誰是大自然里的「小豬佩奇VS小羊蘇茜」？

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在我們的習慣認知中，自然界的生物處在錯綜複雜的食物鏈中，一物降一物，很難與「合作」聯繫起來，但其實「合作共贏」的模式最早就是來源於大自然，在植物、微生物和動物中比比皆是。

它們彼此之間也會達成「共識」，一致對外，這種合作關係就叫「共生」，它們的共贏則是贏在獲取養分、抵禦外敵和傳遞花粉，贏在生存和繁衍。

今天，我們就來介紹一下大自然的幾對合作搭檔。

豆科植物 VS 根瘤菌，自然界「合作共贏」之最佳典範

要說大自然中的「合作共贏」，最具代表性的和被人們研究最多的當屬豆科植物和根瘤菌了，二者算得上是生物固氮體系中的最強搭檔了。

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我們知道，氮氣是空氣中最主要的成分，約佔空氣體積的78%。但是，將氮氣轉化為生物可利用的銨鹽和硝酸鹽，卻是難上加難。

因為氮氣中兩個氮原子間的化學鍵非常非常的穩定，只有在高溫高壓並有催化劑存在的條件下，才能和氫氣反應生成氨。這個過程耗能巨大，因此通過工業固氮的方法直接利用氮氣，在目前來看還不足以被廣泛推廣。

但是，生物固氮就不一樣了。固氮微生物能夠在自然條件下通過固氮酶，將大氣中的氮氣還原為氨，過程更加高效，自然界通過生物固定的氮量能達到固氮總量的60%左右。

而在生物固氮中，豆科植物與根瘤菌這對合作搭檔能夠固定生物固氮總量的60%以上、農業用地氮素的40%左右，因此，把它們叫做「最強搭檔」也就不足為奇了。

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那麼，豆科植物和根瘤菌是怎麼合作的？

根瘤菌是豆科植物的氮素「加工廠」，它是一類革蘭氏陰性桿狀細菌，在適宜的條件下能夠從植物根部侵入到花生、大豆和苜蓿等豆科植物中，吸收植物中的有機物來維持自身的生存。

從19世紀末開始，研究者們就對根瘤菌的分類展開了系統研究，隨著研究的不斷深入，發現根瘤菌竟是一個如此龐大的家族，從1932年發現的1屬6種增加到現在的17屬近100種：

根瘤菌侵入植物根部後發育成類菌體，形成一個氮素「加工廠」，利用固氮酶複合體系，將空氣中的分子態氮轉化為氨態氮，最終形成植物可吸收的「盤中餐」——有機氮化物。

中國科學院植物研究所的老一輩研究員曾圍繞固氮酶反應性、活性中心等方面開展了早期研究，其參與的固氮酶鉬鐵蛋白結晶研究成果還獲得了1978年全國科學大會獎，為國內植物微生物共生分子機制方面的研究奠定了基礎。

植物和真菌也能合作，比如油菜 VS 印度梨形孢

植物不僅和細菌存在著合作關係，也和多種真菌關係密切，在長期演化過程中形成了穩定的「合作」關係，其中印度梨形孢是大量植物內生真菌中的一個典型代表。

印度梨形孢（Piriformospora indica）是一種植物根部內生真菌，顧名思義，它的菌絲產生的厚垣孢子呈梨形，如下圖。

印度梨形孢可是油菜的「小衛士」，這是因為：

第一，它能幫助油菜抗旱。印度梨形孢定殖油菜後，能夠誘導寄主體內脯氨酸等物質含量的增加和超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等酶活性的增強，而這些物質間接增強了油菜對乾旱脅迫的抗性。

第二，它能幫助油菜抗蟲。印度梨形孢的定殖增加了油菜中單萜類和倍半萜類物質的含量，這些物質正是趨避節肢動物的主要成分，因此能夠顯著降低蚜蟲對油菜的迫害。

植物還能跟昆蟲合作，「無花果 VS 榕小蜂」組合了解一下？

植物既然能夠與微生物相互合作，自然也少不了與昆蟲的合作。飛行類昆蟲藉助自己強大的傳播能力能夠幫助開花植物傳播花粉，反過來，這些昆蟲也將開花植物當作自己的營養來源、棲息地或是產卵場所。

榕小蜂是無花果的傳粉「信使」。無花果是桑科榕屬的一種雌雄異株的開花植物。

無花果樹結果少不了一位重要功臣，就是傳粉「信使」榕小蜂。無花果瓮形隱頭花序中的花有三種類型：產生花粉的雄花、不產生花粉的癭花和形成種子的雌花。

榕小蜂寄居在「育兒所」——癭花中獲取自身所需營養，並完成交尾。花序中有一條榕小蜂能夠通過的螺旋形通道，雌榕小蜂在通過該通道去尋找另一個花序的癭花的過程中必然會攜帶雄花花粉，待它飛到雌株無花果上去產卵繁殖的同時，就完成了傳粉任務。

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大千世界，生物千千萬，很多微生物和昆蟲為了繁殖和獲取生存所需營養，在長期進化過程中都找到了自己的植物歸宿。這些植物在接納了這些外來生物後，又充分發揮他們的作用，為自己爭取利益，這可謂是穩固而長久的合作關係了。

植物學和動物學領域的科學家們都在進行著深入的研究，不放過這些生物合作過程中任何一種蛋白轉運、信號傳導和活性物質的改變等蛛絲馬跡，為我們探尋了生物共生的真理。

大自然「合作共贏」的案例舉不勝數，為人類的發展進步提供了豐富多彩的素材。比如，人們根據植物和微生物、昆蟲的共生法則，通過改造根瘤菌基因、調控生物固氮過程來提高豆科作物產量；利用赤眼蜂卵與玉米螟卵的寄生關係，製成赤眼蜂殺蟲卡來控制玉米田中玉米螟害蟲的數量……

而隨著人們對生物共生研究、利用的越來越多，各種制約農業發展的疑難雜症也將被逐一攻破。

作者：周文晴

來源：中國科學院植物研究所

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