以及這些因素如何影響植物的生長特性。這些發現對於理解植物與其生態環境之間的相互作用以及在農業生產中的應用具有重要意義。

實驗結果顯示：

1. VOCs排放：研究發現，無論是菌根真菌的共生還是番茄天蛾的取食，都會導致番茄植物的揮發性有機化合物（VOCs）排放量降低。這一發現與通常植物對生物壓力反應增加VOCs排放的預期相反。

2. 菌根真菌的共生效應： 菌根真菌的共生能夠促進植物生物量的增加，顯示出共生關係對植物生長的正面影響。這可能是因為菌根真菌改善了植物的營養吸收效率或者激活了某些植物防禦機制。

3. 品系間的差異：不同的番茄品系在VOCs排放量上展現出顯著差異，顯示品系特有的遺傳特徵可能影響植物對環境壓力的反應。

總共檢測出21種VOCs，在這些VOCs中，β-橙花烯、β-蒎烯、(+)-4-蒈烯、α-蒎烯、β-萜烯、葉烯、γ-萜烯、p-樟腦和十五烷對於區分雜交品系和傳統品系有最顯著的貢獻。總VOC排放量（即所有21種檢測出的化合物的總和）因番茄品系、菌根真菌的共生和昆蟲取食而變化，所有測試的番茄品系總VOC排放量均因菌根真菌的共生和昆蟲取食而降低。

在無AMF無取食的情況下（no AMF no herbivory），雜交番茄比傳統品系排放更少的烷烴1-十五烷。無論是在對照處理（無AMF無取食）還是在組合處理（+AMF +取食）中，雜交品系都排放了倍半萜類的蒲葵烯，而傳統品系則沒有排放蒲葵烯。在組合處理（+AMF +取食）中，雜交番茄還顯示出更少（只有兩種）的烷烴（新異龍血脂8,9-脫氫-和十五烷），而傳統品系則排放了所有三種烷烴（1-十五烷，新異龍血脂8,9-脫氫-和十五烷）。

此外，非度量多維縮放（NMDS）分析的二維圖表顯示，僅有番茄品系顯示出強烈的分離效應，傳統品系與雜交品系呈現出不同的聚類，展現出品系對總VOC組成的顯著影響 。

這些結果強調了植物、菌根真菌和昆蟲之間複雜的生態互動，以及這些互動如何影響植物的化學通訊和生長特性。進一步的研究可以提供對這些互動機制更深入的了解，並為改進農業提供科學依據。

參考文獻：

Dady, E.R., Kleczewski, N., Ugarte, C.M. et al. Plant Variety, Mycorrhization, and Herbivory Influence Induced Volatile Emissions and Plant Growth Characteristics in Tomato. J Chem Ecol 49, 710–724 (2023). https://doi.org/10.1007/s10886-023-01455-w