植物通讯百年之谜解开：植物通过负压机制发出压力信号

想象一下，如果农民田里的一棵植物可以警告种植者它需要水？或者，农民是否可以向植物发出干旱天气即将到来的信号，从而促使植物节约用水

这听起来可能非同寻常，但可编程植物系统研究中心（CROPPS）的研究人员在推进与植物的双向通信方面迈出了重要一步

发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究解决了植物内部如何发出压力信号这一百年难题。通过了解植物通信系统的工作原理，该团队可以开始利用这些信号来创建可以与人和彼此通信的植物，并对其进行编程以应对特定的压力

解决方案在于植物脉管系统内存在的负压，这是干燥时将水分保持在茎、根和叶内所必需的。压力源改变植物内部的压力平衡，然后在植物的流体中启动运动，这些运动可以在整个植物中携带机械和化学信号，以对抗压力源并恢复平衡

第一作者Vesna Bacheva是CROPPS的博士后助理，也是Schmidt Science Fellow，她说：“我们正试图建立一种理解植物中交流如何发生的基础知识。”。“我们的框架提供了对信号从一个地方到另一个地方的驱动机制的机械理解，并解释了机械和化学信号是如何传播的。”

来源：康奈尔大学

Bacheva在合著者Abe Stroock'95、康奈尔工程学院Gordon L.Dibble'50化学和生物分子工程教授以及农业与生命科学学院综合植物科学学院植物生物学副教授Margaret Frank的实验室工作

斯特罗克说：“就真正的机械论理解而言，这是一个令人惊讶的新兴领域向前迈出的非常重要的一步。”

一个多世纪前，科学家们开始质疑植物如何将信号从植物的一个部分传递到另一个部分，以引发对压力的反应。科学家们假设，也许植物使用激素或化学物质进行交流，而其他人则认为它们使用机械信号

Bacheva及其同事现在开发了一个预测模型和统一框架，解释了当压力源导致压力变化时，机械和化学信号是如何在整个工厂中传递的

植物的脉管系统由受压的管子系统组成，这些管子对弹性组织施加压力。当植物受伤时，例如毛毛虫咬树叶时，压力会发生变化，这会引发下游的耦合反应

研究人员认为，压力变化会导致大量水流通过植物，将伤口部位细胞释放的化学物质携带到植物的其他部位。一种假设是，这些化学物质可能会引发一种有毒酸的产生，这种酸可以驱除昆虫

压力变化也可能触发位于脉管系统周围的机械敏感通道打开并释放钙或其他具有下游效应的离子。钙通量可能会促进作为防御反应一部分的基因的表达

Bacheva说：“我们正试图开发报告植物，告诉我们它们目前正在经历什么。”。这些植物包括变色的色素植物，或需要水时发光的荧光植物。最终的愿景是实现双向沟通，这样报告植物不仅可以传达它需要水，农民还可以通知植物它可能会干旱很多天，植物应该更有效地用水

Stroock说：“我们正处于CROPPS的一个阶段，我们正在同时研究分子生物学、生物物理学、工程设计，并利用全新的概念和技术将其与农艺现实相结合。” More information: Vesna Bacheva et al, A unified framework for hydromechanical signaling can explain transmission of local and long-distance signals in plants, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2422692122

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences