微型“龍卷風”導致作物傳染病擴散

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病原體和細菌不僅會使人類和動物生病，也會對植物造成嚴重破壞，每年造成全球農作物減產超過20%。近日，美國康奈爾大學科研團隊在《科學進展》發表成果，通過使用高速攝像機拍攝真菌孢子的散播過程，揭示了健康植物是如何通過葉片被病原體孢子感染的。

高速攝像機拍下的孢子和花粉在小麥葉片表面散播軌跡。圖片來源：康奈爾大學

包括病毒、細菌、卵菌和真菌等病原體對全球14種主要農作物都有嚴重影響，一種對植物尤為有害的致病真菌叫做銹菌，由于其孢子顏色與金屬上的鐵銹類似而得名，呈現出鮮艷的紅色、橙色、黃色和棕色，對小麥、大麥等農作物有很強的致病性。銹菌的在繁殖階段會釋放出微小的孢子，能在空氣中傳播數千公里，甚至實現跨洲傳播，但其傳播機制尚不清楚。

此前的研究證實，刮風和降雨可以通過液滴的飛濺和破碎促進攜帶病原體的生物氣溶膠釋放，一個懸而未決的問題是，雨滴濺落在柔性的葉片上如何觸發孢子釋放。

為此，康奈爾大學研究團隊開發出一個模擬雨滴、樹葉和顆粒之間相互作用的人工系統，由于實驗室不能使用活孢子進行實驗，他們使用微型中空玻璃顆粒來模擬實際的孢子。然后對液滴動量、葉片振動和葉片表面流通量之間的線性耦合進行建模，使用了通常用于研究海洋環流和大氣環流等大尺度地球物理現象的研究方法，將氣流規模縮小了幾個數量級，以預測小麥葉片周圍空氣中產生的漩渦。

研究發現，當雨滴落在感染了銹病的小麥葉片上，葉片會顫動并產生微小的空氣漩渦，將孢子四處傳播，并感染健康的植物。這一過程就像人類咳嗽或者打噴嚏會傳播病毒。

“這有點像空氣中的小型‘龍卷風’，”論文作者之一、康奈爾大學生物物理學家Sunghwan Jung表示：“我們描述了這些旋轉運動的大小，它們何時形成，以及孢子如何四處移動，一切都是可以預測的。”

研究人員表示，孢子這種空氣傳播的特性使得其能輕易擴散，而人類至今無法阻斷。雖然目前還沒有找到徹底解決植物傳染病的方法，但從病原體管理的角度來說，可以在基礎科研的層面研究孢子的釋放環境以及傳播源頭，如果可以控制植物葉片表面渦流結構的形成，就有可能開發出更為有效的阻斷策略，減少孢子向其他植物傳播。