近日，由中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所王紅研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)以及美國(guó)、瑞典的研究者，以列當(dāng)科馬先蒿屬(Pedicularis Linn.)植物為模型，整合生物力學(xué)、昆蟲(chóng)行為學(xué)和傳粉生態(tài)學(xué)等多學(xué)科研究手段，首次發(fā)現(xiàn)花與熊蜂之間的共振“關(guān)鍵點(diǎn)”，揭示了蜂振傳粉(buzz pollination)中植物與傳粉者之間的振動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)制(圖1)，解析了花的生物力學(xué)特性在塑造植物-傳粉者互作中的重要作用，為理解植物-傳粉者協(xié)同進(jìn)化及花多樣性形成提供了新視角。

蜂振傳粉：自然界中植物與傳粉者的振動(dòng)“協(xié)奏曲”

自達(dá)爾文以來(lái)，植物的花部結(jié)構(gòu)、花色、花氣味和花蜜等與傳粉者行為的相關(guān)研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但是花的力學(xué)特征與傳粉者的關(guān)系研究整體仍處于探索階段，尤其是復(fù)雜環(huán)境中的多因素交互作用、跨物種普適性規(guī)律亟待深入研究。蜂振傳粉是傳粉者通過(guò)身體產(chǎn)生高頻振動(dòng)使被包裹在花冠特殊結(jié)構(gòu)的花粉得以釋放的一種特殊傳粉方式，在自然界中廣泛存在。據(jù)估計(jì)，約有74個(gè)屬的蜂類訪花時(shí)使用振動(dòng)，發(fā)出“嗡嗡聲”與植物協(xié)奏“二重曲”。有超過(guò)2萬(wàn)種開(kāi)花植物依賴蜂振傳粉，包括番茄、辣椒和藍(lán)莓等經(jīng)濟(jì)作物。蜂振傳粉中最奇特的花出現(xiàn)在馬先蒿植物中，其花冠二唇形，上唇特化為“盔”，花藥隱藏在盔中。許多馬先蒿的盔具有獨(dú)特的“喙”狀結(jié)構(gòu)，一些種類的“喙”彎曲伸長(zhǎng)，貌似大象鼻子，被稱為“象鼻花”。在中國(guó)西南山地，馬先蒿多個(gè)物種共存、同期開(kāi)花并共享傳粉昆蟲(chóng)熊蜂，但種間雜交卻較少發(fā)生。當(dāng)熊蜂振動(dòng)時(shí)，花如何精準(zhǔn)釋放花粉?涉及蜂振傳粉復(fù)雜的生物力學(xué)過(guò)程，以及這種獨(dú)特的傳粉互作背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制目前知之甚少。

突破性發(fā)現(xiàn)：花與蜂共振的“關(guān)鍵點(diǎn)”

為了研究花與蜂類之間的奇妙互動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了跨學(xué)科交叉研究。利用多視角攝像系統(tǒng)記錄熊蜂訪問(wèn)馬先蒿花的全過(guò)程，觀察到熊蜂選擇花喙的基部特定位置咬合并振動(dòng)收集花粉;通過(guò)非破壞性的3D顯微CT成像技術(shù)(已獲得發(fā)明專利1項(xiàng))和原子力顯微鏡量化了花冠結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)，構(gòu)建了馬先蒿花的三維有限元模型;結(jié)合有限元計(jì)算模擬和振動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，首次發(fā)現(xiàn)熊蜂訪花的咬合點(diǎn)正是振動(dòng)能量傳遞的最優(yōu)激勵(lì)點(diǎn)，即花與蜂共振“關(guān)鍵點(diǎn)”(見(jiàn)圖2)，能促進(jìn)花粉高效釋放;同時(shí)只有在馬先蒿喙長(zhǎng)與訪花熊蜂體長(zhǎng)相匹配，熊蜂才能在最佳咬合時(shí)將其腹部對(duì)準(zhǔn)“象鼻花”尖端有效采集花粉和授粉。個(gè)體水平的傳粉網(wǎng)絡(luò)分析證實(shí)，馬先蒿喙長(zhǎng)與熊蜂體長(zhǎng)存在顯著的尺寸匹配(圖3)，并且這種精巧匹配在物種和個(gè)體層面均存在。

研究亮點(diǎn)：從生物力學(xué)到傳粉生態(tài)學(xué)的跨學(xué)科技術(shù)融合

蜂振傳粉涉及多個(gè)層面的力學(xué)問(wèn)題，如何將生物力學(xué)與傳粉生態(tài)學(xué)等研究相結(jié)合更是挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)成功地構(gòu)建了“振動(dòng)力學(xué)-昆蟲(chóng)行為-生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”多維研究模式。首次揭示了馬先蒿花的最佳激振點(diǎn)，也是植物與熊蜂個(gè)體間建立性狀匹配默契的關(guān)鍵;花與蜂共振互動(dòng)耦合提高了熊蜂個(gè)體的訪花忠誠(chéng)性，減少異種花粉干擾，可能促進(jìn)同域共存馬先蒿種間生殖隔離。本研究為傳粉互作如何影響物種多樣化提供了新認(rèn)識(shí)。鑒于蜂振傳粉在被子植物中的普遍性以及在經(jīng)濟(jì)作物中的重要性，研究為生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)授粉管理提供科學(xué)支撐。隨著技術(shù)的進(jìn)步，跨學(xué)科合作有望揭示自然界生命演化中更多精巧的設(shè)計(jì)。

這項(xiàng)研究發(fā)表于生命科學(xué)期刊SCIENCECHINA Life Sciences。中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所在讀博士生徐苑卿為第一作者，昆明植物研究所王紅研究員和中山大學(xué)吳嘉寧副教授為共同通訊作者，中山大學(xué)在讀碩士生吳本韜、昆明植物研究所李德銖研究員、美國(guó)蒙大拿州立大學(xué)Mark Jankauski博士、密蘇里植物園Peter Bernhardt教授、亞利桑那大學(xué)Stephen Buchmann教授和瑞典烏普薩拉大學(xué)Mario Vallejo-Marín博士為共同作者。研究得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)B專項(xiàng)(No.XDB310000)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No. 32071670)等支持。

作者們謹(jǐn)以此文致敬已故的美國(guó)著名傳粉生態(tài)學(xué)家Walter A. Macior(1936-2007)教授，他為馬先蒿屬傳粉生態(tài)學(xué)研究做出了杰出貢獻(xiàn)，并將這些特殊而優(yōu)雅的花稱為“象鼻花”。我們從“象鼻花”-熊蜂系統(tǒng)中讀到的，不僅是生命智慧，更是科學(xué)精神的代際共振。

圖1 熊蜂在有喙馬先蒿上進(jìn)行蜂振傳粉，熊蜂訪花的咬合點(diǎn)正是振動(dòng)能量傳遞的最優(yōu)激勵(lì)點(diǎn);同時(shí)只有在馬先蒿喙長(zhǎng)與訪花熊蜂體長(zhǎng)相匹配時(shí)，兩者共振促進(jìn)花粉高效釋放。

圖2 有限元分析不同激振點(diǎn)(咬合點(diǎn))對(duì)花振動(dòng)響應(yīng)的影響。

圖3 傳粉熊蜂與馬先蒿花性狀互作的量化分析。