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“短命”种子缘何向“杀手蜂”求救?

来源:中国科学报2022-07-04 09:33

  沉香,被称为“木中钻石”,受损后会散发出浓郁的香味,制成熏香,香雾缭绕。

  春末夏初,中科院西双版纳热带植物园(以下简称版纳植物园)的一片土沉香林正值种子收获的季节。

  成熟的土沉香蒴果,先是裂开一条小小的缝隙,随着裂口越来越大,像豆荚一样的种子很快滑落下来,仅凭一根丝线悬挂在空中。

  正当工作人员小心翼翼地采下这些珍贵的种子,以便培育幼苗时,一群“低空杀手”——胡蜂突然造访。

  它们沿着之字形的飞行轨迹,猛地扑向蒴果,咬掉携带油质体的种子,迅速离开。在“夺种”现场,还有工作人员被蜇伤。

  胡蜂作为昆虫界的顶级猎食者,是妥妥的肉食动物。只有在极少数情况下,才会选择“吃素”。难道胡蜂也会“品香”?

  6月30日,《当代生物学》在线刊发了版纳植物园的一项研究成果,揭开了一段“杀手蜂”拯救土沉香“短命”种子的曲折故事。

  模拟猎物气味和大声“喊救命”

  在自然界中,植物和动物互利共生有着数不尽的例子。而它们之间沟通的语言就是化学信号。

  “种子能引来胡蜂这类肉食性昆虫,一个很重要的原因就是,它提供的信号能直接或间接指示昆虫猎物的存在。”论文通讯作者、版纳植物园研究员王刚解释说。

  2018年,中科院昆明植物研究所研究员陈高研究组的一项研究显示,胡蜂之所以“迷恋”大百部蒴果,是因为蒴果内的种子附带的油质体能模拟虫子的气味,而且这些油质体味美多汁、营养丰富。

  于是,胡蜂把它当成了钟爱的“猎物”,还会将其带回蜂巢喂养幼虫,坚硬的种子反而在中途被一弃了之。这也让胡蜂无意中成为了大百部种子的散布者。

  版纳植物园研究团队发现,和大百部蒴果一样,土沉香的种子同样附着有丰富的油质体,那么它和胡蜂的关系是否也是靠着模拟猎物的气味来保持?

  然而,实验结果证明,它们的关系比原有认知要复杂得多。

  研究团队在提取土沉香蒴果果荚的气味成分进行详细分析后,得出一个出人意料的结论,它的果荚竟能释放出14种类似叶片被害虫啃食后的“求救素”成分。

  “植物发出‘求救信号’不足为奇,这是它与害虫以及害虫的天敌三级营养关系中,演化出的一种普遍存在的取食防御机制。”王刚解释说。

  当害虫啃食植物叶片时,叶片会迅速释放出大量挥发性很强的信息素,以此告知害虫的天敌“这里有你的猎物”。

  “可是,植物模拟求救信号来吸引昆虫为其传播种子的做法却很少见。”这一发现激发了王刚的好奇心。

  植物多发出一种信号,意味着消耗更多的能量。沉香为吸引胡蜂传种为何还要多此一举?是什么原因让土沉香在种子散布过程中演化出这样特殊的策略?

  “短命”和快速散布

  如果土沉香会说话,除了倾吐它历经伤害的结香过程,也许还有不为人知的“短命”经历。

  截至2020年12月,中国西南野生生物种质资源库已经保存植物种子10601种,土沉香不在其中,这与它濒危的现状并不相符。“这是因为种子资源库普遍采用低温干燥的保存环境,这对土沉香种子是致命的。”王刚告诉《中国科学报》。

  土沉香代表了一类比较特殊的植物类型,它们的种子被称为顽拗型种子或非休眠种子。果实裂开后,其种子活力和水分会随着暴露在树冠中的时间延长而急剧下降,很容易干燥致死。由于它在种子时期的生命很短暂,亟须快速散布,落到潮湿阴凉的土壤,迅速萌发。

