男童的发现揭示了植物与昆虫之间高度复杂的相互作用

诸平

Fig. 1 An ant holds an oak gall containing wasp larvae. Researchers discovered an elaborate relationship among ants, wasps and oak trees. Credit: Andrew Deans, Penn State

据美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）萨拉·拉琼斯（Sara LaJeunesse）2022年9月2日报道，男孩的发现揭示了植物和昆虫之间高度复杂的相互作用（Boy's discovery reveals highly complex plant-insect interaction）。上述图示是一只蚂蚁拿着一个含有黄蜂幼虫（wasp larvae）的橡树瘿（oak gall）。研究人员发现蚂蚁、黄蜂和橡树之间有着复杂的关系。

当8岁的雨果·迪恩斯（Hugo Deans）在后院的一根木头下的蚂蚁窝附近发现了一些BB大小的物体时，他认为它们是一种种子。然而，他的父亲安德鲁·迪恩斯（Andrew Deans，宾夕法尼亚州立大学的昆虫学教授）很快就知道它们是什么——其实就是橡树瘿，或者是由昆虫引发的植物生长。他当时没有意识到的是，虫瘿是蚂蚁、黄蜂和橡树之间复杂关系的一部分，这一发现将颠覆一个世纪以来关于植物与昆虫相互作用的知识。

现在10岁的雨果·迪恩斯回过头来看，他说“我以为它们是种子，我很兴奋，因为我不知道蚂蚁（ants）收集种子。我一直以为蚂蚁会吃食物残渣和房子周围的东西。然后当我爸爸告诉我它们是虫瘿时，我更兴奋了，因为我爸爸太兴奋了。我很惊讶蚂蚁会收集虫瘿，它们为什么会这样做呢？”

宾夕法尼亚州立大学弗罗斯特昆虫学博物馆（Penn State's Frost Entomological Museum）馆长安德鲁·迪恩斯表示，许多植物与昆虫的相互作用都有很好的记录。例如，长期以来，人们早就知道大多数“犬儒”黄蜂（"cynipid" wasp）物种都能诱导橡树在其幼虫周围产生保护性的虫瘿或生长物，以确保其发育后代的安全。此外，某些植物，包括原产于北美的野花血根草（bloodroot / Sanguinaria canadensis），在其种子上产生可食的附属物，称为油膏体（elaiosomes），以吸引蚂蚁，然后蚂蚁将种子带回巢中分散。后一个例子被称为“蚁播（myrmecochory）”，即蚂蚁传播种子。

安德鲁·迪恩斯解释说：“在蚁播里，蚂蚁吃了野花血根草种子上附着的油膏体后会得到一点营养，植物借助蚂蚁会把种子分散到一个没有敌人的安全地方。这种现象在100多年前首次被记录下来，通常作为植物与昆虫相互作用的一个例子教授给生物学专业的学生。”

雨果·迪恩斯发现蚂蚁巢穴附近有虫瘿，由此引发了该团队的新研究，该研究揭示了一种更为复杂的蚁播类型，它将黄蜂与橡树的虫瘿相互作用和可食用的附属物与蚂蚁的相互作用结合在一起。

安德鲁·迪恩斯说：“首先，我们观察到，虽然这些虫瘿通常含有肉质的淡粉色‘帽’（fleshy pale-pink 'cap'），但蚁巢附近的虫瘿没有这些帽，这表明它们可能被蚂蚁吃掉了。最终，这让我们发现，瘿蜂正在操纵橡树产生瘿，然后又采取了另一个步骤，操纵蚂蚁将瘿带回巢穴，在巢穴中，黄蜂幼虫可能会受到保护，免受瘿天敌的侵害，或获得其他好处。这种多层次的互动令人兴奋，几乎很难让人理解。”

该研究小组的发现于2022年6月15日已经在《美国博物学家》（The American Naturalist）杂志网站发表——Robert J. Warren II, Antoine Guiguet, Chloe Mokadam, John F. Tooker, Andrew R. Deans. Oak Galls Exhibit Ant Dispersal Convergent with Myrmecochorous Seeds. The American Naturalist, 2022, 200(2). DOI: 10.1086/720283. Published online June 15, 2022. https://doi.org/10.1086/720283

正在研究相互作用（Investigating the interaction）

为了更好地理解这种相互作用，研究人员进行了一系列现场和实验室实验。首先，为了确定研究人员命名为kapéllos（希腊语，意为“帽”）的橡树瘿盖是否与油膏体一样，确实可以食用并对蚂蚁有吸引力，研究小组直接观察了纽约西部（Western New York）和宾夕法尼亚中部（central Pennsylvania）野生蚁群中的橡树瘿。此外，他们还设置了摄像机来捕捉其他动物/虫瘿的相互作用。在这两个地方，他们都看到蚂蚁把虫瘿运到巢穴。在巢穴内，所有可食用的盖子都被移除了，而虫瘿本身却完好无损。

在第二组实验中，研究人员研究了蚂蚁对橡树瘿和血根草种子的偏好，以确定“帽（kapéllos）”的功能是否与油膏体相似。他们建立了种子/虫瘿诱饵站，观察到蚂蚁移除的种子和虫瘿数量相同，表明蚂蚁的偏好没有差异。

