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中國科學(xué)院昆明植物研究所
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科學(xué)普及
科普文章

萬萬沒想到:植物是這樣防止被吃的~

文章來源:科學(xué)大院  |  發(fā)布時(shí)間:2017-06-28  |  作者:張井雄,吳建強(qiáng)  |  瀏覽次數(shù):  |  【打印】 【關(guān)閉

 

 

  蚜蟲取食植物

  你一定見過路邊的樹葉被吃的慘不忍睹,你也一定聽過蟲害肆虐的報(bào)道,因此,你會(huì)不會(huì)覺得我們今天要討論的這個(gè)話題有點(diǎn)兒嘩眾取寵?但我要告訴你,No!不信?我們就來看看植物的防蟲術(shù)吧! 

  植物與昆蟲:神奇的“共進(jìn)化” 

  從一開始,昆蟲和植物的關(guān)系就很微妙。 

  總體而言,植物和蟲的關(guān)系可以分為兩類:一類是相互受益,比如,昆蟲給植物傳播花粉,而植物為昆蟲提供食物,可謂相得益彰,互利互惠; 然而,自然界中更普遍的植物和蟲的關(guān)系卻是第二類——單純的取食行為。 

 

  大多數(shù)昆蟲普遍以植物為食 

  據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界大約存在792000種昆蟲,這些昆蟲中,大約45%以植物為食,我們稱之為植食昆蟲,以下簡稱昆蟲。 

  事實(shí)上,所有的植物都會(huì)被至少一種蟲類所取食,這就是共進(jìn)化理論(co-evolution)。

  有化石證據(jù)表明,昆蟲對(duì)植物的取食行為最早發(fā)生在大約3.5億年前。3.5億年前是個(gè)什么概念呢?那個(gè)時(shí)候恐龍都還沒有出現(xiàn)呢。 

 

  蜜蜂與植物的互利互惠 

 

  桃蚜對(duì)煙草的取食 

  那么,什么是共進(jìn)化理論呢?

  共進(jìn)化,也叫協(xié)同進(jìn)化,最初由Ehrlich和Raven在研究粉蝶與其寄主十字花科植物關(guān)系時(shí)提出。

 

  蝴蝶與植物的相互作用是共進(jìn)化的典型 

  簡要說來就是,植物通過進(jìn)化,產(chǎn)生一系列的次生代謝物(植物中一大類并非生長發(fā)育所必需的小分子有機(jī)化合物),保護(hù)了自身;與此同時(shí),昆蟲種群通過新的進(jìn)化重新適應(yīng)產(chǎn)生次生代謝物的植物;成對(duì)的交互作用的結(jié)果造成昆蟲食性的專化、形成動(dòng)植物生態(tài)關(guān)系多樣性。

  該理論還認(rèn)為:昆蟲對(duì)植物的取食大大增加了植物物種多樣性,這種植物物種多樣性又反作用于昆蟲,同樣也增加了昆蟲的多樣性,這是相互促進(jìn)的。

  植物進(jìn)化:一場(chǎng)華麗麗的冒險(xiǎn)之旅 

  生物總是在進(jìn)化的。很少有植物跟動(dòng)物一樣移動(dòng),那么植物就注定要面臨更多的環(huán)境挑戰(zhàn)。例如非生物的環(huán)境因素:干旱、洪澇、紫外線、鹽堿條件等,再比如生物類的真菌、細(xì)菌和病毒的感染以及動(dòng)物的取食等。在生物進(jìn)化的早期,蟲類的祖先們開始以植物為食,因此,為了物種的延續(xù),植物們不得不進(jìn)化出一套適應(yīng)環(huán)境的機(jī)制。

  植物們?yōu)榱松姹仨毱幢M全力,它們的祖先們由于承受了巨大的被取食的壓力,所以需要不斷進(jìn)化,一些優(yōu)異的性狀就在環(huán)境不斷變化中得以保留。

  需要說明的是,這種進(jìn)化是非常緩慢的,可能一萬或者十萬個(gè)個(gè)體中只有一個(gè)個(gè)體發(fā)生了基因變化,而且這種基因變化很多時(shí)候是非常危險(xiǎn)的。

  舉個(gè)例子,大多數(shù)植物是靠葉片的光合作用來獲取營養(yǎng)的。但如果一棵植物因?yàn)榛蜃兓瘜?dǎo)致葉片的縮小,這就意味著營養(yǎng)的減少,在競(jìng)爭激烈的環(huán)境中,這就可能導(dǎo)致這個(gè)個(gè)體的死亡。相反,如果這個(gè)基因變化導(dǎo)致了葉片的增大,那么這個(gè)個(gè)體成活的機(jī)會(huì)就比別的植物多。

  在很多情況下,長出一個(gè)大葉子的機(jī)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長出一個(gè)殘缺葉子的機(jī)率。毫無疑問,只要有朝著有利于群體生存的方向發(fā)展的可能,那么這種冒險(xiǎn)就是值得的!同樣人類社會(huì)中這種規(guī)則也是適用的。

  五花八門:植物的蟲蟲防御寶典 

  植物究竟進(jìn)化出了什么法寶呢?

