 我们为什么喜欢喝茶？其实无非是因为好喝、好闻和健康。站到茶树的角度来考虑，茶为什么要合成那么多的香气物质，茶合成香气物质是为了取悦人类吗？  宋传奎 安徽农业大学 教授 博士生导师 茶树种质创新与资源利用全国重点实验室 副主任  大家都知道，说起交流，一点也不陌生。  人类可以通过语言、文字和动作，来表达自己的喜怒哀乐，人类的发展也说明，交流是人类生存和发展的基石，那么交流是人类所特有的吗？  蜜蜂可以通过8字舞来传递花丛的位置，同样，大象也可以通过次声波，甚至能够交流数公里以外的同伴，同样的，群狼还可以通过嚎叫，来实现协同的猎狩。 这些都是动物的语言，可以看到动物和人有一个共同点，就是他们都可以移动，他们都可以跑，遇到危险的时候，他们可以选择逃避，或者使用工具来实现自己的趋利避害。 但是如果把目光投向安静的植物，我们就会发现植物不会移动，不会跑，它不会哭泣，但是它必须要面对风吹雨打，甚至来自于昆虫、细菌以及人类的侵害。 也就是因为这样，植物进化出了更为敏锐，且复杂的生存的策略。  在森林中我们可以看到，最上层是高高的乔木，中间的是灌木，下面还有地被植物，它们通过自身的协议，达成了一个空间的分布。其实这不仅仅是对光资源的有效利用，更是不同植物之间一种无声的空间协议。 但是最令我们感到动容的，也就是植物受到侵害之后的“化学呼救”。  也许大家都曾注意过，当收割草坪的时候，我们会闻到草坪发出的淡淡的清香，我们可能感到很愉快，但对于植物来说，那是生命的“呐喊”。 同样茶园也是，在茶园收割之前，我们感到茶园是没有味道的，但是当我们采摘茶树或者揉捻茶叶的时候，我们就会发现，茶叶也会释放淡淡的清香。也许这些清香让我们感到特别的愉悦，但对于植物来说，那是生命的“救命”啊。 当然关于植物和植物之间的交流，1983年已经开始提出。  这两位科学家将两个植物种到一起，其中一个植物让虫子去取食。这时候，他观察旁边健康的植物，就发现，健康的植物会表现得非常紧张，它的体内也形成了很多防御的物质。首次提出植物会通过空气，实现两个植物之间的交流，这项研究发表在《科学》上面，引起了很大的反响。 同时期大家也发现，两个植物之间还可以通过协作，共同抵御昆虫。  这个实验可以看到，两个树苗种到一起，但是一个树苗是放到虫子，然后他让虫子取食的叶片，再去饲喂虫子的时候，发现虫子取食量显著下降，同时拿旁边健康的树苗叶片，去饲喂虫子，发现取食量也下降，也就是说不管是受虫害胁迫的植物，还是旁边健康的植物，它们的体内都发生了相同的化学反应。 后面科学家们也通过严格控制室内的环境，通过室内、室外、大田多重实验，终于证明了植物和植物之间，确实能够发生交流。  值得一提的是美国加州大学Karban教授，他把艾草和烟草同时种到一块地里面，然后用剪刀把艾草的叶片损伤，同时涂抹昆虫的唾液来模拟昆虫的侵蚀。他发现这个艾草会释放一些特殊的挥发性物质，这些物质能够给旁边的烟草，旁边烟草能够感受到这些物质，然后它自己的抗性也会提高，肯定了植物和植物之间确实能够存在交流。 也就是说植物当受到昆虫侵蚀的时候，会释放挥发物质，这个是确信无疑的。 2016年我回国以后，就一直想解析植物这种神奇的语言，我拿一个极具中国特色的茶，作为研究对象。  茶，起源于中国，盛行于世界，联合国2019年提出，将每年的5月21日设定为“国际茶日”，这也充分体现了国际社会对茶的认可。 我们为什么喜欢喝茶？其实无非是因为好喝、好闻和健康。 茶树的好喝和健康，是由它很多不挥发的物质决定的，比如多酚和氨基酸。这些物质决定了茶叶的好喝和健康。 当然它的好闻，主要是香气物质贡献的，虽然香气物质含量非常低，但是它是茶叶品质的核心。 然而如果我们看一下茶树本身，在茶叶加工之前，我们闻不到香气物质的存在，为什么呢？ 就是因为在鲜叶当中，这些香气物质是和糖缩合的，以糖苷的形式储存，这种香气是不会挥发的，只是在加工过程中，当茶叶遭到损伤，揉捻的过程中，这些糖苷会水解。 