读懂植物的“求救信号”（创新汇）

来源：人民日报

在瑞士巴塞尔郊外的一座大型温室里，一只椿象悄悄落在叶片上，准备饱餐一顿。此刻，沉默的大豆植株其实并非毫无反应，它正释放出一连串急促的电信号，宛如在发送无声的求救电波——“哎哟，我受伤了”。

过去，这种“声音”人类听不见，也看不懂。近日，先正达集团研究团队与瑞士科技公司“维文生物信号”合作，在实时监测植物电信号的基础上，首次利用机器学习技术，成功破译植物被虫害侵袭时发出的“求救信号”。这项发表于《科学报告》等国际期刊的研究成果，意味着人类开始“理解”植物的语言，这不仅是植物生理学的重大突破，也为全球粮食安全提供了一把“数字钥匙”。“我们对植物的生长机制及其应对病虫害威胁的方式了解得越透彻，就越能帮助植物健康生长，从而保障粮食生产。”领导该研究团队的植物学家安克·布赫霍尔茨在接受记者采访时表示，他们现在能够准确、实时地了解作物如何应对特定的环境挑战。

数据显示，全球每年因植物病虫害导致的农作物损失比例高达40%，直接经济损失超过2200亿美元。以大豆为例，作为全球油料作物和植物蛋白的核心来源，每年有超过20%的大豆因病虫害问题减产。“其中一大挑战就在于，病虫害侵袭的隐蔽性。”布赫霍尔茨表示，比如拉丁美洲大豆田里常见的椿象，它们常常潜伏在大片豆田茂密的冠层隐蔽处。在椿象侵扰初期，对植物造成的损害微乎其微，因此很难及时发现它们。等到农民注意到大豆荚变黄时，虫害已蔓延开来，最佳防治时机往往已经错过。这种“识别滞后性”不仅导致减产，更迫使农民为控制虫害扩散而加大农药喷洒剂量、增加喷洒频次，加重了对土壤、水源的环境影响。

其实，科学家对植物电信号的探索已有150年历史。中国科学院植物学博士、科普作家史军表示，植物电信号并不神秘，任何生物在生命运转过程中都会产生电信号。当氢离子、钙离子、钾离子和氯离子在细胞膜内外移动的时候，就会带来细胞膜两侧离子浓度的变化。带电离子的移动恰如金属导线中电子的移动，于是就产生电信号。当植物体受到干旱、低温、动物啃食等外界刺激时，会带动细胞膜两侧离子浓度的变化，进而产生电信号。这些信号通过植物体内输送水、矿物质和养分的组织通道中的离子流实现传播，这也是植物在细胞、组织间进行通信的最快机制之一。不过，面对植物发出的海量且极度复杂的电波数据，人们很长时间都无法真正理解这些信号的含义。布赫霍尔茨解释说，“人类处理不了这么大的信息量，这些信号交织在一起，就像嘈杂的电流声，我们以前根本不知道它们在‘说’什么。”

机器学习与人工智能技术的加入，为研究和破解植物的“求救信号”开辟了新路径。研究团队给大豆植株连接上精密的电信号监测设备。这些电信号被记录下来，随后被“投喂”给人工智能模型进行分析与解读。“这使我们能够搜索植物语言中表示‘我正遭受椿象攻击’的电信号模式。”先正达集团植物学家尤里安·弗里德里希说。

研究团队还对比监测了经植物保护产品处理过（比如喷洒植物保护产品）的大豆与未处理过的大豆的反应机制。结果显示，未受保护的大豆在遭遇椿象侵袭时，电信号瞬间变得剧烈且无序；而经过处理的健康植株，其信号则保持平稳。这意味着，通过记录植物的电信号，可以更准确地判断作物是否受到侵袭，从而提前数小时甚至数天发出预警。布赫霍尔茨认为，这一新发现有助于农技人员更早、更高效地干预和防范虫害，实现作物的精细化管护，并更有针对性、更可持续地施用农药。

当然，这项技术仍处于起步阶段。现阶段科学家只能确定几种胁迫类型，例如椿象啃食豆荚，或者线虫（一种微小的蠕虫）在土壤中啃食根部。布赫霍尔茨表示，“团队的中期目标是建立一个植物‘求救信号’数据库，以便进一步区分各种病虫害或高温和干旱等影响植物健康生长的环境威胁。未来，我们希望能够破译植物的语言。”

如何分辨植物的“求救信号”，是进行虫害管控的关键。史军解释说：“这项研究的关键点在于研究团队通过数学模型，排除了光照、水分等环境影响因素，筛选出那些与昆虫侵害大豆相关的电信号。这就像破译了植物的摩斯密码——‘尖峰’次数越多，呼救越急，这让我们对植物的反应有更清晰的理解，也为对抗虫害争取了宝贵时间。”（记者 郭梓云 孔歌）