  根據(jù)防御方式的不同,我們可以將這種進(jìn)化出來的優(yōu)異性狀防蟲術(shù)統(tǒng)分為兩類:

  一類是非常直接的,稱之為“直接防御”。 

  比如,有些植物會(huì)讓自己變得很難吃,于是蟲子吃得就少了,或者干脆不吃了;有些植物通過自身含有的蛋白酶抑制劑,使得吃了它們的的蟲子消化不良,久而久之蟲子也就不吃了;有些植物長出堅(jiān)硬鋒利的刺、毛,嚴(yán)禁蟲子靠近,或者給自己穿上厚厚的盔甲,增強(qiáng)角質(zhì)層的厚度,增多蠟質(zhì)的合成,讓蟲子們咬不動(dòng);還有些植物更狠,干脆釋放毒素,讓吃了它們的蟲子一命嗚呼。除此之外,植物還可以通過改變果實(shí)和葉片的形狀、大小、顏色,改變植株性狀等進(jìn)行直接防御。

  另外一類植物的防御方式是間接的,稱之為“間接防御”。 

  植物確實(shí)害怕被蟲子吃,可是螳螂捕蟬,黃雀在后,任你再厲害的蟲子,終究還是有天敵的。既然我搞不定你,那我就請(qǐng)你的天敵來搞定你。于是乎,有的植物在遭受蟲子襲擊的時(shí)候就釋放出一些揮發(fā)性化合物,釋放到空氣中,引誘植物的天敵前來捕食蟲子。

 

  鮮艷的花色和豐富的花粉是對(duì)傳粉者的饋贈(zèng) 

  有的人就很好奇了,既然植物有防蟲能力,為什么我們的莊稼會(huì)遭受攻擊呢?

  這是因?yàn)?,昆蟲們同樣不傻,既然我的矛不能戳破你的盾,那么制造一個(gè)新的矛就很有必要了。

  于是,蟲子們也開始進(jìn)化了:既然你讓我吃了不消化,那我就增強(qiáng)我的消化能力,吃再多也不怕消化不良;既然你身上有毒,那我就“配制”一個(gè)解毒藥,照吃不誤;既然你有厚厚的盔甲,那我就進(jìn)化出比你盔甲還要堅(jiān)硬的嘴巴;既然你有硬硬的長刺不讓我靠近,那我就進(jìn)化出厚厚的皮甲,讓你能奈我何?

  說了那么多,我們還是來舉個(gè)具體的例子吧。

  尼古丁抗蟲:昂貴的代價(jià) 

  作為云南的支柱產(chǎn)業(yè)之一,煙草這種植物里有種化合物叫尼古丁,這是一種存在于煙草屬(茄科)植物中的生物堿,也是煙草的重要成分之一。 

  它會(huì)使人上癮或產(chǎn)生依賴性(為最難戒除的毒癮之一),重復(fù)使用尼古丁會(huì)增加心跳速度、升高血壓并降低食欲。大劑量的尼古丁會(huì)引起嘔吐以及惡心,嚴(yán)重時(shí)人會(huì)死亡。煙草中通常會(huì)含有尼古丁,這是許多吸煙者無法戒掉煙癮的重要原因。 

  但是,尼古丁是非常好的抗蟲化合物。煙草屬植物被蟲子咬食后,“哨兵”——也就是植物的感受系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出被攻擊的信號(hào),這個(gè)信號(hào)通過一套非常復(fù)雜的機(jī)制最終傳到 “生產(chǎn)工廠”,命令其生產(chǎn)尼古丁,然后利用這種神經(jīng)毒素來進(jìn)行防御。

  比較有意思的是,煙草屬植物中尼古丁只在根部進(jìn)行合成,葉片和莖桿部位無法合成尼古丁。也就是說,葉片感受到蟲咬后,一個(gè)信號(hào)會(huì)傳到根部的尼古丁工廠,使其開工生產(chǎn)尼古丁。

  當(dāng)然,植物防御昆蟲并不是沒有代價(jià)的。比如,合成尼古丁是非常昂貴的,因?yàn)槟峁哦±镱^含有氮元素,而氮是用來合成植物生長所需要的營養(yǎng)成分。因此,合成抗蟲用的尼古丁又會(huì)降低植物的生長速率。

