文 ｜ 《中國科學(xué)報(bào)》記者 胡珉琦
土沉香種子與胡蜂 朱仁斌攝
沉香，被稱為“木中之鉆”，因其受傷后會(huì)散發(fā)出濃郁的香味，制成熏香，氤氳繚繞。
(資料圖片僅供參考)
春末夏初，中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園（以下簡稱版納植物園）的一片土沉香林正值種子收獲的季節(jié)。
成熟的土沉香蒴果，先是裂開一條小小的縫隙，隨著裂口越來越大，像豆莢一樣的種子很快滑落下來，僅憑一根絲線懸掛在空中。
正當(dāng)工作人員小心翼翼采下這些珍貴的種子，以便培育幼苗，一群“低空殺手”——胡蜂突然造訪。
它們沿著之字形的飛行軌跡，猛地?fù)湎蜉艄?，咬掉攜帶油質(zhì)體的種子，迅速離開。在“奪種”現(xiàn)場(chǎng)，還有工作人員因此被蟄傷。
胡蜂作為昆蟲界的頂級(jí)獵食者，是妥妥的肉食動(dòng)物。只在極少數(shù)情況下，才選擇“吃素”。莫不是胡蜂也會(huì)“品香”？
6月30日，《當(dāng)代生物學(xué)》雜志在線刊發(fā)了版納植物園的一項(xiàng)研究成果，揭開了一段“殺手蜂”拯救土沉香“短命”種子的曲折故事。
模擬獵物氣味和大聲“喊救命”
在自然界中，植物和動(dòng)物互利共生有著數(shù)不盡的例子。它們之間溝通的語言就是化學(xué)信號(hào)。
“種子能引來胡蜂這類肉食性昆蟲，一個(gè)很重要的原因就是，它提供的信號(hào)能直接或間接指示昆蟲獵物的存在。”論文通訊作者、版納植物園研究員王剛解釋說。
2018年，中科院昆明植物研究所研究員陳高研究組的一項(xiàng)研究顯示，胡蜂之所以“迷戀”大百部蒴果，是因?yàn)槠漭艄麅?nèi)的種子所附帶的油質(zhì)體能模擬蟲子的氣味，而且，這些油質(zhì)體咬起來味美多汁、營養(yǎng)豐富。
于是，胡蜂把它當(dāng)成了鐘愛的“獵物”，還會(huì)將其帶回蜂巢喂養(yǎng)幼蟲，而堅(jiān)硬的種子會(huì)在中途被一棄了之。這也讓胡蜂無意中成為了大百部種子的散布者。
版納植物園研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，土沉香的種子同樣附著有豐富的油質(zhì)體，因此，它和胡蜂的關(guān)系也是靠著模擬獵物的氣味來保持的嗎？
胡蜂撕咬土沉香種子的油質(zhì)體 朱仁斌攝
然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，它們的關(guān)系比原有的認(rèn)知要復(fù)雜得多。
研究團(tuán)隊(duì)在提取土沉香蒴果果夾的氣味成分進(jìn)行詳細(xì)分析后，得到了一個(gè)出人意料的結(jié)果，它的果夾竟能釋放出14種類似葉片被害蟲啃食后的“求救素”成分。
土沉香的種子和果夾 朱仁斌攝
“植物發(fā)出‘求救信號(hào)’不足為奇，這是它與害蟲以及害蟲的天敵三級(jí)營養(yǎng)關(guān)系中，演化出的一種普遍存在的取食防御機(jī)制。”王剛解釋。
當(dāng)害蟲啃食植物葉片時(shí)，葉片會(huì)迅速釋放出大量揮發(fā)性很強(qiáng)的信息素，以此告知害蟲的天敵“這里有你的獵物”。
“可是，植物模擬求救信號(hào)來吸引昆蟲為其傳播種子的做法卻很少見。”這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了王剛的好奇心。
植物多發(fā)出一種信號(hào)，意味著消耗更多的能量。沉香為吸引胡蜂傳種為何還要多此一舉？是什么原因讓土沉香在種子散布過程中演化出了這樣特殊的策略？
“短命”和快速散布
如果土沉香會(huì)說話，除了傾吐它歷經(jīng)傷害的結(jié)香過程，也許還有不為人知的“短命”經(jīng)歷。
截至2020年12月，中國西南野生生物種質(zhì)資源庫已經(jīng)保存了植物種子10601種，土沉香不在其中，這與它瀕危的現(xiàn)狀并不相符。
“這是因?yàn)?，種子資源庫普遍采用低溫干燥的保存環(huán)境，這對(duì)土沉香種子是致命的。”王剛告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
土沉香代表了一類比較特殊的植物類型，它們的種子被稱為頑拗型種子或非休眠種子。果實(shí)裂開后，種子活力和水分隨著暴露在樹冠中的時(shí)間延長而急劇下降，很容易干燥致死。由于它在種子時(shí)期的生命很短暫，亟需快速散布，落到潮濕陰涼的土壤里迅速萌發(fā)。
“過去，我們極少關(guān)注這類‘短命’種子是如何散布的？散布時(shí)間有多快？”論文通訊作者、版納植物園研究員陳進(jìn)表示，正是這項(xiàng)研究給出了答案。
“我們嚴(yán)格記錄了482只胡蜂搬運(yùn)沉香種子的時(shí)間和軌跡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土沉香蒴果開裂、種子露出后，果實(shí)平均等待時(shí)間僅需30分鐘，有一半的果實(shí)在13分鐘內(nèi)就招募到胡蜂，之后，胡蜂最快僅用1分鐘就可以將種子從果莢上取下。而它們把種子搬運(yùn)到的最遠(yuǎn)距離超過了400米。”論文一作、版納植物園博士生秦瑞敏興奮地介紹道。
