在我們享受高速網(wǎng)絡(luò)帶來的便捷時，可能想不到大自然中的植物和真菌共生的“菌根”也運行著一個信息共享的網(wǎng)絡(luò)。最近，中國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)現(xiàn)，這個網(wǎng)絡(luò)還能傳遞“預(yù)警”：當(dāng)一株植物受到病原侵襲時，信號會通過菌根傳遞給鄰居，讓它提前進入防御狀態(tài)。其實，大自然早已掌握了信息共享的智慧。

撰文 | 李勃（陜西省生物農(nóng)業(yè)研究所）

親愛的朋友們，當(dāng)你坐在桌前專心用電腦瀏覽網(wǎng)頁或是躺在沙發(fā)上用手機忘我地刷視頻時，可能不會想到，一場悄無聲息的網(wǎng)絡(luò)對話正在腳下的土壤中進行。而這場通訊的“關(guān)鍵參與者”，竟是我們餐桌上常見的老朋友——蘑菇。

說到蘑菇，大家都很熟悉。但為什么松露、松茸、牛肝菌這些美味佳肴幾乎都生長在森林里？有人說是因為森林有厚厚的落葉和肥沃的土壤，也有人說是因為濕潤的氣候條件。而真正的原因可能讓你大吃一驚：這些美味真菌實際上與樹木建立了一種秘密合作關(guān)系，而這場合作的“簽約儀式”就發(fā)生在“菌根”上。
菌根：既不是菌，也不是根

菌根（mycorrhiza）這個詞匯來自拉丁文，由“真菌”（mycors）和“根系”（rhiza）組合而成。但它既不是一種菌，也不是某種植物的根，而是土壤中的真菌與植物根系形成的互惠共生體。

圖1 真菌菌絲與油松根系共生形成了菌根丨圖源：王琴攝

想象一下：植物通過光合作用制造食物，但它不太擅長從土壤中吸收水分和營養(yǎng)；真菌擅長吸收水分和礦物質(zhì)，卻不會自己制造食物。于是它們決定“搭伙過日子”——真菌用自己四處擴散的菌絲為植物擴大養(yǎng)分吸收面積，植物則回報以碳水化合物。這種合作從奧陶紀(jì)至今已經(jīng)持續(xù)了4億多年，比人類歷史久遠太多。

如今，自然界中約有34萬種陸生植物都與菌根真菌共生，其中包括我們熟悉的樹木、灌木、草本，甚至人類的主食作物如水稻、小麥、玉米和土豆?？梢哉f，沒有菌根，就沒有我們今天看到的郁郁蔥蔥的陸地生態(tài)系統(tǒng)。

圖2 據(jù)統(tǒng)計地球上有近90%的種子植物可以和真菌共生形成菌根圖源：參考文獻[2]

菌根網(wǎng)絡(luò)：地下的“互聯(lián)網(wǎng)”

科學(xué)家們根據(jù)形態(tài)特征將菌根分為七大類（外生菌根、叢枝菌根、內(nèi)外生菌根、蘭科菌根、漿果鵑類菌根、水晶蘭類菌根及歐石楠類菌根），其中外生菌根（占總數(shù)2%）、叢枝菌根（72%）、蘭科菌根（10%）和歐石楠類菌根（1.4%）是較為常見的四種類型。雖然外生菌根在植物中占比很小，但它們主要是松科、殼斗科等森林建群樹種，因此對森林生態(tài)系統(tǒng)影響極大。

更有趣的是，真菌的菌絲能夠連接不同植物的根系，形成所謂的“共同菌根網(wǎng)絡(luò)”（Common Mycorrhizal Networks，CMNs）。這就好比植物們早在我們?nèi)祟惏l(fā)明互聯(lián)網(wǎng)的億萬年前，就已經(jīng)搭建起了自己的“網(wǎng)絡(luò)”。

在這個網(wǎng)絡(luò)中，一種植物可以同時和多種真菌形成不同類型的菌根，而單個真菌也可以連接周圍不同的植物。它們通過這個相互聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)水分、營養(yǎng)物質(zhì)的運輸，就像我們的物聯(lián)網(wǎng)一樣。

圖3 不同植物個體之間通過與真菌形成各種類型的菌根構(gòu)建起相互聯(lián)系的地下網(wǎng)絡(luò)丨圖源：參考文獻[2]

近期，Cell Host & Microbe上公布了一項由中國科學(xué)家主導(dǎo)的開創(chuàng)性研究，揭示了菌根網(wǎng)絡(luò)的一個驚人功能：根菌能通過傳遞信息，幫助植物提前做好防御病原侵害的準(zhǔn)備！
原來，大自然早在億萬年前就實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合！
菌根網(wǎng)絡(luò)如何傳遞情報？

研究人員設(shè)計了一個巧妙的“根箱實驗”，他們將兩個種植番茄的種植箱相鄰放置，中間用僅允許菌絲通過（根系不能通過）的尼龍網(wǎng)隔開。當(dāng)一側(cè)的番茄被灰霉菌感染后，另一側(cè)的健康番茄雖然沒有任何直接接觸，卻表現(xiàn)出了增強的抗病能力。

進一步的理化分析表明，一組番茄被灰霉病菌感染后，它會通過菌根網(wǎng)絡(luò)向相鄰的健康植物發(fā)送“警報”。而這個預(yù)警信號是一種叫作茉莉酸（jasmonic acid）的植物激素。

