朱砂夜蛾幼蟲取食千里光植株。受訪者供圖

記者 張晴丹

在植物研究領(lǐng)域中，一直存在一個熱點假說——專食性昆蟲及其天敵的存在驅(qū)動了植物葉片揮發(fā)物自然進化“升級”，從而使得該植物具備了多種防御能力。近日，這一假說被首次證明。

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)與國內(nèi)外專家團隊合作研究，在《當代生物學(xué)》雜志在線發(fā)表了名為《一種入侵植物的進化證明了植物葉片揮發(fā)物的防御功能》的研究論文。該成果有望促進科研人員研究出提高植物自我保護能力的方法，達到生物防治害蟲的效果。

自帶“驅(qū)蟲劑”和“引誘劑”

在大自然里，動物往往為了存活而身懷絕技，比如臭鼬在遇到危險或威脅時，會釋放出奇臭無比的氣味，幫助自己逃生保命。實際上，在植物中也存在不亞于動物的“聰明”角色。

“植物葉片一般會釋放兩種不同類型的揮發(fā)物。第一種是在正常情況下隨時都在釋放的揮發(fā)物，稱為組成型揮發(fā)物；第二種是在特定情況下才會釋放的昆蟲誘導(dǎo)型揮發(fā)物。”論文第一作者、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院副教授林恬恬在接受《中國科學(xué)報》采訪時介紹。

昆蟲分為兩種：一種是普通昆蟲，屬于雜食性，對于植物的選擇面較廣；另一種是專食性昆蟲，專門認準一種植物啃食。

在林恬恬看來，組成型揮發(fā)物是一種天然的“驅(qū)蟲劑”，能防御一些普通昆蟲來啃食葉片。這種揮發(fā)物在任何條件下都可釋放，普通昆蟲聞到這個味道后，就知道這種植物葉片有“毒”，從而不愿來產(chǎn)卵，“因為一旦把‘后代’產(chǎn)在這里，卵孵化后就必須吃這種植物，后代會集體‘服毒’導(dǎo)致‘團滅’”。

但總有一類“奇葩”喜歡特立獨行。組成型揮發(fā)物反而會吸引專食性昆蟲來產(chǎn)卵，它們專門來吃這種有“毒”的植物，并且已經(jīng)與這類植物共同進化幾百年，練就了“吸毒神功”，把毒素累積在自己體內(nèi)，以此來避免被自己的天敵吃掉。

你以為植物就此坐以待斃了嗎？事實并非如此。為了活下去，植物放了一個大招！

“當專食性昆蟲啃食葉片時，植物會立即大量釋放另外一種‘引誘劑’——昆蟲誘導(dǎo)型揮發(fā)物，召喚這種昆蟲的天敵前來‘救駕’。”林恬恬說，比如毛毛蟲的天敵——寄生蜂類昆蟲，在附近聞到這種揮發(fā)物，會飛過來在專食性昆蟲的幼蟲里產(chǎn)卵，卵孵化后寄生在專食性昆蟲的幼蟲里，從而吃掉這些幼蟲獲得生長所需的營養(yǎng)，與植物一起達到“雙贏”。

一種特殊植物驗證假說

在植物研究領(lǐng)域中，這種神奇的功能和現(xiàn)象其實并不罕見，許多科研人員都曾觀測到，但是卻一直沒有人證明過植物揮發(fā)物的進化與昆蟲有關(guān)。

“因為大家都沒能找到一種理想的植物種群以及與其相對應(yīng)的昆蟲類群開展研究。”林恬恬表示，像這種進化一般會經(jīng)過上百年的時間，要印證這個結(jié)論，需要跨越很長周期，找適合的研究對象太難了。

