Wood Wide Web,植物界的網民攻防戰 | 環境資訊中心

Wood Wide Web,植物界的網民攻防戰

2015年02月22日
本報2015年2月22日綜合外電報導,陳祐德翻譯;龐中培審校

1960年代起科學家就明白,菌根會幫助植物個體生長。大約90%的陸生植物和真菌維持著互利共生的關係。19世紀德國生物學家法蘭克(Albert Bernard Frank)發明了「菌根」(mycorrhiza)一詞,以稱呼這種合作關係。

迷人的真菌。(來源:Lisa Ruokis)

在這樣的關係中,植物提供真菌碳水化合物作為食物養分;作為回報,真菌則用菌絲幫助植物吸取水分並提供營養鹽,例如磷和氮。

菌根也能激發宿主植物的免疫系統。當真菌入侵時會誘發植物根部產生與防禦相關的化學物質,連結到菌絲使得植物對疾病更有抵抗力,也使免疫系統的反應更快、更有效率。這種現象稱為「促發」(priming)。

自然界的網際網路:真菌網

不僅如此。我們現在知道菌根也能連接相距很遠的植物。真菌專家史塔曼茲(Paul Stamets)在一場TED演講上稱呼真菌為「地球的自然網路」(Earth's natural internet)。

史塔曼茲注意到菌絲體和美國國防部早期網路版本阿帕網絡(ARPANET)之間的相似性。他在1970年代用電子顯微鏡研究真菌時,首次有這樣的想法。

真菌網的功能可是花了好幾十年的研究才逐漸知曉的。1997年,溫哥華卑詩省大學的希瑪德(Suzanne Simard)找到了第一批證據。她發現洋松(Douglas fir)和白樺木(paper birch)可以透過菌絲體傳送碳。其後,科學家也發現植物可以透過相同的路徑交換氮和磷。

非「適者生存」 大樹會幫小樹 

希瑪德現在相信大樹會利用真菌網來幫助小樹。她認為,沒有真菌網的幫忙,很多幼苗無法存活。1997年的研究顯示,在陰影處生長(就像是缺少食物)的幼苗,從其它樹得到較多的碳。

希瑪德在2011年的紀錄片「樹會溝通嗎?」(Do Trees Communicate?)中說:「這些植物不完全是達爾文『個體競爭、適者生存』那樣的個體。事實上,他們彼此互動,試著幫助對方存活。」

然而,養分運輸的功效是有爭議的。英國加地夫大學的邦帝(Lynne Boody)說:「我們確知它會發生,但是會進行到什麼程度就不清楚了。」

這樣的爭議持續著,直到其他研究者找到植物可以透過菌絲體溝通的證據。2010年,廣州華南農業大學曾任森發現,當植物被有害的真菌附身時,會釋放化學訊號到菌絲體警告鄰居。

有黑有白的孢子囊以及盤根錯節的菌絲。(來源:Mark Hsu)曾任森的團隊在盆栽裡種番茄,兩株一盆,並允許一些盆栽中的菌根能夠生長。當菌根生成後,在每盆中中的一株番茄上噴上茄鏈隔孢菌(Alternaria solani)上,這是導致番茄輪紋病的真菌。密封的塑膠袋用來防止植物地面上的化學通訊。65小時後,他們試圖感染每盆的另一株番茄,而發現有生成菌絲體的番茄較不易得病,若得病也輕微得多。

曾任森和他的同事寫道:「我們認為番茄能『竊聽』防禦反應,並增加自身對潛在疾病的抵抗力。」這樣看來,菌根不只是能讓植物分享食物,也有助於保護彼此。

不只是番茄會這麼做。2013年,亞伯丁大學的強森(David Johnson)和他的同事發現,蠶豆也會用真菌網偵測逼近的威脅。

強森發現,本身沒有遭受蚜蟲攻擊,但和被攻擊植株以菌絲體相連的蠶豆幼苗,會啟動抵禦蚜蟲的化學物質,而沒有與菌絲體相連的幼苗則不會。「被蚜蟲吸食的植物之間,正在進行某種形式的溝通,而且是以真菌網來傳遞訊號。」強森表示。

偷取鄰居養分 真菌網也有駭客

不過就像人類的網路犯罪一樣,真菌網也有它黑暗的一面。網際網路不僅讓個人隱私度下降,還常常傳播電腦病毒,助長犯罪。同樣的,植物連上真菌網,就意味著它們不再是單獨的個體了,惡意的鄰居可以傷害它們。