更有趣的是，這種通訊不是單向的。健康植株接收到茉莉酸信號后，會改變其根系分泌的化學(xué)成分，增加L-谷氨酸、L-賴氨酸、核黃素等物質(zhì)的分泌。這些化合物就像是為有益細(xì)菌準(zhǔn)備的“餌食”，能夠吸引鏈霉菌和放線菌等有益菌群在根部定居。這些有益菌雖然不能直接殺死病原菌，但能夠激活植物的系統(tǒng)抗性，相當(dāng)于給植物打了“疫苗”，使其對病原體攻擊具有更強的抵抗力。

圖4 菌絲網(wǎng)絡(luò)傳遞預(yù)警信號示意圖丨圖源：譯自參考文獻[1]

你看，這就像抗日戰(zhàn)爭時候，某個地區(qū)有鬼子來掃蕩了，游擊隊員會推倒山頂?shù)耐岵睒?，看到信號的周邊地區(qū)立即加強警戒，動員鄉(xiāng)親們提前隱蔽藏好糧食，戰(zhàn)士們嚴(yán)陣以待，做好防御敵襲的準(zhǔn)備。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種保護效果在有完整土壤微生物群落時更為明顯（病害抑制率47.80%），比無菌土壤情況（26.82%）高出近一倍，表明自然土壤中的微生物多樣性對系統(tǒng)功能至關(guān)重要。
分子對話：菌根網(wǎng)絡(luò)中的精密通訊機制

更重要的是，這項研究揭示了這種地下通訊的分子機制。通過RNA測序技術(shù)，研究團隊發(fā)現(xiàn)：被感染植株和通過菌根網(wǎng)絡(luò)連接的健康植株中，茉莉酸合成和信號傳導(dǎo)通路的相關(guān)基因都顯著上調(diào)。通過穩(wěn)定同位素標(biāo)記實驗，研究人員直接觀察到了經(jīng)過標(biāo)記的茉莉酸分子從感染植株通過菌根網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到健康植株的過程，證實了這種信號分子的直接傳遞。而當(dāng)使用茉莉酸合成缺陷或受體突變植株時，這種保護效應(yīng)顯著減弱，證明了茉莉酸信號在這一過程中的核心作用。

這項研究不僅揭示了植物間進行通訊的具體機制，還讓我們對自然生態(tài)系統(tǒng)的運作方式有了全新認(rèn)識：
1. 森林是一個高度互聯(lián)的超級有機體：樹木之間不是孤立的個體，而是通過菌根網(wǎng)絡(luò)相互連接、相互支持的命運共同體。
2.植物擁有復(fù)雜的“社交生活”：它們能夠通過地下網(wǎng)絡(luò)交流信息，甚至相互警告危險。
3.微生物是植物的關(guān)鍵盟友：植物不是被動地接受微生物的定居，而是主動招募和管理自己的“微生物組”。

圖5 森林生態(tài)系統(tǒng)中根際生物地球化學(xué)循環(huán)過程研究框架圖丨圖源：參考文獻[8]

另外，這項發(fā)現(xiàn)不僅具有理論意義，還有巨大的應(yīng)用潛力。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過度依賴化肥農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤退化、環(huán)境污染。理解并利用菌根網(wǎng)絡(luò)，可能為我們提供一條更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)道路。想象一下，如果我們能在農(nóng)田中重建這種天然的“預(yù)警系統(tǒng)”，是否可以提高作物抗病能力，從而減少農(nóng)藥使用？
目前，科學(xué)家們正在探索通過聯(lián)合接種菌根真菌和有益細(xì)菌的方式，構(gòu)建類似的防御網(wǎng)絡(luò)。這種微生物聯(lián)合策略可能是未來生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要方向。
結(jié)語

從4億年前的奧陶紀(jì)到今天，菌根共生關(guān)系經(jīng)歷了地球環(huán)境的巨變和多次物種大滅絕事件的考驗，依然保持著旺盛的生命力。這種持久的合作關(guān)系告訴我們：合作而非競爭，才是長期生存的關(guān)鍵。
在面臨氣候變化、生物多樣性喪失、地緣沖突頻發(fā)和糧食安全等挑戰(zhàn)的今天，理解并學(xué)習(xí)自然界的這種智慧，或許能夠為人類提供新的發(fā)展思路。

致謝：
感謝遼寧林業(yè)科學(xué)院王琴博士、陜西省微生物研究所田稼博士、中國科學(xué)院大學(xué)尚雪副教授等師友為撰寫本文提供的支持和幫助。感謝河北大學(xué)李國杰老師對本文進行的審校。

參考文獻

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[3] Andrea Genreet al. Unique and common traits in mycorrhizal symbioses. Nature Reviews Microbiology, 2020,18,649-660.

[4] Wu, S.et al. Chromium immobilization by extraradical mycelium of arbuscular mycorrhiza contributes to plant chromium tolerance. Environ Exp Bot, 2016, 122, 10-18.

[5] 梁宇等. 菌根真菌在生態(tài)系統(tǒng)中的作用. 植物生態(tài)學(xué)報，2002，26（6）,739-745[6] 王浩等. 菌根真菌多樣性與植物多樣性的相互作用研究進展. 微生物學(xué)通報，2020，11,3918-3932[7] 陳艷紅等. 蘭科植物與菌根真菌的營養(yǎng)關(guān)系. 菌物學(xué)報，2017，07，807-819[8] 尹華軍等. 森林根系分泌物生態(tài)學(xué)研究：問題與展望. 植物生態(tài)學(xué)報，2018，42（11）,1055-1070

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