尋尋覓覓均未果，最終，研究團隊突發(fā)奇想——“可以用入侵植物來作為研究對象”。一種名為千里光的植物擔(dān)起了重任，是難得的天然實驗材料。

千里光是多年生植物，原產(chǎn)于歐亞大陸，后通過人類攜帶、跟隨傳播等方式傳入北美洲，大約在150年前入侵了澳大利亞、新西蘭等國。

研究便在這些地方開展，團隊成員遍布歐洲共采集了20多種不同種群的本土千里光，然后與從美國、加拿大、澳大利亞以及新西蘭等入侵地采集的千里光種群做對比，尋找揮發(fā)物含量的差別。他們還在歐洲本土采集專食性昆蟲朱砂夜蛾及其天敵寄生蜂參與實驗。

他們發(fā)現(xiàn)，千里光在入侵后很多性狀發(fā)生了改變。與歐洲本土千里光種群相比，入侵的千里光種群釋放的組成型揮發(fā)物含量非常高，而被專食性昆蟲啃食后釋放的昆蟲誘導(dǎo)型揮發(fā)物含量很低。

林恬恬解釋道，因為在入侵地幾乎沒有這類專食性昆蟲及其天敵存在，所以植物不需要在“引誘劑”這方面投入精力了，昆蟲誘導(dǎo)型揮發(fā)物也就不用釋放那么多，植物因此長得更高更壯。但是在這里還有許多普通昆蟲存在，所以提高了組成型揮發(fā)物釋放量來驅(qū)散它們。

這就說明，植物也有自己的“最強大腦”，在進化過程中與“敵人”一起“修煉”變得更加隨機應(yīng)變，會根據(jù)不同昆蟲類群來靈活調(diào)節(jié)自己的防御能力——應(yīng)該多用“驅(qū)蟲劑”還是“引誘劑”。

雙實驗強化結(jié)論

團隊通過昆蟲嗅覺及產(chǎn)卵實驗也證實了這個行為。科研人員把本土千里光和入侵種千里光放在同一個四臂嗅覺儀里，四個瓶子之間有連接管，揮發(fā)物的味道會傳入中間的“核心區(qū)域”——吸氣裝置，然后把昆蟲放到“核心區(qū)域”，讓它們自我選擇喜歡的味道。

該實驗測出，本土千里光的“引誘劑”含量更高，寄生蜂會選擇本土千里光，而不會去選擇入侵種千里光，因為入侵種千里光幾乎不再釋放“引誘劑”，這也恰恰說明入侵種的植物在進化中喪失了這個能力。

科學(xué)的嚴謹就是不斷通過實驗去佐證，團隊為此特地開展了田間自然寄生率實驗。在荷蘭的一個千里光植物源生地，他們專門開辟了一塊地分別種植本土千里光和入侵種千里光，并人為地往葉片放置專食性昆蟲——毛毛蟲，過段時間后“收回”這批毛毛蟲，觀察它們是否被寄生蜂寄生。

“經(jīng)過多次實驗，我們發(fā)現(xiàn)，在田間環(huán)境下，入侵種千里光幾乎沒有寄生蜂，大部分寄生蜂都飛去本土千里光上尋找毛毛蟲寄生，在入侵種千里光上的毛毛蟲則很少受到寄生蜂攻擊。”林恬恬說。

這些實驗結(jié)果都充分揭示了專食性昆蟲及其天敵都參與驅(qū)動了植物葉片揮發(fā)物的進化，證實了植物葉片揮發(fā)物確實具有非常重要的防御功能。

對這項研究來說，一切并未結(jié)束。千里光只是一種研究材料，科研人員需要在探索中進一步打開“思維”。

“未來可以在其他材料上應(yīng)用，比如在玉米、水稻等農(nóng)作物上尋找揮發(fā)物的調(diào)控基因，用基因編輯的手段來提高‘驅(qū)蟲劑’‘引誘劑’的含量，促進其揮發(fā)，從而在田間形成一個自主防御系統(tǒng)避免蟲害，不需要再人為噴施農(nóng)藥，既省時省力省錢，也更加綠色環(huán)保。”林恬恬表示。