植物生物学家发现了从虫媒到风媒传粉转变机制

Plant biologists identify mechanism behind transition from insect to wind pollination

December 17, 2018, University of Toronto

原始文献：Proceedings of the Royal Society B (2018). DOI: 10.1098/rspb.2018.2251 

原始报道： https://phys.org/news/2018-12-biologists-mechanism-transition-insect-pollination.html 

多伦多大学（U of T）科学家的新研究为风媒植物从昆虫授粉的虫媒祖先进化而来原因和方式提供了新的见解。

早期的种子植物依靠风在植物之间传播花粉。大约1亿年前，开花植物进化并吸引昆虫，这些昆虫可以比随机气流更精确地传播花粉。 尽管昆虫授粉更经济，但许多植物支系已经转变为风媒。这使许多生物学家质疑为什么在虫媒成功的情况下会发生这种转变。 这种明显的悖论甚至使达尔文感到困惑。时至今日，人们对启动这种转变的条件知之甚少。

在本月发表在英国皇家学会会刊B上的一项研究中，研究人员首次描述了一种驱动这种逆转的机制：这种逆转涉及花粉器雄蕊的振动。

“我们发现雄蕊在风中更加剧烈振动的植物，更容易在风中驱散花粉。在植物很少能接触传粉媒介的条件下，雄蕊的这种特性受到青睐，”主要作者David Timerman博士生说。他与多伦多大学生态与进化生物学系的进化生物学家Spencer Barrett合作。

这一发现有助于解释大约10％的开花植物物种风媒的起源。

“由于野生传粉媒介种群的全球崩溃，它也可能有助于了解植物如何应对传粉服务的减少情况，”Timerman说。

开花植物的繁殖结构是任何一类生物体中最多样化的。 花的大小、形状和结构差异很大。花多样性大多与授粉方式有关。 风媒物种独立进化出类似的传粉功能性状组件，适于在空气中释放、扩散和捕获花粉。相对于虫媒物种 ，这些功能性状之一涉及长而柔韧的雄蕊，能在风中明显振动。

动物授粉开花植物中风媒产生的原因和方式是植物进化生物学中长期存在的根本问题。 虽然在开花植物- 树木，豚草和许多禾草中，至少发现了65次动物传粉到风媒的转变- 但过渡机制尚不清楚。

科学家长期以来一直认为，风媒植物是符合“空气动力学”，可以有效地进行花粉散布。 但与动物授粉物种相比，很少有研究调查与风媒相关的花性状功能。 此外，从昆虫授粉转换为风媒所需花部的变化研究很少。直到现在，还没有关于兼有风媒和虫媒过渡物种的实验。

“我们运用生物力学来理解这一转换早期阶段涉及的关键过程，采用了一种新颖的方法解决了这个问题，并且该工作提供了一些新颖的见解，”Timerman说。

Timerman和Barrett研究了毛茛属植物唐松草（Thalictrum pubescens）中的问题。 该植物是一种兼性授粉物种，意味着昆虫和风都可授粉。 因此，他们判断该物种可能代表了风传播演变过程中的过渡状态。

Timerman使用电动振动器对雄蕊施加受控振动以测量它们的固有振动频率，然后使用定制的风洞来研究振动的固有频率如何影响花粉释放。 Timerman还在多伦多大学的Koffler科学保护区进行了一次可控田间试验，以确认在昆虫传粉者存在与否的情况下，自然选择对雄蕊特性是否存在影响。

Timerman测量了9个种群中雄蕊振动固有频率的变化，并评估了连续生长季节振动频率的可重复性。 通过收集的所有数据，研究人员分析了该参数对风洞中花粉释放的影响，以及有和没有传粉者的田间植物的雄性繁殖成功。

“当没有传粉者时，雄蕊以较低频率振动，且植物成功繁殖率最高；当传粉者存在时，这种优势就会减弱，”Timerman说。 “我们分析了风- 花界面的生物力学，已经将这种自然发生的特征确定为了解从昆虫到风传播过渡早期阶段的关键特征。”

Timerman说，当动物传粉者没有提供足够的授粉服务时，自然选择应该有利于具有柔韧雄蕊的个体。这些雄蕊容易振动，并将花粉释放到空气中。

“和种群大小和行为在时间和空间上波动的昆虫传粉者相比，风显然是一种更为稳定的花粉传播媒介”，Timerman说。 “此外，目前全球环境变化的许多方面正在破坏对野生植物的传粉服务，从而导致所谓的'授粉危机'。

“这些情况可能有利于我们发现风媒转变机制。”