有些植物利用真菌網偷竊。這些植物沒有葉綠素,不能行光合作用產生自己所需的能量,像是鬼魅蘭花,就透過菌絲體從附近的樹取得需要的碳。其他蘭花只在合適的時候才偷竊,因為這些混營生物可以行光合作用,但也利用真菌網偷取別株植物的碳。

類似電影阿凡達中的場景,可能在現實世界中發生。(來源:Angus Veitch)

這聽起來或許沒那麼壞。然而,植物的網路犯罪可以比偷竊伎倆陰險許多。

植物必須和鄰居競爭資源,例如水和光。有些植物會在爭奪戰中釋放化學物質傷害對手。這種「相剋作用」在樹之間還算普遍,像是銀合歡、糖朴、美國梧桐和某些尤加利樹都會,它們釋放抑制周遭植物生長的物質,或不讓微生物散佈在根部周圍。

有科學家質疑相剋作用對這些不友善的植物有很大的幫助。他們肯定地說,有害化學物質在傳到遠方前會先被土壤吸收,或是被微生物分解。但或許植物可以利用遍布地底的真菌網來解決這個問題。2011年,化學生態學家莫瑞斯(Kathryn Morris)和她的同事開始驗證這項理論。

莫瑞斯把萬壽菊種在含有菌根的真菌的盆栽裡。盆栽裡有用網子圍成的圓管子。網子的孔洞大小樹根過不了,但菌絲體可以。半數的圓管定期轉動以抑制真菌網在裡面形成。

團隊檢驗圓柱裡的土所含萬壽菊製造、能減緩其他植物生長並殺死線蟲的兩種化合物。在真菌可以生長的圓管中,兩種化合物的濃度是另一半圓管的1.79和2.78倍。這意味菌絲體真的能運送毒素。

團隊接著用圓管裡的土來種萵苣。25天以後,種在土壤含較多毒素的萵苣重量只有另一組的60%。

含鵝膏菌的菌根。(來源:Thergothon)

瞞天布局 植物釋毒素出擊

莫瑞斯說:「實驗顯示,真菌網可以運送化學物質,並達到足以影響植物生長的濃度。」對此結果,有人認為在實驗室外,毒素的功效可能不會一樣好。因此,德國柏林自由大學的阿漢茲(Michaela Achatz)和同事就在野外尋找類似的效應。

研究相剋作用最詳盡的例子之一,是黑胡桃樹。它從樹葉和根部釋放一種稱為胡桃醌的化學物質,能抑制許多植物的生長,包括常吃到的馬鈴薯和小黃瓜。

阿漢茲和她的團隊在黑胡桃樹的周圍擺放很多盆栽,結過發現,沒有旋轉抵擋真菌接觸的盆栽,胡桃醌含量幾乎比有旋轉的盆栽高4倍。

有一些特別狡猾的植物,甚至能改變附近真菌網的組成。研究顯示,矢車菊、細野燕麥和毛雀麥都可以改變土壤的真菌組成。依據莫瑞斯的說法,它們偏好能與自己和競爭植物相連的真菌,因為這樣有毒的化學物質更容易攻擊到對手。

Wood Wide Web 昆蟲也「上網」

以根部為食的昆蟲。(來源:Andrew Jensen)動物也可能善用真菌網。有些植物產生化合物,以吸引有益的細菌和真菌到它們的根部,但訊號可能被以根部為食的昆蟲和蠕蟲接收。

2012年,莫瑞斯認為,這些經由菌絲體移動並傳遞訊息的化學物質,可能在無意間,向周遭的動物們宣告了植物本身的存在。然而,她說這尚未經由實驗證實。

因為相關的證據持續增加,許多生物學家開始用「樹木的全球資訊網」(wood wide web)一描述真菌提給植物和其他生物的通訊服務。

莫瑞斯說:「真菌網使同種和不同種植物間的通訊更快、也更有效率。我們通常不會想到這個,因為我們只看到地面上的東西。但大部分眼睛所見的植物在地底下都是有連接的。不是直接用根,是透過菌絲體。」

真菌網呈現了生態學上最重要教誨之一:看似分離的個體常是相連的,並可能彼此依賴。邦帝說:「生態學家早知道生物彼此連接得更緊密、相互依賴的程度更深。」

※ 本文為教育部科學人文跨科際人才培育計畫(簡稱SHS計畫)所屬南區區域推動中心,舉辦「環境新聞編譯工作坊」之成果展現,特別感謝《科學人》編輯群協助審校。

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