警报的“气味”：来自受损植物的挥发性化学信号提醒邻居注意食草动物的袭击

动物们经常使用高度特异的信号来警告它们的牧群，注意捕食者的逼近。令人惊讶的是，在植物中也观察到类似的行为。为了进一步阐明这一现象，研究人员发现了这样一种机制。研究人员以拟南芥（Arabidopsis thaliana）为模型系统，证明了被食草动物破坏的植物会释放出挥发性化学“气味”，从而触发邻近植物防御基因的表观遗传修饰。这些基因随后触发了反草食性防御系统。

　　

在野外，许多种类的动物，尤其是那些有已知捕食者的动物，会使用从气味到声音等各种各样的技术来相互发出迫在眉睫的危险信号。现在，由于对这个话题的多项研究，我们有理由相信，植物也能在受到攻击的威胁时发出警报。

此前的研究表明，当种植在薄荷植物附近时，大豆和芥蓝(Brassica rapa)植物通过激活叶片中的防御基因，表现出对食草性害虫增强的防御能力，这是“偷听”薄荷挥发物的结果。简单地说，如果薄荷叶在被食草动物攻击后受损，它们附近的植物就会激活它们的抗食草动物防御系统，以回应受损的薄荷叶释放的化学信号。为了更好地理解这一机制，包括东京科学大学在内的多个日本研究机构的研究人员在拟南芥(一种广泛应用于生物学研究的模式植物)中研究了这些反应。

“周围未受损的植物暴露在被害虫吃掉的植物发出的气味中，可以培养对害虫的抵抗力。虽然在气味敏感植物中诱导防御基因的表达是这种抗性的关键，但目前还不清楚诱导状态开启或关闭的精确分子机制。在这项研究中，我们假设组蛋白乙酰化，或所谓的表观遗传调控，参与了抗性发展的现象，”东京科学大学教授和该研究的作者之一Gen-ichiro Arimura博士解释道。

他们的发现最近发表在《植物生理学》杂志上。

首先，研究人员将这些植物暴露在β-异氰烯中，这是一种挥发性有机化合物，通常是植物在受到斜纹夜蛾等食草动物攻击时释放的。接下来，研究人员试图确定挥发性化学物质激活的植物防御的确切作用机制。

有趣的是，拟南芥叶片中的防御性状可能是通过“表观遗传”机制诱导的，这是指由于外部环境影响而发生的基因调控。在这种情况下，受损植物释放的挥发性化学物质增强了组蛋白乙酰化和防御基因调控基因的表达，包括乙烯反应因子基因ERF8和ERF104。该团队发现一组特定的组蛋白乙酰转移酶(HAC1、HAC5和HAM1)负责诱导和维持抗食草动物特性。

研究人员对表观遗传学在植物防御中的作用的发现感到兴奋。他们认为，植物之间通过挥发性化合物进行交流(被称为“会说话的植物”现象)可能会应用于有机栽培系统。这可能会增加植物的抗虫害能力，有效地减少我们对农药的大量依赖。

Arimura博士总结说:“在生产系统中有效利用植物的自然生存策略，将使我们更接近实现一个可持续发展的社会，同时解决环境和粮食问题。”

Journal Reference:

1. Haruki Onosato, Genya Fujimoto, Tomota Higami, Takuya Sakamoto, Ayaka Yamada, Takamasa Suzuki, Rika Ozawa, Sachihiro Matsunaga, Motoaki Seki, Minoru Ueda, Kaori Sako, Ivan Galis, Gen-ichiro Arimura. Sustained defense response via volatile signaling and its epigenetic transcriptional regulation. Plant Physiology, 2022; DOI: 10.1093/plphys/kiac077