植物受壓會發出超聲波「求救聲」 或可用以監察農作物情況改善糧產

植物並非我們想像中任人魚肉,在受傷害時也無法求救。最新刊於《細胞》的研究表明,當缺水或枝節被剪時,植物會發出斷斷續續的「求救聲」,但由於頻率太高,人類無法聽見。當將叫聲降低到人耳可以檢測到的範圍內時,這些由壓力引起的聲響,聽起來就似在鍵盤上打字。

團隊指出,儘管人類在無任何技術幫助下無法聽到這些超聲波爆破聲響,但各種哺乳類、昆蟲甚至其他植物都可能能夠在野外檢測到這些聲響音並作出反應。

團隊又認為,未來人類可利用記錄設備和人工智能,來監測農作物是否存在脫水或染病的跡象,從而改善糧產。

過去的研究表明,乾旱脅迫的植物會經歷一個稱為「空化 (cavitation) 」過程,即氣泡在植物的脈管系統組織內形成並破裂,發出爆裂的聲響,這種聲音可以通過連接在植物上的記錄設備檢測到,但學界一直不清楚這是否可在遠處聽到這種爆裂聲。

因此,該團隊在隔音盒和溫室環境中,在健康和受壓的蕃茄 (Solanum lycopersicum) 和煙草 (Nicotiana tabacum) 植物附近設置擴音器。這些植物的受壓情況或為脫水,或為莖幹被剪斷。該團隊還記錄了只有土壤的花盆作為控制組,確認土壤不會發出任何聲音。

平均而言,健康的植物每小時釋放少於 1 次這些爆裂聲,但受壓的植物每小時會發出大約 11 到 35 次聲響,具體數量取決於植物種類和壓力源。乾旱的蕃茄發出最多的聲響,有一些更每小時發出超過 40 次「求救聲」。

團隊將這些錄音輸入至機器學習演算法,並發現經過訓練的演算法能區分暴露於不同壓力源的不同植物發出的聲音方面,並有大約 70% 的成功率。團隊亦訓練了另一個人工智能系統來區分溫室中乾旱和健康的蕃茄,準確率超過 80% 。另一個模型亦以大約 80% 的準確度判斷出植物處於哪一個脫水階段。

在另外的實驗中,該團隊成功地記錄了感染煙草花葉病毒的患病番茄的聲音,並捕捉到了一系列其他受壓植物的「求救聲」,例如小麥 (Triticum aestivum) 和粟米 (Zea mays) 。

雖然團隊將擴音器設置在離植物約 10 厘米遠的地方來收集這些聲音,但他們認為這些超聲波可能會被 3 至 5 米外具有良好聽力的哺乳類和昆蟲聽到。團隊明言,這些發現可能會改變我們對植物的看法,因為植物一直被認為是沉默的。

來源:
Live Science, Stressed plants ‘scream,’ and it sounds like popping bubble wrap

報告:

Khait, I., Lewin-Epstein, O., Sharon, R. & et al. (2023). Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative. Cell Vol 186 Issue 7, P1328-1336.E10, 30 March 2023. doi: 10.1016/j.cell.2023.03.009

文/AC

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