但是很少人站到茶树的角度来考虑，茶为什么要合成那么多的香气物质，茶合成香气物质是为了取悦人类吗？ 答案是否定的。 为了解析茶树为什么要释放这么多的香气物质，它具有怎样的功能，我们首先做了一个茶树和茶树之间的交流实验。 大家可以看到上面两个罐子，分别是健康的茶苗，中间用管子进行连通，为了让它们交流。下面同样是一样的装备，唯一不同的是左边的茶树，我放了虫子在里面。 也就是说当虫子撕咬茶叶的时候，这个茶叶会释放很多挥发物质，挥发物质可以通过这个管子给邻近健康的茶树。 我们把后面两个健康的茶树去做了抗虫实验，非常神奇。我们发现和虫害胁迫交流之后，这个茶叶的抗虫能力显著的提高，取食量下降了一倍。 后面我们系统地解析了虫害胁迫下，茶树和茶树交流的香气物质，发现了很多香气物质可以参与这个交流。 旁边的植物是如何接收这些信号的呢？我们分别发现，有的物质，比如刚才讲的青草气的物质，茶树可以直接吸收，在体内将这种挥发的，再转回不挥发的糖苷形式进行储存，但是有的物质，可以直接诱导旁边的茶树产生抗虫的功能，还有的香气物质过来之后呢，让旁边植物再释放挥发物质，这些释放物质，有的是一块趋避成虫，有的是吸引天敌实现协同的抗虫。 当然前面讲了很多都是关于茶树在受到损伤，或者生命遭到威胁的时候，它会发生呼救信号，那么在它的生命没有遭到威胁的时候，像平时受一些逆境的时候，茶树能否进行一个交流呢？ 这项研究目前在我们开始之前，在植物中，没有任何报道。 我们为什么想到这个研究呢？有一句谚语是“高山云雾出好茶”。 大家都知道高山温度较低，也许这个低温和它的香气密切相关，总而言之，就是低温能够促进香气的产生。 那么我们站到科学的角度来考虑，在低温下，茶树为什么要释放这么多的香气物质？为了证明这个，我们模拟生物胁迫的实验。 上面可以看到两个茶树均在25℃，下面两个茶树呢，左边的香气供体 我们放到零下5℃，也就是给它一个低温的环境，这个时候可以看到，零下5℃ 可以诱导很多香气物质的产生，然后给旁边的受体茶树。这个时候我们把25℃的两个受体，同时放到零下5℃去冻，现象就发生了。 大家可以看到上面没有交流的茶树，很快就冻伤了，但是下面和低温茶树交流过的茶树呢，它的抗冻的能力显著的提高，可以看到它的表型非常好。 同样我们通过仪器，解析了在低温下，茶树和茶树之间交流的信号，发现了四个物质，分别是芳樟醇、香叶醇、水杨酸甲酯和橙花叔醇，这四个香气均具有花果香。 我们把这四个香气收集起来之后，给茶树进行喷施或者添加，它的抗冻的效果均显著提高。 为了解析它的机制，我们对茶树做了代谢分析，最终发现这些香气物质来了之后，茶树一方面还是以糖苷的形式进行储存，提高自己抗氧化的能力，同时很多香气物质还可以作为一个信号，激发茶树的抗冻的效果，启动了茶树抗冷的开关——CBF1基因，下游就可以激活上百个抗冻的基因。 也就是说在低温下，确实茶树能够释放很多香气物质，旁边的茶树能够接收到，并启动自己的抗冻的能力。 当然有很多的研究，不管是虫害还是低温，大家都可以看到，基本上都是单向的提醒，也就是受到伤害的植物，会给旁边健康的植物一个信号，让旁边健康的植物产生抗性。 但是和人的交流一样，我说话，你会回应，那么问题来了，植物之间的交流是否是单向的预警，还是有一个回馈的过程？这是未知的。 我们设计了几个"电话仓"，把茶苗放到里面去进行低温处理，可以看到有的是一个茶树，有的是两个茶树，同样去冻，冻完之后可以看到，有一个茶苗的，它冻的效果，损伤程度特别严重，但是两个茶苗在一起的时候，它的抗冻能力显著提高。 这就是说这两个植物之间，确实存在了相互的交流，让集体的抗性同时提高。 其实这个现象像我们人类一样，如果在一个房间把你关进去，一天你可能就抑郁了，如果把两个人放到一起，可以开一些party，如果四个人在一起，我们还可以打牌，而且玩得特别开心。 植物也是一样，多个在一起的时候，它们通过群体的交流，让集体的抗性全部提高。 