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2025年8月15日

阿尔伯塔大学系统农业部/Manish Gautam

阿肯色州农业实验站和戴尔邦珀斯农业、食品和生命科学学院的研究人员首次证明，大豆植株可以在不改变 DNA 的情况下将对昆虫和干旱胁迫的适应性反应传递给后代。

当大豆植株经受住昆虫的侵袭和干旱时期时，它们会记住。

虽然植物不像动物那样具有记忆力，但阿肯色州农业实验站的研究表明，大豆植物可以像那些饥饿的昆虫一样，将对压力的适应性反应传递给后代，而无需改变其 DNA。

科学家将这种跨代适应称为“跨代可塑性”，共识是干旱和食草（或以植物为食的动物）等独立压力因素可以诱导基因表达——可能通过表观遗传学。与基因改变或突变不同，表观遗传改变是可逆的，它不会改变DNA序列，而是改变生物体读取DNA序列的方式。

在大豆——世界上最重要的作物之一——实验站的研究人员（该实验站是阿尔伯塔大学系统农业部的研究机构）中，首次发现了干旱和昆虫食草能够产生持久的跨代效应的证据。这些压力因素不仅影响亲本植物，还会改变其后代的特性和防御能力。

该研究展示了压力源对植物后代产生的一些积极和消极影响，并可用于在同一季节培育更具弹性的作物。 

农业部昆虫学和植物病理学系作物昆虫学副教授鲁佩什·卡里亚特 (Rupesh Kariyat) 表示，由于疫苗可以增强免疫力，在植物生长早期采用“启动”和“强化”等技术可能使植物能够抵御未来的挫折，同时将产量损失降至最低。

“这让我们有机会控制大豆的胁迫程度，从而在生长初期增强防御能力，同时又不影响作物的最终产量，”卡里亚特说。“但有一个问题——我们尚未量化干旱和食草胁迫下的阈值，这可能对植物弊大于利。”

在过去的两年里，Kariyat 和博士生 Manish Gautam 和 Insha Shafi 研究了两种昆虫——大豆尺蠖和秋粘虫——的毛虫如何与大豆植株相互作用，以及它们在各种情况下对亲本和子代植株的影响，包括干旱和连续食草的巧合。

卡里亚特是克莱德·H·赛茨国际作物生理学教授，他指出气候变化已经使昆虫威胁变得更加严重。

“昆虫越来越大，而且每年要经历好几代，”他说。“这导致杀虫剂的使用量增加，这是不可持续的。”

通过胁迫记忆提高大豆的抗逆性可以减少对农药的依赖，带来显著的生态和经济效益。美国农民通常每年购买新鲜种子，但在巴西和肯尼亚，许多农民依靠储存的种子来避免购买高昂的商业品种成本。在这样的系统中，从亲本遗传给后代的性状变得尤为重要。

Kariyat 和他的博士生进行了多层次的实验，以测试干旱胁迫下的大豆植株是否更容易受到昆虫的侵害，以及亲本植株的记忆（对胁迫的反应）有多少会传递给后代，以应对特定种类的食草动物。

受胁迫植物的后代种子中氮和蛋白质含量更高，这是植物适应性的关键标志。后代还能产生更多花朵，并拥有更高的毛状体密度，毛状体是一种微小的毛发状结构，可以抵御害虫。Kariyat 指出，当母株同时经历干旱和食草压力时，这些积极效应最为显著。

尽管有这些优势，压力记忆也付出了代价——防御能力增强，但生长却较弱。受压的后代产量下降，空荚率也更高。

防御毛状体也随着成熟而减少，这表明增强的防御能力可能是短暂的或与年龄相关的。卡里亚特说，这项研究表明，生存和生产力之间存在着代价高昂的权衡。

Kariyat 总结道，他们迄今为止的研究表明， 大豆的压力记忆是一把双刃剑。虽然它可以提高防御能力和早期活力，但也会导致生理上的权衡，最终降低适应性和产量。

为了探究昆虫是否能够感知大豆过去的干旱胁迫，研究人员在先前遭受干旱胁迫的植株和持续获得充足水分的植株之间建立了微型桥梁。研究指出，他们观察到大豆尺蠖毛虫会暂停活动，转动头部，并经常掉头返回更健康的植株。

毛虫对持续浇水的植物造成的破坏程度明显高于已从干旱胁迫中恢复的植物，这支持了“植物活力假说”，即害虫更喜欢强壮的宿主。

先前的研究大多侧重于单一压力源，但实际农场条件往往涉及多种压力源。Kariyat 的团队测试了大豆尺蠖和秋粘虫依次侵袭时会发生什么。他们的发现令人惊讶。 

当大豆尺蠖先出现时，大豆后代的氮含量比反过来出现时高出 40%，花和豆荚更多，蛋白质含量也更高。

虽然这可能表明食草可以使大豆获得更好的产量，但卡里亚特警告说，这种影响取决于压力源的类型、时间和严重程度。

“食草并非总能提高植物的产量，而是压力源的类型、严重程度和组合决定了植物的反应是有益还是有害，”卡里亚特说。“从目前的研究来看，虽然中等或最低程度的生物胁迫可能会增强大豆的恢复力——这在其他系统中也有发现——但非生物胁迫和生物胁迫的结合可能会导致植物的产量耗尽，引发代价高昂的防御反应，而这往往会损害产量和适应性。”

例如，与仅经历干旱的植物相比，经历干旱和食草处理的植物后代中，毛状体（一种毛发状结构）的增加更为显著。然而，当测试连续食草行为时，毛状体的密度并没有差异，这表明植物在应对单纯食草时，更注重生理和适应性特征，而非物理防御。

这表明干旱可能在从有益的压力到有害的超负荷的平衡中发挥重要作用。

• Gautam 和 Kariyat于 7 月在《植物、细胞与环境》杂志 上发表了题为“干旱和食草对大豆生态生理、防御和适应性具有选择性跨代影响”的文章。
• Shafi 和 Kariyat 撰写的《连续食草对大豆生理和适应性特征的跨代印记》于 7 月在《植物与环境相互作用》杂志 上发表。
• Gautam 和 Kariyat 于 4 月在《植物、细胞与环境》杂志 上发表了题为“干旱和食草驱动大豆（ Glycine max  Merril）的生理和植物激素变化：来自荟萃分析的见解”的文章。
• Gautam、Kariyat 和 Shafi 早期对大豆干旱和食草性状的研究于 2024 年 8 月在《环境与实验植物学》上发表，题为 “模拟干旱和食草性状下的生理性状补偿对大豆（Glycine max  (L.) Merrill）的适应性具有功能性影响”。

Shafi 的联合导师是实验站植物病毒学教授兼阿肯色州清洁植物中心主任 Ioannis Tzanetakis。

https://news.uark.edu/articles/79844/soybeans-seem-to-inherit-the-bad-memories-of-their-parents

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