  “过去,我们极少关注这类‘短命’种子是如何散布的,及其散布时间有多快。”论文通讯作者、版纳植物园研究员陈进表示,正是这项研究给出了答案。

  “我们严格记录了482只胡蜂搬运沉香种子的时间和轨迹。结果发现,土沉香蒴果开裂、种子露出后,果实平均等待时间仅需30分钟,有一半的果实在13分钟内就招募到胡蜂,之后,胡蜂最快仅用1分钟就可以将种子从果荚上取下。而它们搬运种子的最远距离超过了400米。”论文第一作者、版纳植物园博士生秦瑞敏兴奋地对记者说。

  对比已有研究,版纳植物园英国籍研究员Richard Corlett曾在中国香港和东南亚地区参与过一项研究,发现在自然条件下34种野生植物成熟果实被动物移除的时间从5天到71天不等。显然,它们的反应速度远不如胡蜂。

  “植物释放的信号物质挥发性越强,信号传递效率就越高,就能更快速地吸引传种动物的到来。”王刚表示,团队的实验数据也证明了这一点。

  他们对比了土沉香释放求救素成分的挥发性和大百部模拟猎物气味物质的挥发性,强度最高相差3万倍。

  可见,对土沉香而言,模拟强效的“求救信号”比单纯模拟猎物气味更能在最短时间内达到种子散布的目的。

  “这项研究再次说明了自然界一个不变的法则:没有一种物质仅有一种用途,也没有一种功能仅靠一种物质实现。”陈进告诉《中国科学报》。

  陈高则评价说,这项研究为拓展无脊椎动物传播种子的内涵和外延提供了新的思考视角。比如,为什么是果荚进化出吸引信号,而不是直接部署在种子传播体上;种子寿命短、传播速度快、挥发物释放快速是否是为了减少森林里啮齿动物的捕食压力;短寿命、无休眠、强信号、种子快速传播的植物和与之相反的植物传播策略之间如何达成平衡……

  精准捕捉胡蜂的嗅觉感受

  自然生态系统是一个整体。在王刚看来,认识到传粉、寄生、种子散布、取食防御等动植物关系可能交织在一起,互相影响,能大大拓宽研究的视角。

  在这项研究中,将种子散布机制和取食防御机制联系在一起的关键证据,来自土沉香果荚释放物质的成分分析,以及胡蜂对这些成分的电生理反应分析。而这些内容也是论文审稿人十分关注的部分。

  要想回答土沉香果荚为什么吸引胡蜂,必须找到究竟是什么成分刺激了胡蜂的嗅觉感受器。

  “触角是昆虫的嗅觉器官,它一旦接收到嗅觉刺激,就会产生相应的电生理信号。”论文第一作者、版纳植物园副研究员文平介绍,触角电位测量仪就是检测昆虫触角产生这类信号的重要工具。

  “昆虫之间,尤其是雌雄个体间用来‘交流’的信息素往往信号强度较大,触角电位较高,更容易被检测,捕食者和猎物之间的信号次之。”文平解释,胡蜂是普食性昆虫,它要处理的猎物信号类型很多,因植物发出求救素产生的电生理信号要微弱得多,因此检测仪器的灵敏度是实验成功与否的关键。

  目前,国内普遍使用的是德国进口的一类商用仪器。至少在十年前,文平就发现,美国的实验室更倾向于自主研发这一仪器平台用于科学研究。即便如此,要想检测昆虫触角微量信号的活性,仪器灵敏度仍不理想。

  于是,在进入版纳植物园工作的四五年时间里,文平一边进行电生理研究,一边进行自主仪器平台研发。

  2020年,他和公共技术服务中心研制成功的“气相色谱—触角电位联用仪”把信号检测限从毫伏级变至微伏级,灵敏度比进口仪器提升了10~100倍,但研制成本只有进口仪器的十分之一。该仪器因此入选了《中国科学院自主研制科学仪器2020》专刊。

  文平认为,在基于挥发物分析的化学生态学研究中,这类仪器对于解释生态系统中物种之间的互作关系非常重要。

  “我们也要避免唯设备论的思想,不追大、追全、追贵。”在王刚看来,很多时候,只要根据研究问题和实验材料,有针对性地制作或改进现有设备的某些部分,就能达到四两拨千斤的作用。而重视和鼓励科研人员对现有科研设备的功能挖掘和改造升级,还可以反过来促进理论研究的深度创新发展。(胡珉琦)

[ 责编:蔡琳 ]
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