有了解過花生的根的人都知道,花生的根部通常都長有很多的根瘤,這些根瘤是因為固氮細菌的侵染而形成的寄生組織。這些寄生組織可以給植物用來合成自身的含氮化合物(比如蛋白質),非常有利於植物,也可以通俗地理解為植物點的「外賣」。
然而,跟你我一樣,植物並不總是「吃外賣」的,它們會根據土壤環境,保證廉價、穩定的養分供應。你訂的外賣通常會比自己做飯花更多的錢,這一點對於植物也是一樣的,所以植物也會在穩定的養分供應和經濟之間權衡的。
最近發表在《科學進展》雜誌上的一項新研究,來自萊斯大學系統、合成和物理生物學項目的研究人員詳細介紹了,植物是如何進化到利用細菌來為其輸送營養的。他們的研究報告著眼於植物如何解讀當地環境,並在必要時製造和釋放稱為類黃酮的分子。這些分子吸引微生物感染植物,形成氮結核,食物在它們的根部生成。
當氮存在且可用時,植物不需要「點外賣」。它們能夠感知附近存在的緩慢釋放的氮源。
這項研究的合著者、水稻生物地球化學家卡羅琳·馬斯耶洛(Caroline Masiello)說:「這是一個進化的極好例子:植物在類黃酮中到處改變一些(氧/氫)基團,這使它們能夠利用土壤條件來控制它們與哪些微生物交談。」
水稻研究小組與康奈爾大學的研究人員合作,具體分析了類黃酮如何根據非生物(非生物)碳的存在介導植物和微生物之間的相互作用。令他們驚訝的是,他們的實驗表明,土壤中過量的溶解碳而不是固體碳有效地抑制了植物的類黃酮信號。
研究人員稱,了解土壤中的碳是如何影響這些信號的,可能為設計植物和微生物之間的有益相互作用以及設計有效的土壤改良劑提供了一種方法。植物利用類黃酮作為對抗根病原的防禦機制,並能操縱它們產生的有機碳,幹擾微生物和其他爭奪相同營養物質的植物之間的信號傳遞。
研究人員認為:「我們知道植物通過類黃酮分子調節與微生物的共生關係。」因此,我們想了解黃酮類化合物如何與用於不同農業用途的土壤改良劑相互作用。我們開始認為生物炭會產生很大的影響。」生物炭是用於農業改良的木炭,眾所周知,它會影響微生物的信號。它有很多表面積,類黃酮看起來也很粘。人們認為他們會堅持使用生物炭。他們發現溶解的碳通過土壤中的水移動影響信號。
水稻和康奈爾大學的研究小組在草甸、農場和森林的土壤中進行了實驗,然後混合了三種稍有不同的黃酮類化合物:柚皮苷、槲皮素和木犀草素。
他們發現,當來自植物物質或堆肥的溶解碳存在時,效果最為顯著。植物利用柚皮苷和木犀草素來呼籲微生物固氮。他們發現微生物的能力受到了極大的限制。槲皮素,也存在於甘藍和紅洋蔥等食物中,用於防禦害蟲,並沒有遭受同樣的命運。
馬西耶洛指出,植物與土壤中的微生物聯繫需要付出代價。「這些與共生體的關係在新陳代謝上代價高昂,」她說植物必須用光合糖來支付微生物的費用,而微生物則在土壤中挖掘養分。微生物共生體可能是運費很高的「外賣小哥」,有時會佔用植物光合產物的很大一部分。
但是植物進化出了一種機制,通過這種機制,植物可以控制是否投資於昂貴的共生體,這對植物有好處,因為這意味著它們不會浪費光合產物來支持它們不需要的微生物幫助。