接下来，科学家们进行了一项实验室实验，以记录蚂蚁收集虫瘿是否是因为它们有营养。他们建立了三种培养皿处理方法，包括完整的虫瘿、去除“帽（kapéllos）”的虫瘿体或去除虫瘿体只留下“帽（kapéllos）”，以及一个含有不同类型的没有可食用附属物的虫瘿的对照皿。他们把蚂蚁引入培养皿。他们发现，对照虫瘿和无“帽（kapéllos）”处理虫瘿对蚂蚁的兴趣没有差异，这两种虫瘿都缺乏可食用成分。相比之下，蚂蚁对具有完整“帽（kapéllos）”的虫瘿和仅虫瘿的“帽（kapéllos）”的兴趣大于对照虫瘿。

昆虫学教授约翰·图克（John Tooker）说：“我们发现，带帽的虫瘿比不带帽的虫瘿对蚂蚁更具吸引力，而且这些虫瘿帽本身也对蚂蚁有吸引力。这表明帽子一定是进化来引诱蚂蚁的。”

最后，研究小组问道：“‘帽’的哪些特点使它们对蚂蚁如此有吸引力？”据约翰·图克教授介绍，油膏体（elaiosomes）的化学成分已被充分研究，并且已知其含有营养丰富的脂肪酸。因此，研究小组比较了“帽”和油膏体（elaiosomes）的化学成分，发现“帽”也含有有益健康的脂肪酸。

约翰·图克说：“瘿‘帽’和油膏体（elaiosomes）中富含的脂肪酸似乎在模仿死去的昆虫。蚂蚁是一种食腐动物，它们会出去寻找并抓取任何适合带回蚁群的东西，因此，瘿帽和油膏体都含有昆虫死亡时所特有的脂肪酸，这不是偶然的。”

哪个先来？（ Which came first?）

根据研究人员的说法，最后一个也是最有趣的问题是：“在进化的时间里，哪一个是第一个？油膏体相互作用还是虫瘿相互作用？”

纽约州立大学布法罗州立学院（SUNY Buffalo State）生物学教授罗伯特·沃伦二世（Robert J.Warren II）说：“鉴于蚁播在一个多世纪前就被描述过，并且在学校里得到了很好的研究和教学，人们可能会认为油膏体相互作用是第一，但这种假设可能是错误的，原因有几个。”

他解释说，一个原因是，与血根草一样，蚁播植物只占所有植物物种（plant species）的很小比例，因此可能无法提供足够的食物资源来推动蚂蚁的自然选择（natural selection）。然而，橡树瘿广泛存在。罗伯特·沃伦二世说，事实上，它们曾经非常丰富，经常被用来喂养牲畜。

罗伯特·沃伦二世说：“如果这些虫瘿如此丰富，并在数千年前进化出这种生长这种虫瘿的策略，那么这可能是蚂蚁自然选择的强大驱动力。这可能是因为蚂蚁长期以来都习惯于拣起有帽虫瘿，然后当春天的野花开始产生碰巧有可食用附属物的种子时，蚂蚁已经倾向于拣带脂肪酸附属物的东西了。”

安德鲁·迪恩斯指出，该研究小组最近获得了一笔资金，用于开展系统发育研究，以进一步研究这些相互作用中哪些是在进化时期首先发生的。

他说：“了解这些相互作用是如何演变的以及它们是如何工作的，有助于解开地球上生命的复杂性。”

关于对如此重要的发现作出贡献的感觉，雨果·迪恩斯说：“我敢打赌其他孩子也有类似的发现，但从来都不知道它们可能有多重要。知道自己是一项重要科学发现的一部分，我感到非常高兴和自豪。奇怪的是，仅仅是一些蚂蚁收集了我认为是种子的东西，实际上是一项重要的科学突破。”

当被问及长大后是否想成为像他父亲一样的昆虫学家时，考虑到他已经有了第一次科学发现，雨果·迪恩斯说：“不太想。我想长大后与众不同……独特。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Crypt-keeper wasp found to parasitize multiple species of gall wasp

Abstract

Ants disperse oak galls of some cynipid wasp species similarly to how they disperse seeds with elaiosomes. We conducted choice assays in field and laboratory settings with ant-dispersed seeds and wasp-induced galls found in ant nests and found that seed-dispersing ants retrieve these galls as they do myrmecochorous seeds. We also conducted manipulative experiments in which we removed the putative ant-attracting appendages (“kapéllos”) from galls and found that ants are specifically attracted to kapéllos. Finally, we compared the chemical composition and histology of ant-attracting appendages on seeds and galls and found that they both have similar fatty acid compositions as well as morphology. We also observed seed-dispersing ants retrieving oak galls to their nests and rodents and birds consuming oak galls that were not retrieved by ants. These results suggest convergence in ant-mediated dispersal between myrmecochorous seeds and oak galls. Based on our observations, a protective advantage for galls retrieved to ant nests seems a more likely benefit than dispersal distance, as has also been suggested for myrmecochorous seeds. These results require reconsideration of established ant-plant research assumptions, as ant-mediated seed and gall dispersal appear strongly convergent and galls may be far more abundant in eastern North American deciduous forests than myrmecochorous seeds.