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温室里正在记录三株番茄的声音

胁迫植物听起来像什么？有点像爆裂的气泡膜的声音。2023年3月30日，以色列研究人员在《细胞》杂志上发表报告称，因脱水或茎干被切断而受到胁迫的番茄和烟草植物发出的声音在音量上与正常人类对话相当。这些噪音的频率太高，我们的耳朵无法察觉，但昆虫、其他哺乳动物、其他植物都能听到。

特拉维夫大学进化生物学家和理论家、资深作者Lilach Hadany说：“即使在安静的田野里，实际上也有我们听不到的声音，这些声音携带着信息。”。“有些动物可以听到这些声音，因此有可能发生了大量的声学相互作用。”

尽管以前已经记录到植物的超声波振动，但这是它们通过空气传播的第一个证据，这一事实证明它们与环境中的其他生物有关联。Hadany说：“植物一直与昆虫和其他动物互动，其中许多生物使用声音进行交流，因此植物完全不使用声音是非常不现实的。”

研究人员使用麦克风记录健康和有压力胁迫的番茄和烟草植物，首先是在隔音的声学室中进行记录，然后是在噪音更大的温室环境中进行记录。他们通过两种方法对植物进行了处理：几天不浇水和割茎。在记录植物后，研究人员训练了一种机器学习算法来区分未受胁迫的植物、干旱胁迫植物和被切割的植物。

研究小组发现，受胁迫的植物比未受胁迫的植株发出更多的声音。植物的声音类似于爆裂声或咔嗒声，一株受胁迫的植物每小时发出大约30-50次这种咔嗒声的，时间间隔似乎是随机的，但未受胁迫的植株发出的声音要少得多。Hadany说：“当西红柿完全没有胁迫时，它们会非常安静。”。

频率降低了，这样人耳朵就能听到。水分胁迫的植物在明显脱水之前就开始发出噪音，在缺水的五天后，声音的频率达到峰值，然后随着植物完全干燥而再次降低。发出的声音类型因胁迫的原因而异。机器学习算法能够准确区分脱水和切割产生的压力，还可以辨别这些声音是来自番茄还是烟草。

这项研究的重点是番茄和烟草植物，因其易于在实验室中生长和标准化，但研究团队也记录了各种其他植物物种。Hadany说：“我们发现，许多植物——例如玉米、小麦、葡萄和仙人掌——在受到胁迫时会发出声音。”。

这些噪音背后的确切机制尚不清楚，但研究人员认为，这可能是由于植物维管系统中气泡的形成和破裂，这一过程被称为空化。

植物是否为了与其他生物交流而发出这些声音也不清楚，但这些声音的存在具有重大的生态和进化意义。Hadany说：“其他生物可能已经进化到能够听到这些声音并对其做出反应。”“例如，打算在植物上产卵的飞蛾或打算吃掉植物的动物可以利用这些声音来指导他们的决定。”

其他植物也可能会听到这些声音并从中受益。从之前的研究中知道，植物可以对声音和振动做出反应：Hadany和该团队的其他几名成员之前表明，当植物“听到”

传粉昆虫发出的声音时，它们会增加花蜜中的糖浓度，其他研究表明，植物会根据声音改变基因表达。Hadany说：“如果其他植物在胁迫真正发生之前就掌握了胁迫的信息，它们就可以做好准备。”

植物的录音可以用于农业灌溉系统，以监测作物的状态，并帮助更有效地分配水分。

“我们知道，每次你使用麦克风时，都会有很多超声波，你会发现很多东西会产生我们人类听不到的声音，但植物发出这些声音的事实为交流、窃听和利用这些声音开辟了一条全新的途径，”共同高级作者、特拉维夫大学神经生态学家Yossi Yovel说。

Hadany说：“所以现在我们知道植物确实会发出声音，下一个问题是-‘谁可能在听？’。“我们目前正在研究其他生物，包括动物和植物，对这些声音的反应，我们也在探索在完全自然的环境中识别和解释声音的能力。

该研究使用了Plantarray植物功能生理表型研究系统

Plantarray是一款基于称重的高通量、多传感器生理表型平台以及植物逆境生物学研究通用平台。 该系统可持续、实时测量位于不同环境条件下、阵列中每个植株的土壤-植物-空气（SPAC）中的即时水流动。 直接测量根系和茎叶系统水平衡和生物量增加，计算植物生理参数以及植物对动态环境的反馈。 系统以有效、易用、无损的方式针对植物对不同处理的反应、预测植物生长和生产力进行定量比较，广泛应用于生物胁迫和非生物胁迫以及植物栽培加速育种研究等，胁迫研究涵盖干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、热、冷胁迫、光胁迫以及灌溉/养分、CO2指示、植物健康等领域的研究。

Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative, Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.03.009. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00262-3

植物在胁迫下发出的声音是通过空气传播且信息丰富

热点

植物在受到胁迫时会发出超声波空气传播的声音

发出的声音揭示了植物的类型和状况

可以在温室环境中检测和解释植物的声音

总结

受到胁迫的植物表现出改变的表型，包括颜色、气味和形状的变化。然而，以前还没有人研究过胁迫植物发出的在空气传播的声音。在这里，我们展示了胁迫植物发出的通过空气传播的声音，这些声音可以从远处记录下来并分类。我们在声学室内和温室中记录了番茄和烟草植物发出的超声波，同时监测了植物的生理参数。我们开发了机器学习模型，仅根据发出的声音就成功地识别了植物的状况，包括脱水水平和损伤。这些信息性的声音也可能被其他生物检测到。这项工作为了解植物及其与环境的相互作用开辟了途径，并可能对农业产生重大影响。

关键词

植物生物声学、植物声学、空气传播声音、信号、植物通信、干旱胁迫、应激反应、机器学习、人工智能、植物远程监测

Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative: Cell

DOI:http://doi.org/10.1016/j.cell.2023.03.009

Highlights

Plants emit ultrasonic airborne sounds when stressed

The emitted sounds reveal plant type and condition

Plant sounds can be detected and interpreted in a greenhouse setting

Summary

Stressed plants show altered phenotypes, including changes in color, smell, and shape. Yet, airborne sounds emitted by stressed plants have not been investigated before. Here we show that stressed plants emit airborne sounds that can be recorded from a distance and classified. We recorded ultrasonic sounds emitted by tomato and tobacco plants inside an acoustic chamber, and in a greenhouse, while monitoring the plant’s physiological parameters. We developed machine learning models that succeeded in identifying the condition of the plants, including dehydration level and injury, based solely on the emitted sounds. These informative sounds may also be detectable by other organisms. This work opens avenues for understanding plants and their interactions with the environment and may have significant impact on agriculture.

Summary

Stressed plants show altered phenotypes, including changes in color, smell, and shape. Yet, airborne sounds emitted by stressed plants have not been investigated before. Here we show that stressed plants emit airborne sounds that can be recorded from a distance and classified. We recorded ultrasonic sounds emitted by tomato and tobacco plants inside an acoustic chamber, and in a greenhouse, while monitoring the plant’s physiological parameters. We developed machine learning models that succeeded in identifying the condition of the plants, including dehydration level and injury, based solely on the emitted sounds. These informative sounds may also be detectable by other organisms. This work opens avenues for understanding plants and their interactions with the environment and may have significant impact on agriculture.

Keywords

plant bioacoustics，phytoacoustics，airborne sound，signaling，plant communication，drought stress，stress responses，machine learning，artificial intelligence，plant remote monitoring