后面我们想解析这种回馈信号到底是什么？像人类说话一样，我说，你也说，吵来吵去，不好鉴定中间的语言。 为了证明这个，我们设计了简单的电话亭的装置，就是像打电话一样，把两个茶树分别放到不同的罐子里面，中间用线进行连接，相当于电话亭。 为了解析到底是过去的信号，还是反馈信号呢，我们首先把一个罐子进行低温，把它的香气物质转移到第二个罐子里面，这个时候我们把罐子给它换了，把这个受过伤害的茶苗，立刻换到一个新罐子里面，再和其他的茶苗进行一个交流，然后把这里面的香气，再吹回原来的装置里面去，可以看到原来受到伤害的茶树，它的抗冻的效果又进一步的提高，证明植物之间确实是有回应的。 后面我们又进一步解析这些回馈信号是否对前面的抗冻的植物是有作用的，我们收集了那些回馈信号，然后再进行一个交流的实验，发现这些回馈信号确实能够进一步增强第一个受到损伤茶树的抗冻的能力，实现抱团取暖。 后面我们又利用其他的装置，鉴定了这种物质，发现这个物质是——角鲨烯。 我们拿到角鲨烯之后，重新进行一个交流实验，只放角鲨烯，发现这个茶树的抗冻的能力就显著的提高，也就是它确实作为一个“语言”，能提高茶树的抗冻的效果。 为了进一步看一下这个香气物质是如何提高茶树抗冻的能力的，它通过哪些途径，我们测了一下茶树的激素，发现油菜素内酯大量的增加，也就是香气能够诱导植物激素的产生。 其实和我们一样，很多女同胞拿到玫瑰花，一闻到那个香气，它就会诱导体内分泌多巴胺，同时让她非常开心。 植物也是一样，当闻到这个香气的时候，植物也会产生激素，产生油菜素内酯，同时我们还发现抗冷的开关CBF ，有六个， CBF1~CBF6。 低温下它会启动CBF1、CBF2、CBF3，CBF5基本上没有启动。在交流的时候，我们发现这个交流信号，只激活了CBF5这样一个特殊的开关。 为了证明激素确实在里面起作用，我们把这个激素的合成途径给它阻断，就不让它产生这个激素了，我再让它去闻这个香气，闻完之后再去低温处理，发现这个茶树的抗冻的能力就没有提高。也就是说这个香气发挥功能，一定是通过这个油菜素内酯，它是一个核心。 那么这个激素的下游是谁呢？我们推测是CBF5，是一个核心的开关。 为了证明这一点，我们通过基因沉默，把这个基因CBF5 给它敲除，就让茶树没有这个基因，随后再拿这个香气去处理茶苗，发现茶树的抗冻的效果就没有提高，这也就证明CBF5确实是植物接收这个信号，发挥抗冷功能的核心的开关。 找到这个开关，我们就可以去有意识的去提高茶树的反馈能力，比如，如果把这个基因上调，这个植物就特别灵敏，抗冻能力就会提高。 当然了我们想看一下这个激素和这个开关之间有怎样的关系。 我们发现这个激素下游的转录因子，可以直接和CBF5结合，然后激活下游抗冷的相关的基因。 这就证明茶树确实能够存在双向交流，即低温下茶树会释放一些物质，给健康的植物，旁边的植物也会回馈角鲨烯，跟首次受到低温损伤的茶树，实现了集体的“抱暖”。 我们就会想，茶树为什么会有这么多的智慧？发现人类在选择喝茶的时候，往往会选择一些香气比较好的，抗性比较好的品种，这一束基因是人类选择驯化的结果。 我们做了这么多的理论的实验，非常有意思，那么在现实生活中我们怎么去利用呢？ 我们就把这些香气物质解析之后，看一下哪个浓度可以提高茶树的抗冻效果，然后通过在田园中进行缓施或者喷施，就可以提高整个茶树的群体的抗冻效果，也在很多地方进行了应用，不仅是抗虫还是抗冷。 也许植物的交流在亿万年前已经开启，我们的研究才仅仅解析了冰山一角，大家要相信“万物皆相语，静听自有音”，我相信随着科研的发展，随着植物语言的不断解析，我们能够实现和植物的共同的交流，谢谢大家。 往/期/回/顾 【CC讲坛】李小双：从沙漠到火星的星际拓荒者，植物极端抗逆生存智慧启示录 【CC讲坛】赵杨：久旱逢甘霖，植物“干”而不死极端策略的启示 |
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