编辑推荐:
在植物授粉研究中,为探究雌雄异株棕榈象牙棕榈(Phytelephas aequatorialis)的授粉机制,研究人员开展其花开放、气味释放和昆虫访花日变化模式的研究。结果发现,虽两性花存在差异,但昆虫对其无偏好。该研究为理解植物授粉提供新视角。
在神奇的植物世界里,授粉是植物繁衍后代的关键环节,其成功与否取决于植物与传粉者之间的时间同步性。这种同步性会在从数年到数分钟甚至数秒的时间尺度上发生显著变化。以往长期研究植物 - 传粉者群落时,由于忽略了 24 小时内传粉者组成和数量的波动,可能会产生偏差。因为这些波动会影响传粉者与寄主植物相遇的时间,进而影响植物的繁殖成功率。
在雌雄异株植物中,这个问题更为复杂。全球约有 15,600 种雌雄异株植物,它们的雄花和雌花分别生长在不同个体上。这使得它们在应对进化压力时可能采取不同策略,在吸引传粉昆虫方面也存在竞争。比如,雄花往往会投入更多资源用于吸引传粉者,像拥有鲜艳的颜色、诱人的气味等;而雌花则需要在吸引传粉者和避免种子被捕食之间权衡,通常会展现出更低调的花部特征。
一种常见的授粉机制是欺骗性授粉,当只有一种性别的花提供奖励时,欺骗性别的花必须模仿有奖励的花来吸引传粉者。在象牙棕榈中,就存在这种现象,它的雌雄花通过释放几乎相同的挥发性化合物对甲基苯甲醚(p - methylanisole)来吸引昆虫,然而雄花释放的量是雌花的两到三倍。此前,“无偏好” 假说认为传粉者无法区分雌雄花,但这一假说很少在雌雄异株 / 欺骗性植物中得到高时间分辨率的验证。
为了解开这些谜团,来自多个研究机构的研究人员对象牙棕榈展开了深入研究,相关成果发表在《BMC Ecology and Evolution》上。
研究人员运用了多种技术方法来开展这项研究。在监测花的开放和花期方面,他们使用了定时摄像机,以 1 分钟的间隔记录象牙棕榈 29 个花序(15 个雌性和 14 个雄性)的开花过程。对于花香的研究,采用了顶空技术结合色谱探针来收集挥发性有机化合物(VOCs),并通过气相色谱 - 质谱联用仪进行分析。为了模拟真实花序,研究人员还设计了人工花(AF)实验,在不同的人工花中添加不同量的对甲基苯甲醚来模拟雌雄花的气味释放,并设置了对照。在统计分析时,运用 R 统计软件和多种相关的 R 包进行数据处理和分析。
研究结果如下:
- 每日花开放模式:雄性象牙棕榈的花序开放时间没有明显规律,不过在下午到傍晚开花频率略有增加。而雌性花序呈现出明显的双峰开放模式,分别在清晨(02:00 - 06:00)和黄昏(16:00 - 21:00)达到开放高峰。通过计算,雌雄花序开花时间的重叠系数为 0.53,意味着它们平均有 53% 的概率在同一天的同一时间开放。
- 挥发性有机化合物(VOCs)的释放:研究人员对比了雌雄花序在开花第一天的最大气味释放量,发现两者存在显著差异。雄性花序释放的对甲基苯甲醚最多可达 13.47 μg min-1 inflorescence-1,平均为 4.70 ± 3.38 μg min-1 inflorescence,而雌性花序最多为 3.34 μg min-1 inflorescence-1,平均为 2.12 ± 0.51 μg min-1 inflorescence-1。但有趣的是,无论是雄花还是雌花,它们在一天内的气味释放量并没有明显变化。
- 每日访花昆虫模式(实验 1:每日模拟):在实验中,雄性和雌性人工花在每天结束时吸引的昆虫总数相近。控制组捕获的昆虫数量则少得多。进一步分析发现,访问昆虫群落的相对丰度在雌雄人工花之间具有相似的日变化模式,都有两个高峰,分别在早上 8:00 左右(雌性人工花)和 9:00 左右(雄性人工花),以及 18:00。而且,尽管雌性人工花释放的对甲基苯甲醚较少,但吸引的昆虫数量更为稳定。在 16 种最丰富的昆虫形态物种中,9 种表现出黄昏活动行为(在黎明和黄昏活动),5 种为昼行性(主要在早上和白天活动),2 种为夜行性。考虑到雌性花序开放时间是雄性的两倍,16 种昆虫中有 15 种在雌性人工花上吸引的数量与雄性人工花相似。
- 早期访花昆虫(实验 2:早期吸引):在这个实验中,雄性和雌性人工花在每个 20 分钟的收集期内吸引的昆虫数量相似,控制组捕获的昆虫数量依旧很少。在黎明和黄昏,实验开始 5 分钟后,就有 14 种不同的昆虫形态物种到达雌雄人工花。而且,在 5 分钟的样本中,根据施加的对甲基苯甲醚的量(雌性人工花 50 μL,雄性人工花 400 μL)进行分组或区组分析时,发现吸引的昆虫平均数量没有显著差异。
综合研究结果和讨论部分,这项研究具有重要意义。它揭示了象牙棕榈中尽管雌雄花在花部特征上存在细微差异,但这些差异并没有改变雌性模仿花的访花率。实验结果支持了 “无偏好” 假说,表明传粉者无法区分象牙棕榈的雌雄花序。这一发现挑战了传统观点,即昆虫对强气味源的偏好是由嗅觉受体的更大刺激驱动的。同时,研究还发现早期访花可能是授粉效率和欺骗成功的潜在指标,这为理解植物授粉机制提供了新的视角,也为进一步研究植物与传粉者之间的相互作用奠定了基础。