通过空气中的挥发物实现植物间通讯的实时可视化

植物在受到机械损坏或昆虫袭击时会向大气中排放挥发性有机化合物 (VOC)。未受损的邻近工厂将释放的 VOC 视为危险线索，以激活针对即将到来的威胁的防御响应(图 1)。这种植物之间通过 VOC 在空气中进行交流的现象于 1983 年首次被记录，此后已在 30 多种不同的植物物种中观察到。然而，VOC 感知防御诱导的分子机制仍不清楚。

揭开耳机 对话的面纱

由 Masatsugu Toyota 教授(日本埼玉大学)领导的团队通过 VOC 实时可视化植物与植物之间的通信，并揭示了植物如何吸收 VOC，从而针对未来的威胁启动依赖于 Ca 2+ 的防御反应。

这项开创性的研究将于 2023 年 10 月 17 日发表在《自然通讯》上。 Yuri Aratani 和 Takuy​​a Uemura 作为博士领导了这项工作。分别是丰田实验室的学生和博士后研究员，并与日本山口大学的 Kenji Matsui 教授合作。

丰田表示：“我们建造了设备，将毛虫喂养的植物排放的挥发性有机化合物泵送到未受损的邻近植物上，并将其与野外实时荧光成像系统结合起来。” 这种创新装置可视化芥菜拟南芥暴露于受昆虫损害的植物释放的挥发性有机化合物后，荧光爆发的爆发(图 2;视频 1)。植物产生细胞内Ca 2+的荧光蛋白传感器，因此，可以通过观察荧光的变化来监测细胞内Ca 2+浓度的变化。

“除了昆虫攻击之外，手动粉碎的叶子释放的挥发性有机化合物还会在未受损的邻近植物中诱导 Ca 2+信号，”丰田说(视频 2)。

为了确定哪种类型的 VOC在植物中诱导 Ca 2+信号，丰田的科学家团队研究了各种已知能在植物中诱导防御反应的 VOC。他们发现两种 VOC，( Z )-3-己烯醛 ( Z -3-HAL) 和 ( E )-2-己烯醛 ( E -2-HAL)，均为六碳醛，在拟南芥中诱导 Ca 2+信号。图 3;视频 3)。Z -3-HAL 和E -2-HAL 是空气中具有青草气味的化学物质，被称为绿叶挥发物 (GLV)，从机械损坏和食草动物损坏的植物中释放出来。

将拟南芥暴露于Z -3-HAL 和E -2-HAL 会导致防御相关基因的上调。为了了解 Ca 2+信号与防御反应之间的关系，他们用 Ca 2+通道抑制剂 LaCl 3和 Ca 2+螯合剂 EGTA处理拟南芥。这些化学物质抑制了 Ca 2+信号和防御相关基因的诱导，提供了拟南芥感知 GLV 并以 Ca 2+依赖性方式激活防御反应的证据。

他们还通过改造只在保卫细胞、叶肉或表皮细胞中表达荧光蛋白传感器的转基因植物，确定了哪些特定细胞表现出响应 GLV 的 Ca 2+信号。Z -3-HAL 暴露后，大约 1 分钟内在保卫细胞中产生Ca 2+信号，然后在叶肉细胞中产生，而表皮细胞产生 Ca 2+信号的速度更慢(视频 4)。保卫细胞是植物表面的豆形细胞，形成气孔，即连接内部组织和大气的小孔。

“植物没有&luo;鼻子&ruo;，但气孔充当植物网关，介导 GLV 快速进入叶组织的间隙，”Toyota 说。事实上，他们发现用脱落酸 (ABA)(一种以其关闭气孔的能力而闻名的植物激素)进行预处理，可以减少野生型叶子中的Ca 2+反应。另一方面，ABA 诱导的气孔关闭受损的突变体即使在用 ABA 处理时仍能维持叶子中正常的 Ca 2+信号。

“我们终于揭开了植物何时、何地以及如何响应来自受威胁邻居的空中&luo;告信息&ruo;的复杂故事，”他说。“这个飘逸的通信网络隐藏在我们的视线之外，在及时保护邻近工厂免受迫在眉睫的威胁方面发挥着关键作用，”他补充道。

这项开创性的研究不仅加深了我们对令人惊叹的植物世界的认识，而且强调了大自然以非凡的方式使它们能够在逆境中茁壮成长和适应。这些发现的深远影响远远超出了植物科学的范围，让我们得以一睹地球上生命错综复杂的景象。

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