對(duì)比已有研究，版納植物園英國籍研究員Richard Corlett曾在中國香港和東南亞地區(qū)參與過一項(xiàng)研究，發(fā)現(xiàn)在自然條件下34種野生植物成熟果實(shí)被動(dòng)物移除的時(shí)間從5天到71天不等。顯然，它們的反應(yīng)速度遠(yuǎn)不如胡蜂。
“植物釋放的信號(hào)物質(zhì)揮發(fā)性越強(qiáng)，信號(hào)傳遞效率就越高，就能更快速地吸引傳種動(dòng)物的到來。”王剛表示，團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。
他們對(duì)比了土沉香釋放求救素成分的揮發(fā)性和大百部模擬獵物氣味物質(zhì)的揮發(fā)性，強(qiáng)度最高可相差3萬倍。
可見，對(duì)土沉香而言，模擬強(qiáng)效的“求救信號(hào)”比單純模擬獵物氣味更能在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)成種子散布的目的。
“這項(xiàng)研究再次說明了自然界的一個(gè)不變的法則：沒有一種物質(zhì)僅有一種用途，也沒有一種功能僅靠一種物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。”陳進(jìn)告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
陳高則評(píng)價(jià)說，這項(xiàng)研究為拓展無脊椎動(dòng)物傳播種子的內(nèi)涵和外延提供新的思考視角。
比如，為什么是果夾進(jìn)化出吸引信號(hào)，而不是直接部署在種子傳播體上；種子壽命短、傳播速度快、揮發(fā)物釋放快速是否是躲避其他森林內(nèi)嚙齒動(dòng)物的捕食壓力；短壽命、無休眠、強(qiáng)信號(hào)、種子快速傳播的植物和與之相反的植物傳播策略之間如何達(dá)成平衡……
精準(zhǔn)捕捉胡蜂的嗅覺感受
自然生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)整體。在王剛看來，認(rèn)識(shí)到傳粉、寄生、種子散布、取食防御等動(dòng)植物關(guān)系可能交織在一起互相影響，能大大拓寬研究的視角。
在這項(xiàng)研究中，將種子散布機(jī)制和取食防御機(jī)制聯(lián)系在一起的關(guān)鍵證據(jù)，來自土沉香果夾釋放物質(zhì)的成分分析，以及胡蜂對(duì)這些成分的電生理反應(yīng)分析。而這些內(nèi)容也是論文審稿人十分關(guān)心的部分。
要想回答土沉香果夾為什么吸引胡蜂，必須找到究竟是什么成分刺激了胡蜂的嗅覺感受器。
“觸角是昆蟲的嗅覺器官，它一旦接受到嗅覺刺激，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電生理信號(hào)。”論文一作、版納植物園副研究員文平介紹，觸角電位測(cè)量儀就是檢測(cè)昆蟲觸角產(chǎn)生這類信號(hào)的重要工具。
“昆蟲之間，尤其是雌雄個(gè)體間用來‘交流’的信息素往往信號(hào)強(qiáng)度較大，觸角電位較高，更容易被檢測(cè)，捕食者和獵物之間的信號(hào)次之。”文平解釋，胡蜂是普食性昆蟲，它要處理的獵物信號(hào)類型很多，對(duì)植物發(fā)出的求救素產(chǎn)生的電生理信號(hào)要微弱得多，因此，檢測(cè)儀器的靈敏度是實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。
目前國內(nèi)普遍使用的主要是德國進(jìn)口的一類商用儀器。至少在十年前，文平就發(fā)現(xiàn)，美國的實(shí)驗(yàn)室更傾向于自主研發(fā)這一儀器平臺(tái)用于科學(xué)研究。
可即便如此，過去要想檢測(cè)昆蟲觸角微量信號(hào)的活性，儀器靈敏度始終不理想。
于是，在進(jìn)入版納植物園工作的四五年時(shí)間里，文平一邊進(jìn)行電生理研究，一邊進(jìn)行自主儀器平臺(tái)研發(fā)。
氣相色譜-觸角電位聯(lián)用儀 文平攝
2020年，他和公共技術(shù)服務(wù)中心研制成功的“氣相色譜—觸角電位聯(lián)用儀”把信號(hào)檢測(cè)限從毫伏級(jí)變至微伏級(jí)，靈敏度比進(jìn)口儀器提升了10-100倍，但研制成本只有進(jìn)口儀器的十分之一。它還因此入選了《中國科學(xué)院自主研制科學(xué)儀器2020》?？?。
文平認(rèn)為，在基于揮發(fā)物分析的化學(xué)生態(tài)學(xué)研究中，這類儀器對(duì)于解釋生態(tài)系統(tǒng)中物種之間的互作關(guān)系非常重要。
“我們也要避免唯設(shè)備論的思想，不追大、追全、追貴。”在王剛看來，很多時(shí)候，只要根據(jù)研究問題和實(shí)驗(yàn)材料，有針對(duì)性地制作或改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備的某些部分，就能達(dá)到四兩撥千斤的作用。
而重視和鼓勵(lì)科研人員對(duì)現(xiàn)有科研設(shè)備的功能挖掘和改造升級(jí)，還可以反過來促進(jìn)理論研究的深度創(chuàng)新發(fā)展。
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