没有神经也能迅速反应：科学家首次看清植物防御过程

编译| 施怿

　　来源：环球科学ScientificAmerican

　　从草履虫游向肉汁、远离盐水的趋利避害行为，到脊椎动物中枢神经系统整合传感和反应的复杂信号网络――感受外界环境的刺激、并对不同的刺激产生不同的反应，是生物都具有的能力。

　　和动物的神经系统类似，植物也具有信号传导系统：如果一片叶子受伤，植物体的其他部分也会很快触发防御反应。植物生理学家早已观察到，受伤的叶片会发生电化学改变，这种变化会扩散到整株植物体。但没有人确切地知道这种电荷改变是如何被触发的、又如何在植物体中发生扩散。

　　现在，科学家使用一种表达特殊荧光蛋白的拟南芥，清晰地看到了植物防御系统对毛虫取食、剪刀剪切等损伤产生反应的过程。

　　实验证明，电荷改变是由谷氨酸受体样蛋白家族（GRL-family）触发的。谷氨酸是植物体内重要的损伤信号，而谷氨酸受体样蛋白家族则担任了植物损伤感受器的角色，它能够诱导植物细胞内的钙离子浓度升高。


荧光蛋白标示出了钙离子浓度升高的区域，颜色越亮，浓度越高。

　　损伤信号是如何在植物体中扩散的？在受到损伤的短时间内，钙离子浓度变化就能传播到远处的器官，并在那里诱导防御反应。以上图片展示了这一过程。图A的虚线框是一只正在啃食拟南芥叶片的毛虫。从左到右，可以直观地看出，被毛虫啃食的叶片首先发出荧光，在短短1分钟的时间里，荧光迅速扩散到了远端的其他叶片中。这些荧光信号在植物的维管系统中尤其明显。在图B中，损伤信号由被剪刀剪断的叶片（L1）产生，也在同样的短时间内传导到了远端叶片（L5、L6）处，证明这种损伤信号不会特异性识别食草动物的化学气味。

　　该研究找出了植物损伤信号的产生和扩散之间的联系：谷氨酸受体蛋白。在哺乳动物中，谷氨酸是一种在突触间短距离作用的神经递质，谷氨酸受体在兴奋性神经信号迅速传导过程中十分关键。但研究揭示出的谷氨酸在植物防御系统中所扮演的角色更像某种激素，而不同于哺乳动物中的神经递质。


荧光蛋白标示出了谷氨酸浓度升高的区域，颜色越亮，浓度越高。

　　这项研究也提出了新的问题：植物没有神经系统，那么谷氨酸是如何诱导钙离子浓度变化进行长距离传导的？图中，荧光标记的谷氨酸最初在损伤处信号最强，随后离开损伤叶片，并沿着维管系统延伸。科学家据此提出假说，认为植物的胞间连丝和维管系统可能在其中发挥了重要作用。而真相究竟如何，还需要后续研究继续探索。