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植物也有亲属关系

2019-1-6@艾米

植物也有亲属关系

对于人和许多其他动物来说,家庭很重要。在我们周围,想想有多少工作是留给亲戚的。或者,蚂蚁如何无情地攻击入侵者的蚂蚁,却是如何拯救受伤的亲密同伴。毕竟,帮助亲属有很好的进化理由。现在看来,家庭感情也可能在植物中激起。

十多年前,一位加拿大生物学家为这一想法埋下了种子,但许多植物生物学家认为植物缺少“能使动物能够识别亲属”类似的神经系统,所以它们如何能知道自己的亲属呢?但是,随着最近一系列研究结果表明,植物确实会以一种安静的、植物性的方式照顾基因上最亲近的“同龄人”,这一观点正在扎根。有些物种会限制它们的根部扩散的距离,另一些物种会改变它们开出的花朵数量,还有一些物种会倾斜或移动它们的叶子以最大限度地减少彼此遮荫的程度,从而有利于相关(亲属)个体。

植物进化生态学家苏珊·达德利说:“我们需要认识到,植物不仅能感知它是亮的还是暗的,或者它们是否被触摸过,而且还能感知到它们与谁相互作用。”植物亲属识别研究引发了许多科学家的兴趣。

除了扩宽对植物行为的看法之外,这项新工作可能具有实际意义。2018年9月,中国的一个研究小组报告称,种植近亲的水稻生长得更好,这一发现表明可以利用家庭关系来提高作物产量。化学生态学家安德烈·凯斯勒说:“似乎任何人在寻找它时,都能找到亲属效应。”

从白蚁到人类,亲属的行为在动物身上反复进化,表明帮助亲人传递共有基因有很大的优势。达德利认为,同样的进化力量应该也适用于植物。在研究人员证明植物可以区分“自我”与“非自我”的根源后不久,她测试了它们是否也能分辨出并偏爱亲属关系。她种植了北美海滩上发现的多汁植物searocket,有亲戚的盆或来自同一种群的非亲属植物的盆。对于陌生人,searocket大大扩展了它的地下根系,但是对于亲戚来说,它控制着这些竞争性的冲动,可能会为亲属留下更多的空间来获取营养和水。这项发表于2007年的声明震惊了同事们。一些人严厉批评了这项工作,理由是有缺陷的统计数据和糟糕的研究设计。

然而,此后,其他研究人员证实了她的发现。最近,在瑞士洛桑大学及西班牙国家研究委员会的Torices及其同事合作,展示了草本植物桑枝(moricandia moricandioides)在开花方面的合作。研究小组在盆中单独或与3或6个不同相关性的邻居一起种植了770棵幼苗后,发现与亲属一起种植的植物会产生更多的花朵,使它们对授粉者更有诱惑力。Torices和他的同事在2018年5月22日的《自然通讯》杂志上报道,在最拥挤的亲戚盆栽中,花卉的展示尤其引人注目。

Torices称亲属效应是“无私的”,因为每个植物都放弃了一些最终的种子制造潜力,以消耗更多的能量来制造花朵。最后,他怀疑,在密切相关(彼此为亲属)的盆中,更多的种子受到整体施肥。

怀疑挥之不去。植物是识别遗传亲属,还是简单地认识到它的邻居与自己或多或少相似?在法国国家农业研究所蒙特皮勒前哨研究作物的人口生物学家埃莱娜·弗雷维尔说“我不认为在植物中已经有令人信服的证据证明亲属已被认可。”

然而,山艾树灌木丛(蒿属),提供了一些强有力的线索。当被食草动物伤害时,这些植物会释放挥发性化学物质,刺激邻近的山艾树,使化学物质对其共同的敌人有毒。加州大学戴维斯分校的生态学家理查德·卡尔班(Richard Karban)想知道亲属是否受到优先警告。他的研究小组已经发现,山艾树植物大致分为两种“化学型”,当它们的叶子受损时,它们主要发出樟脑或另一种叫做thujone(侧柏酮)的有机化合物。该团队表明,这些化学型是可遗传的,使其成为潜在的亲属识别信号。2014年,研究人员报告说,当一种化学型植物的挥发物被应用于同一类型的植物时,这些植物的抗食草动物防御能力更强,并且其虫害比将挥发物用于另一种化学型的植物时要小得多,这是一种亲属效应的暗示。

拟南芥(Arabidopsis thaliana)提供了另一条线索。大约8年前,布宜诺斯艾利斯大学的植物生物学家豪尔赫·卡萨尔注意到,在亲属旁生长的拟南芥改变了叶子的排列以减少对邻居的遮荫,但是当邻居与自身非亲属时则不会。然而,他们是如何感知亲属的存在却是一个谜。

这些植物确实有光传感器,2015年,卡萨尔的团队发现,反射光照射到附近的叶子上的强度表明了相关性并引发了重新排列。亲戚们倾向于在同一高度发芽,在彼此的叶子上反射更多的光。通过移叶来减少彼此遮荫的程度,亲戚们的生长会更加旺盛,种子也会更多。卡萨尔说“在已经确定了线索、受体和适应性结果的植物中,没有其他的亲属识别案例。”

此后,他已经证明,当向日葵近亲种植时,他们也会安排自己远离彼此的方式。卡萨尔和他的同事们在2017年的《美国国家科学院学报》上报道说,向日葵将它们的枝条交替地朝向一排或另一排的一边倾斜。利用这种效应,他们每平方米种植10到14株相关的植物 – 这是商业种植者闻所未闻的密度 – 并且从允许彼此倾斜的植物中获得的油比被迫直接生长的植物高出47%。

北京中国农业大学的化学生态学家孔垂华正在利用类似的效果来提高水稻产量。他的实验室研究水稻品种,它们在根部释放除草化学物质。目前,它们的产量还不够高,无法取代需要除草剂的常见品种。但是,在为期3年的田间试验中,孔垂华及其同事在2018年9月下旬的《新植物学家》杂志上报道说,在与亲本(而非无关植物)一起种植的情况下,亲本识别的自保水稻品种的产量增加了5%。为了更大规模地测试这种方法,他和其同事正在华南的稻田中种植杂草杀灭菌株的“亲属”幼苗。

英国雷丁大学的生态学家布赖恩·皮克斯(Brian Pickles)提出,亲属识别甚至可以帮助森林再生。通过追踪由地下真菌连接的树木之间的养分流动和化学信号,他发现,冷杉优先喂养他们的亲属,并警告他们昆虫的攻击。这一发现表明,一个冷杉家族的生长速度将快于不相关的树木。

对于一些生物学家来说,沟通、合作植物的新兴图景仍然基于薄薄的证据。洛桑大学的进化生物学家劳伦特·凯勒(Laurent Keller)表明,拟南芥中一些明显的亲属识别迹象可能源于植物之间的先天差异,需要更严谨的研究。他说“人们已经开始意识到,仔细考虑实验的设计,以排除其他可能的解释是很重要的”。

凯勒保持开放的心态,并预测将出现更强有力的植物亲属识别证据。卡班已经确信,他说“我们正认识到,植物的行为比我们想象的要复杂得多,这真的很酷。”

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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