植物如何無腦記憶壓力？揭開自然界的驚人智慧

自五億年前植物開始在陸地上繁衍以來，它們便不斷演化出抵禦病蟲害的能力。其中最令人驚嘆的，莫過於植物能夠「記住」曾經遭遇的壓力，並利用這些記憶來強化自身的防禦。這種現象被稱為「免疫啟動」，與疫苗幫助人類建立免疫力的原理相似，但背後的機制卻截然不同。那麼，植物是如何在沒有大腦的情況下做到這一切的呢？

許多人對植物的印象僅停留在「美化環境的綠色生物」，雖然它們確實對淨化空氣至關重要，但往往被視為簡單的生命體。然而，近年來的研究徹底顛覆了科學家對植物的認知：它們的複雜程度遠超想像，甚至與人類有許多相似之處。這門新興科學領域的發展令人著迷，絕非一兩篇文章所能涵蓋。本文是「植物奧秘」系列的一部分，旨在探索那些挑戰你對植物認知的科學研究。

植物天生對大多數有害微生物具有基因抗性，但仍有少數微生物能夠抑制植物的先天免疫力，從而引發疾病。這正是為什麼包括人類在內的脊椎動物演化出了依賴B細胞和T細胞的免疫系統。這些記憶細胞透過接觸疾病或接種疫苗而被啟用，幫助我們增強對反覆感染的抵抗力。然而，植物並沒有專門的細胞來獲取免疫記憶，而是依靠細胞內的「表觀遺傳」變化來儲存過去遭受攻擊的資訊，並啟動其先天免疫系統。一旦啟動，植物便能更好地抵禦病蟲害，即使它們原本在基因上容易受到感染。

過去十到十五年的研究顯示，反覆且長時間暴露於病蟲害中，會導致植物DNA發生持久的表觀遺傳變化，而不改變DNA的原始序列。這使得植物能夠保持在啟動防禦的狀態。免疫啟動現象在多種植物中都有報導，從壽命僅數週的短命一年生植物（如阿拉伯芥），到可存活長達四百年的長壽樹種（如挪威雲杉）。

然而，免疫啟動對植物來說並非沒有代價，例如可能導致生長速度減緩。因此，這種啟動記憶是可逆的，若長時間未遭遇壓力，記憶便會逐漸消退。但根據壓力刺激的強度，啟動記憶也可能持續終生，甚至傳遞給下一代。壓力越強，植物的記憶時間就越長。

植物為了適應環境，會不斷改變基因的活性。基因可以透過表觀遺傳變化被長時間關閉。在植物中，這些變化最常發生在「跳躍基因」（即轉座子）上。轉座子通常處於休眠狀態，因為它們可能引發突變。然而，壓力會改變植物細胞的表觀遺傳活性，部分「喚醒」這些基因，從而幫助植物建立並維持長期的記憶。

在尚未經歷壓力的植物中，防禦基因大多處於休眠狀態，以避免不必要的免疫活動。然而，從疾病中恢復後，轉座子的持久表觀遺傳變化會使防禦基因在再次遭遇壓力時更快、更強地啟動。儘管科學家仍在探索其確切機制，但很明顯，這些跳躍基因的表觀遺傳變化在幫助植物適應威脅方面扮演著關鍵角色。

植物不僅依賴內部的表觀遺傳記憶來提升對病蟲害的抵抗力，還能利用環境來儲存壓力記憶。當遭受攻擊時，植物會從根部釋放化學物質，吸引有益微生物來抑制疾病。如果這種土壤調節作用足夠強烈，便會留下持久的「土壤遺產」，惠及下一代植物。一旦土壤被調節，這些有益微生物便會駐留在植物根部附近，幫助植物對抗疾病。

在某些植物（如玉米）中，科學家已識別出驅動這種外部壓力記憶的次級代謝物。這些代謝物並非細胞主要代謝所必需，但通常在防禦或其他環境訊號傳遞中發揮作用，例如吸引有益微生物或昆蟲。控制這些根部化學物質的基因，部分受到壓力反應表觀遺傳機制的調節，這表明植物內部和外部記憶的機制是相互關聯的。

理解植物如何儲存並利用壓力記憶，可能徹底改變作物保護的方式。利用植物應對病蟲害的自然能力，或許能幫助我們減少對化學農藥的依賴，並培育出更能應對環境壓力的作物。隨著人類面臨氣候變遷和糧食需求增加的挑戰，這項研究有望為開發更永續的作物保護方案提供有力的工具。

——謝菲爾德大學植物環境訊號學教授 Jurriaan Ton