万万没想到:植物是这样防止被吃的~

昆明植物研究所 张井雄,吴建强 2017-06-28

 

  蚜虫取食植物

  你一定见过路边的树叶被吃的惨不忍睹,你也一定听过虫害肆虐的报道,因此,你会不会觉得我们今天要讨论的这个话题有点儿哗众取宠?但我要告诉你,No!不信?我们就来看看植物的防虫术吧! 

  植物与昆虫:神奇的“共进化” 

  从一开始,昆虫和植物的关系就很微妙。 

  总体而言,植物和虫的关系可以分为两类:一类是相互受益,比如,昆虫给植物传播花粉,而植物为昆虫提供食物,可谓相得益彰,互利互惠; 然而,自然界中更普遍的植物和虫的关系却是第二类——单纯的取食行为 

 

  大多数昆虫普遍以植物为食 

  据统计,全世界大约存在792000种昆虫,这些昆虫中,大约45%以植物为食,我们称之为植食昆虫,以下简称昆虫。 

  事实上,所有的植物都会被至少一种虫类所取食,这就是共进化理论(co-evolution)。

  有化石证据表明,昆虫对植物的取食行为最早发生在大约3.5亿年前。3.5亿年前是个什么概念呢?那个时候恐龙都还没有出现呢。 

 

  蜜蜂与植物的互利互惠 

 

  桃蚜对烟草的取食 

  那么,什么是共进化理论呢?

  共进化,也叫协同进化,最初由Ehrlich和Raven在研究粉蝶与其寄主十字花科植物关系时提出。

 

  蝴蝶与植物的相互作用是共进化的典型 

  简要说来就是,植物通过进化,产生一系列的次生代谢物(植物中一大类并非生长发育所必需的小分子有机化合物),保护了自身;与此同时,昆虫种群通过新的进化重新适应产生次生代谢物的植物;成对的交互作用的结果造成昆虫食性的专化、形成动植物生态关系多样性。

  该理论还认为:昆虫对植物的取食大大增加了植物物种多样性,这种植物物种多样性又反作用于昆虫,同样也增加了昆虫的多样性,这是相互促进的。

  植物进化:一场华丽丽的冒险之旅 

  生物总是在进化的。很少有植物跟动物一样移动,那么植物就注定要面临更多的环境挑战。例如非生物的环境因素:干旱、洪涝、紫外线、盐碱条件等,再比如生物类的真菌、细菌和病毒的感染以及动物的取食等。在生物进化的早期,虫类的祖先们开始以植物为食,因此,为了物种的延续,植物们不得不进化出一套适应环境的机制。

  植物们为了生存必须拼尽全力,它们的祖先们由于承受了巨大的被取食的压力,所以需要不断进化,一些优异的性状就在环境不断变化中得以保留。

  需要说明的是,这种进化是非常缓慢的,可能一万或者十万个个体中只有一个个体发生了基因变化,而且这种基因变化很多时候是非常危险的

  举个例子,大多数植物是靠叶片的光合作用来获取营养的。但如果一棵植物因为基因变化导致叶片的缩小,这就意味着营养的减少,在竞争激烈的环境中,这就可能导致这个个体的死亡。相反,如果这个基因变化导致了叶片的增大,那么这个个体成活的机会就比别的植物多。

  在很多情况下,长出一个大叶子的机率远远小于长出一个残缺叶子的机率。毫无疑问,只要有朝着有利于群体生存的方向发展的可能,那么这种冒险就是值得的!同样人类社会中这种规则也是适用的。

  五花八门:植物的虫虫防御宝典 

  植物究竟进化出了什么法宝呢?

  根据防御方式的不同,我们可以将这种进化出来的优异性状防虫术统分为两类:

  一类是非常直接的,称之为“直接防御”。 

  比如,有些植物会让自己变得很难吃,于是虫子吃得就少了,或者干脆不吃了;有些植物通过自身含有的蛋白酶抑制剂,使得吃了它们的的虫子消化不良,久而久之虫子也就不吃了;有些植物长出坚硬锋利的刺、毛,严禁虫子靠近,或者给自己穿上厚厚的盔甲,增强角质层的厚度,增多蜡质的合成,让虫子们咬不动;还有些植物更狠,干脆释放毒素,让吃了它们的虫子一命呜呼。除此之外,植物还可以通过改变果实和叶片的形状、大小、颜色,改变植株性状等进行直接防御。

  另外一类植物的防御方式是间接的,称之为“间接防御”。 

  植物确实害怕被虫子吃,可是螳螂捕蝉,黄雀在后,任你再厉害的虫子,终究还是有天敌的。既然我搞不定你,那我就请你的天敌来搞定你。于是乎,有的植物在遭受虫子袭击的时候就释放出一些挥发性化合物,释放到空气中,引诱植物的天敌前来捕食虫子。

 

  鲜艳的花色和丰富的花粉是对传粉者的馈赠 

  有的人就很好奇了,既然植物有防虫能力,为什么我们的庄稼会遭受攻击呢?

