芥末植物（Aratani et al., Nature Communications, 2023）对另一植物释放的空中危险信号做出反应。科学家通过实时成像技术揭示了植物如何通过空气中的化合物接收和响应危险信号，发现特定化合物可诱导植物细胞产生钙信号，揭示了植物间无形的通信网络。
芥末植物（Aratani et al., Nature Communications, 2023）对另一植物释放的空中危险信号做出反应。
对我们来说难以察觉的是，植物被一层由空气传播的化合物构成的细雾所包围，它们利用这些化合物进行交流和自我保护。这些化合物类似于气味，可以驱赶饥饿的食草动物并警告邻近植物有即将到来的攻击者。
自20世纪80年代以来，科学家们就已经知道这些植物防御机制，并从那时起在超过80种植物物种中检测到它们。最近，一支日本研究团队利用实时成像技术揭示了植物如何接收和响应这些空中警报。
这是我们对植物“交谈”理解上的一个重大空白：我们知道植物如何发送信息，但不知道它们如何接收信息。
在去年发表的研究中，日本埼玉大学的分子生物学家Yuri Aratani和Takuya Uemura及其同事设置了一个泵，将受伤和昆虫侵袭的植物排放的化合物转移到它们未受损的邻近植物上，并使用荧光显微镜观察了发生的情况。
他们将毛虫（Spodoptera litura）放置在番茄植物和拟南芥（Arabidopsis thaliana，芥末科的一种常见杂草）的叶片上，然后研究人员成像了一个完整的、未受昆虫侵袭的拟南芥植物对这些危险信号的响应。
这些植物并非普通的杂草：它们经过基因改造，因此它们的细胞含有一个生物传感器，当检测到钙离子（calcium ions）流入时会发出绿色荧光。钙信号（calcium signaling）是人类细胞用来交流的一种方式。
该团队使用了一种类似的技术来测量去年荧光含羞草（Mimosa pudica）植物中的钙信号，含羞草植物会迅速移动它们的叶子以响应触摸，以避免捕食者。
这一次，该团队可视化了植物如何响应被挥发性化合物包围的情况，这些化合物是植物在受伤后几秒钟内释放的。
这不是一个自然设置；化合物被集中在一个塑料瓶中，并以恒定速率泵送到接受植物上，但这使研究人员能够分析混合物中的化合物。
正如你在上面的视频中所看到的，未受损的植物清晰地接收到了它们受伤邻居的信息，以钙信号的爆发作为回应，这些信号在它们伸展的叶片上波动。
在分析空气传播的化合物时，研究人员发现两种化合物Z-3-HAL和E-2-HAL在拟南芥中诱导了钙信号。
他们还通过在保卫细胞（guard cells）、叶肉细胞（mesophyll cells）或表皮细胞（epidermal cells）中仅设计拟南芥植物的荧光传感器来识别哪些细胞是首先响应危险信号的。
保卫细胞是植物表面形成气孔（stomata）的豆形细胞，当植物“呼吸”二氧化碳时，这些小孔会向大气开放。叶肉细胞是叶子的内层组织，而表皮细胞是植物叶子的最外层或皮肤。
当拟南芥植物暴露于Z-3-HAL时，保卫细胞在大约一分钟内产生了钙信号，之后叶肉细胞接收到了信息。
更重要的是，用一种关闭气孔的植物激素（phytohormone）预处理植物显著减少了钙信号，这表明气孔作为植物的“鼻孔”。
“我们终于揭开了植物何时、何地以及如何响应来自受到威胁的邻居的空中‘警告信息’的复杂故事，”日本埼玉大学的分子生物学家Masatsugu Toyota，该研究的高级作者，在研究发表时解释说。
“这种难以察觉的交流网络在我们的视野之外，对于及时保护邻近植物免受迫在眉睫的威胁起着关键作用。”
该研究已在《自然通讯》（Nature Communications）上发表。
本文的早期版本于2024年1月发表。