驯化减少南瓜花挥发物多样性但保留传粉者吸引关键化合物的化学生态学研究

《Journal of Chemical Ecology》：Domestication Reduces Floral Volatile Richness in Squash (Cucurbitaceae: Cucurbita) But Conserves Key Compounds Critical for Pollinator Attraction

本刊推荐：为解决作物驯化如何影响植物-传粉者化学通讯机制这一关键问题，研究人员通过比较野生与栽培南瓜（Cucurbita）花挥发物组成，结合气相色谱-触角电位联用（GC-EAG）、蓝色诱捕器野外实验和传粉者访问观察，发现驯化导致花挥发物多样性显著降低，但保留了1,4-二甲氧基苯等关键吸引传粉者的化合物，为作物驯化重塑植物-传粉者互作提供了新见解。

　　

在人类世背景下，农业化已成为主导性景观现象，约40%的陆地被经过万年驯化的作物占据。作物驯化通过选育符合人类需求的性状（如果实增大、含糖量提高）或适应农业生态系统的特性（如休眠丧失、年生周期转变），引发了快速的表型演化。然而，这种人工选择过程常因多效性、上位性、连锁遗传等复杂机制产生意外效应，改变植物与其他生物通讯的相关性状。花朵作为吸引传粉者的"诱饵"，通过产生挥发物等信号广告营养资源（花粉与花蜜）的可用性，其信号完整性对维持植物-传粉者互作至关重要。但驯化如何影响花挥发物这一长距离通讯渠道，仍是当前研究的薄弱环节。

本研究以葫芦科南瓜属（Cucurbita）为模型，该属包含多个野生与栽培种，其驯化历史可追溯至万年前的墨西哥，并经历至少六次独立驯化事件。通过整合化学生态学、电生理学和行为生态学方法，团队系统解析了驯化对花挥发物组成及其对专性传粉者南瓜蜂（Xenoglossa pruinosa）行为的影响。研究发现，驯化导致南瓜花挥发物多样性显著降低（Kruskal-Wallis检验：X²=109.6, p<0.001），物种身份解释56%的挥发物变异（PERMANOVA：R²=0.562）。非度量多维尺度分析（NMDS）显示野生与栽培种挥发物谱存在明显分化，其中近期驯化的C. pepo ssp. ovifera var. texana与栽培种聚类更紧密。

研究采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析五种南瓜花挥发物，结合气相色谱-触角电位联用（GC-EAG）鉴定出10种能引发南瓜蜂触角电生理反应的化合物，确认其中7种身份（包括1,4-二甲氧基苯、芳樟醇、甲基水杨酸等）。通过改良蓝色诱捕器野外实验发现，单独使用1,4-二甲氧基苯即可吸引南瓜蜂。进一步对525次传粉行为观测数据的负二项广义线性混合模型分析表明，蜜蜂访问花次数与(E)-橙花叔醇排放量正相关（Est=1.151, p=0.0489），与二氢-β-紫罗兰酮排放量正相关（Est=0.586, p<0.001），而与芳樟醇和甲基水杨酸排放量负相关。

关键实验技术

研究通过温室栽培五类南瓜种质（含野生种、栽培种及逸生种），采用烘烤除味的烤箱袋包裹雄花进行6小时头空间挥发物采集，以HayesepQ吸附管富集后经二氯甲烷洗脱。化合物经DB-5MS色谱柱分离，通过GC-MS全扫描模式（m/z 30-300）鉴定，辅以NIST17质谱库和标准品验证。电生理实验采用Dean切换器耦合GC-FID/EAG系统，记录南瓜蜂触角对挥发物组分的反应。野外行为实验采用随机区组设计，通过定时观测记录蜜蜂访花行为，结合蓝色诱捕器比较单一化合物引诱效果。

Squash Floral Volatile Characterization

通过GC-MS分析发现，栽培种花挥发物种类显著少于野生种，其中高度驯化的C. pepo ssp. ovifera var. ovifera挥发物中1,4-二甲氧基苯占比超90%。PERMANOVA分析表明物种身份是挥发物组成差异的主要驱动因子（R²=0.562），而驯化状态解释力较低（R²=0.098），但将逸生种归入栽培种后解释度提升至30%（R²=0.300）。NMDS排序图显示野生种C. foetidissima与其他种明显分离，反映其早生生态型特有的挥发物特征。

Combined Gas-Chromatography Electroantennography(GC-EAG)

GC-EAG实验鉴定出10个触角活性化合物，男女蜂均对所有化合物产生反应。中生态分支物种均产生1,4-二甲氧基苯（早生种C. foetidissima缺乏该成分），而(E)-橙花叔醇在除C. pepo ssp. ovifera var. ovifera外所有种中均有检出。质谱鉴定确认7个化合物身份（表1），包括单萜醇（芳樟醇）、苯环类（1,4-二甲氧基苯、甲基水杨酸、吲哚）、脱辅基类胡萝卜素（二氢-β-紫罗兰酮、β-紫罗兰酮）和倍半萜（(E)-橙花叔醇）。

Blue Vane Trap Field Assays

改良蓝色诱捕器实验显示，仅1,4-二甲氧基苯处理组出现南瓜蜂捕获量增加趋势（Est=1.94±1.07, p=0.0688），而芳樟醇和吲哚处理组未捕获任何蜜蜂。负二项混合模型表明化合物间捕获差异显著（p=0.0136），但事后检验未发现具体化合物与对照的显著差异，反映单一化合物引诱效果有限。

Pollinator Visitation Experiment

传粉访问实验发现，蜜蜂访花行为与特定触角活性化合物排放量显著相关。接近行为随(E)-橙花叔醇（p=0.0489）、二氢-β-紫罗兰酮（p<0.001）排放增加而上升，且与主成分1（高1,4-二甲氧基苯/低芳樟醇-甲基水杨酸组合）正相关（p=0.0400）。吸食花蜜行为呈现类似规律，而花粉收集行为虽与化合物排放总体相关（p<0.001），但未发现与特定化合物的显著关联。

Emissions of EAG-active Compounds Predict Squash Bee Visitation and Nectaring

相关性分析揭示化合物排放存在显著拮抗关系：1,4-二甲氧基苯与芳樟醇（r=-0.817）、甲基水杨酸（r=-0.663）负相关，而芳樟醇与甲基水杨酸正相关（r=0.862）。行为模型表明，野生种C. foetidissima的蜜蜂访问量显著高于其他种（p<0.01），支持野生挥发物谱对专性传粉者的持续吸引力。

研究结论强调，驯化通过减少花挥发物多样性但保留关键信号成分（如1,4-二甲氧基苯），重塑了植物-传粉者化学通讯机制。这种"信号简化"现象可能源于防御与吸引性状间的代谢权衡，例如1,4-二甲氧基苯（苯环类）与芳樟醇（单萜）生物合成途径的资源竞争。研究为理解农业生态中植物-昆虫互作演化提供了新视角，对作物育种中传粉服务优化具有指导意义。