  这是因为,昆虫们同样不傻,既然我的矛不能戳破你的盾,那么制造一个新的矛就很有必要了。

  于是,虫子们也开始进化了:既然你让我吃了不消化,那我就增强我的消化能力,吃再多也不怕消化不良;既然你身上有毒,那我就“配制”一个解毒药,照吃不误;既然你有厚厚的盔甲,那我就进化出比你盔甲还要坚硬的嘴巴;既然你有硬硬的长刺不让我靠近,那我就进化出厚厚的皮甲,让你能奈我何?

  说了那么多,我们还是来举个具体的例子吧。

  尼古丁抗虫:昂贵的代价 

  作为云南的支柱产业之一,烟草这种植物里有种化合物叫尼古丁,这是一种存在于烟草属(茄科)植物中的生物碱,也是烟草的重要成分之一。 

  它会使人上瘾或产生依赖性(为最难戒除的毒瘾之一),重复使用尼古丁会增加心跳速度、升高血压并降低食欲。大剂量的尼古丁会引起呕吐以及恶心,严重时人会死亡。烟草中通常会含有尼古丁,这是许多吸烟者无法戒掉烟瘾的重要原因。 

  但是,尼古丁是非常好的抗虫化合物。烟草属植物被虫子咬食后,“哨兵”——也就是植物的感受系统就会发出被攻击的信号,这个信号通过一套非常复杂的机制最终传到 “生产工厂”,命令其生产尼古丁,然后利用这种神经毒素来进行防御。

  比较有意思的是,烟草属植物中尼古丁只在根部进行合成,叶片和茎杆部位无法合成尼古丁。也就是说,叶片感受到虫咬后,一个信号会传到根部的尼古丁工厂,使其开工生产尼古丁。

  当然,植物防御昆虫并不是没有代价的。比如,合成尼古丁是非常昂贵的,因为尼古丁里头含有氮元素,而氮是用来合成植物生长所需要的营养成分。因此,合成抗虫用的尼古丁又会降低植物的生长速率。

  尼古丁生产出来后,被运送到茎叶。虫子吃了含有尼古丁的叶片后,需要有个“解毒”的过程,这个过程对昆虫来说也是一个费时费力的事情。如果虫子没有进化出解毒机制,就会中毒身亡。

  但是,昆虫也会进化,进化出对植物抗虫化合物产生抵抗力的本领。比如,烟草天蛾就是一种非常耐受尼古丁的昆虫。如果把烟草天蛾的耐受量和人的相比,人的耐受程度就太低了。这是昆虫适应进化的结果。

  尼古丁只是烟草属植物所特有的抗虫方式之一。其实,植物都含有多种多样的次生代谢产物,而其中很多都有抗虫功能,如棉花里的棉酚和辣椒里的辣椒素等,也是植物抗虫用的化合物。

 

  生长还是防御,这是一个问题 

  对于植物来说,当有虫子来咬食时,它要做出决定,是集中进行防御,还是重点继续快速生长。如果防御的代价高到一定程度,有的植物宁可不充分防御,而是选择快速生长。

  人们很早就提出了这个理论,而验证这个理论的好例子也是烟草属植物。

  在美国犹他州和亚利桑那州,生长有同一野生烟草的两个品种,研究人员曾做过一项研究,把同一种虫子放在这两种烟草上,看看它们的反应是否相同,结果发现,犹他州野生烟草的抗性非常强烈,采用生产较大量尼古丁的方式来防御昆虫;而亚利桑那州的野生烟草响应不强烈,但却长得很快。

  亚利桑那州的野生烟草,趁着虫子慢慢咬食的时间,快快生长、开花、结果,完成播种后代的使命。也就是说,这种野生烟草并没有采用着重于防御的手段,而是采用着重于生长的方式来对付虫害。

  进一步研究后,人们认为这和亚利桑那州野生烟草的生活环境有一定关系。这里虫害不是很强烈,野生烟草可以不用太在乎虫子,尽快地完成开花、结果的生命过程即可足以应对虫害。

  当然,植物防虫的手段远不止这些。有的植物在碰到虫害后,会产生某些特殊的气味,吸引昆虫的天敌来取食,从而起到防御作用;还有的植物会利用其他植物受到虫害后产生的警戒信号,从而使自己快速地产生防御反应,来帮助自己御敌。

  与此同时,昆虫里也有聪明的角儿,你既然不让我吃,我吃别的植物不就行了。既然我不能破解你的防守,那我就改变我的攻击对象,于是,那些弱势的植物就遭殃了。

 

  矛与盾 

  俨然,一场进化的攻守大战已经展开了。双方都大展拳脚,却又都奈何不了对方,接下来会发生什么?还是让我们拭目以待吧!

  参考文献: 

  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.陈晓亚, 薛红卫. 植物生理与分子生物学[M]. 高等教育出版社, 2012. 

   

  文章首发于科学大院,中科院昆明植物所供稿,转载请联系cas@cnic.cn