  尼古丁生產(chǎn)出來后,被運(yùn)送到莖葉。蟲子吃了含有尼古丁的葉片后,需要有個(gè)“解毒”的過程,這個(gè)過程對(duì)昆蟲來說也是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情。如果蟲子沒有進(jìn)化出解毒機(jī)制,就會(huì)中毒身亡。

  但是,昆蟲也會(huì)進(jìn)化,進(jìn)化出對(duì)植物抗蟲化合物產(chǎn)生抵抗力的本領(lǐng)。比如,煙草天蛾就是一種非常耐受尼古丁的昆蟲。如果把煙草天蛾的耐受量和人的相比,人的耐受程度就太低了。這是昆蟲適應(yīng)進(jìn)化的結(jié)果。

  尼古丁只是煙草屬植物所特有的抗蟲方式之一。其實(shí),植物都含有多種多樣的次生代謝產(chǎn)物,而其中很多都有抗蟲功能,如棉花里的棉酚和辣椒里的辣椒素等,也是植物抗蟲用的化合物。

 

  生長還是防御,這是一個(gè)問題 

  對(duì)于植物來說,當(dāng)有蟲子來咬食時(shí),它要做出決定,是集中進(jìn)行防御,還是重點(diǎn)繼續(xù)快速生長。如果防御的代價(jià)高到一定程度,有的植物寧可不充分防御,而是選擇快速生長。

  人們很早就提出了這個(gè)理論,而驗(yàn)證這個(gè)理論的好例子也是煙草屬植物。

  在美國猶他州和亞利桑那州,生長有同一野生煙草的兩個(gè)品種,研究人員曾做過一項(xiàng)研究,把同一種蟲子放在這兩種煙草上,看看它們的反應(yīng)是否相同,結(jié)果發(fā)現(xiàn),猶他州野生煙草的抗性非常強(qiáng)烈,采用生產(chǎn)較大量尼古丁的方式來防御昆蟲;而亞利桑那州的野生煙草響應(yīng)不強(qiáng)烈,但卻長得很快。

  亞利桑那州的野生煙草,趁著蟲子慢慢咬食的時(shí)間,快快生長、開花、結(jié)果,完成播種后代的使命。也就是說,這種野生煙草并沒有采用著重于防御的手段,而是采用著重于生長的方式來對(duì)付蟲害。

  進(jìn)一步研究后,人們認(rèn)為這和亞利桑那州野生煙草的生活環(huán)境有一定關(guān)系。這里蟲害不是很強(qiáng)烈,野生煙草可以不用太在乎蟲子,盡快地完成開花、結(jié)果的生命過程即可足以應(yīng)對(duì)蟲害。

  當(dāng)然,植物防蟲的手段遠(yuǎn)不止這些。有的植物在碰到蟲害后,會(huì)產(chǎn)生某些特殊的氣味,吸引昆蟲的天敵來取食,從而起到防御作用;還有的植物會(huì)利用其他植物受到蟲害后產(chǎn)生的警戒信號(hào),從而使自己快速地產(chǎn)生防御反應(yīng),來幫助自己御敵。

  與此同時(shí),昆蟲里也有聰明的角兒,你既然不讓我吃,我吃別的植物不就行了。既然我不能破解你的防守,那我就改變我的攻擊對(duì)象,于是,那些弱勢(shì)的植物就遭殃了。

 

  矛與盾 

  儼然,一場(chǎng)進(jìn)化的攻守大戰(zhàn)已經(jīng)展開了。雙方都大展拳腳,卻又都奈何不了對(duì)方,接下來會(huì)發(fā)生什么?還是讓我們拭目以待吧!

  參考文獻(xiàn): 

  1.Ehrlich, P.R., and Raven, P.H. (1964). Butterflies and Plants - a Study in Coevolution. Evolution; international journal of organic evolution 18, 586-608. 

  2.Wratten, S.D. (1984). Insects on Plants - Community Patterns and Mechanisms - Strong,Dr, Lawton,Jh, Southwood,R. Nature 310, 343-343. 

  3.Gatehouse, J.A. (2002). Plant resistance towards insect herbivores: a dynamic interaction. New Phytologist 156, 145-169. 

  4.陳曉亞, 薛紅衛(wèi). 植物生理與分子生物學(xué)[M]. 高等教育出版社, 2012. 

   

  文章首發(fā)于科學(xué)大院,中科院昆明植物所供稿,轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系cas@cnic.cn 

 ?。ㄘ?zé)任編輯:李雪)


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