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世界上闭合速度最快的花

已有 1395 次阅读 2022-1-11 16:46 |个人分类:《科学通报》|系统分类:论文交流

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植物的快速运动素来被科学家和自然爱好者所关注,因为相较于动物,植物一般以固着的静止姿态示人,很少有主动的动作或行为。引人注目的植物运动有捕蝇草的特化叶片,狸藻的捕虫囊,以及因其叶片的触敏性而闻名的含羞草。

近日,湖北大学、中国科学院武汉植物园、武汉大学、西藏大学以及深圳仙湖植物园等单位的研究人员在Science Bulletin 发表了题为“Touch induces rapid floral closure in gentians”的短讯文章,报道了他们在武汉植物园组织的第二次青藏高原综合科学考察中,首次发现了生长于青藏高原的“含羞花”。

研究发现,龙胆科龙胆属的四个物种——假水生龙胆(白花型、蓝花型)、新疆龙胆、西域龙胆、以及一个待鉴定的龙胆属植物,其花冠被机械触碰后,会在7秒到210秒的时间范围内,迅速地收缩,直至紧实的花苞状态。花冠闭合后,都有再次开放的能力,该过程在天气晴好状态下大概需要20分钟。如果再次触碰,花冠还会再次闭合,然后开放,以此类推。虽然有研究记录了食虫植物特化叶片的运动可发生在毫秒级别,但在花瓣()运动方面,迄今为止,只有生长于日本的茅膏菜属植物(Drosera tokaiensis)的花会在机械触碰后的数分钟有收缩行为,数小时后完全闭合。相比之下,该研究中取样最广的假水生龙胆(Gentiana pseudoaquatica),其两种花色八个居群的平均闭合时间仅29秒,最短闭合时间仅7秒,可称之为世界上闭合速度最快的花。    

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研究涉及的龙胆属植物:A 西域龙胆,B 假水生龙胆(白花),C 假水生龙胆(蓝花),D 新疆龙胆

为了探究花冠触敏的诱发因子,研究人员针对西域龙胆(Gentiana clarkei)的一个自然居群(花冠平均闭合时间27秒)开展了一系列的实验。由于西藏常有大风天气,作者猜测风对花朵的刮动可能与触碰类似。但是,观察发现西域龙胆由于贴地生长,在地上很强风速的情况下,其花冠都不会发生可见的形变。经过一系列风速的模拟,推测西域龙胆只有在地面10米高的风速为24 m/s ~ 27 m/s时,才有可能发生花冠的触发闭合;而此类风速相当于十级狂风,在龙胆开花的夏季,西藏地区比较少见。因此,风不太可能是龙胆属植物花部触敏性的选择压力。

以前的研究发现植物的快速运动多是对动物的响应,实现捕食(食虫植物)、防御、传粉等功能,西域龙胆花的触敏性是否也与动物有关?研究人员重点观察了两类与高原上的龙胆属植物关系密切的动物,一是草场上的牛羊等牧群,二是龙胆的访花昆虫,猜测花的触敏性也许是为了躲避大型动物的啃食或者控制传粉昆虫的合理高效访问。对牛羊等牧群啃食行为的跟踪与观察后发现,牛羊既不会偏向性地取食龙胆植物,也不会刻意回避。牛羊的移动、呼吸等动作对西域龙胆的花也没有针对性,基本不会造成花的响应性闭合,大型动物的啃食作用对其花冠的行为影响甚微。在对传粉昆虫的观察中,龙胆属植物比较常见的访花昆虫是弹尾跳虫和小型蝇类,它们由于体型小重量轻,停留在花冠上时不会导致其闭合。

有意思的是,在西域龙胆的居群里,研究人员发现了多种熊蜂对花朵的非常规访问,熊蜂将其相对庞大的身躯趴在花冠之上,将头伸向花冠筒外侧的基部,扎裂开口后盗取花蜜,熊蜂离开后,98.8%的花冠有收缩行为直至完全闭合。采样统计后发现,熊蜂对西域龙胆的盗蜜造成了花冠筒异常高比例的损伤,还可能进一步损伤子房。闭合后的花朵可以有效地避免被熊蜂访问,西域龙胆的花部触敏性可能是为了避免频繁的熊蜂盗蜜对花冠筒、特别是子房造成的伤害。不过,熊蜂除了盗蜜行为,也有对西域龙胆的常规访问行为,同样也会造成花冠的响应性闭合。这种正常访问后的闭合会不会对柱头上的花粉落置和花粉萌发起到促进作用?在更多的物种和居群中,熊蜂与龙胆属植物究竟是哪种种间关系占上风?什么因素对龙胆属花部触敏性的进化起到了决定性作用?更多的谜团有待进一步的研究解答。

值得一提的是,与已发现具有花冠触敏性的龙胆属物种共存的,还有多种亲缘关系较近的其他龙胆属植物,它们也具有白色或蓝紫色的花冠和相似的花部大小,比如蓝白龙胆、钟花龙胆、鳞叶龙胆等,但是实验后发现它们的花均没有触敏性。不过,实地观察的所有龙胆属植物均会在夜间或者天气不好时(阴天、大风降温、降雨、冰雹)启动花的闭合,有学者认为温度是上述闭合行为的决定性环境因子。然而,温度与触碰两种截然不同的外部因素在诱发龙胆属植物花冠闭合的内在生理机制上是否具有相似的通路,还有待深入探索。


该研究得到了第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0502),湖北省自然科学基金(2019CFA066)等项目的支持。



研究详情请阅读原文▼

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321008057




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1 杨正瓴

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