“短命”種子為了生存“援交”胡蜂

　　沉香，被稱為“木中鉆石”，受損后會散發出濃郁的香味，制成熏香，香霧繚繞。

　　春末夏初，中科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。

　　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。

　　正當工作人員小心翼翼地采下這些珍貴的種子，以便培育幼苗時，一群“低空殺手”——胡蜂突然造訪。

　　它們沿著之字形的飛行軌跡，猛地撲向蒴果，咬掉攜帶油質體的種子，迅速離開。在“奪種”現場，還有工作人員被蜇傷。

　　胡蜂作為昆蟲界的頂級獵食者，是妥妥的肉食動物。只有在極少數情況下，才會選擇“吃素”。難道胡蜂也會“品香”？

　　6月30日，《當代生物學》在線刊發了版納植物園的一項研究成果，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，植物和動物互利共生有著數不盡的例子。而它們之間溝通的語言就是化學信號。

　　“種子能引來胡蜂這類肉食性昆蟲，一個很重要的原因就是，它提供的信號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研究顯示，胡蜂之所以“迷戀”大百部蒴果，是因為蒴果內的種子附帶的油質體能模擬蟲子的氣味，而且這些油質體味美多汁、營養豐富。

　　于是，胡蜂把它當成了鐘愛的“獵物”，還會將其帶回蜂巢喂養幼蟲，堅硬的種子反而在中途被一棄了之。這也讓胡蜂無意中成為了大百部種子的散布者。

　　版納植物園研究團隊發現，和大百部蒴果一樣，土沉香的種子同樣附著有豐富的油質體，那么它和胡蜂的關系是否也是靠著模擬獵物的氣味來保持？

　　然而，實驗結果證明，它們的關系比原有認知要復雜得多。

　　研究團隊在提取土沉香蒴果果莢的氣味成分進行詳細分析后，得出一個出人意料的結論，它的果莢竟能釋放出14種類似葉片被害蟲啃食后的“求救素”成分。

　　“植物發出‘求救信號’不足為奇，這是它與害蟲以及害蟲的天敵三級營養關系中，演化出的一種普遍存在的取食防御機制。”王剛解釋說。

　　當害蟲啃食植物葉片時，葉片會迅速釋放出大量揮發性很強的信息素，以此告知害蟲的天敵“這里有你的獵物”。

　　“可是，植物模擬求救信號來吸引昆蟲為其傳播種子的做法卻很少見。”這一發現激發了王剛的好奇心。

　　植物多發出一種信號，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這樣特殊的策略？

　　“短命”和快速散布

　　如果土沉香會說話，除了傾吐它歷經傷害的結香過程，也許還有不為人知的“短命”經歷。

　　截至2020年12月，中國西南野生生物種質資源庫已經保存植物種子10601種，土沉香不在其中，這與它瀕危的現狀并不相符。“這是因為種子資源庫普遍采用低溫干燥的保存環境，這對土沉香種子是致命的。”王剛告訴《中國科學報》。

　　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。果實裂開后，其種子活力和水分會隨著暴露在樹冠中的時間延長而急劇下降，很容易干燥致死。由于它在種子時期的生命很短暫，亟須快速散布，落到潮濕陰涼的土壤，迅速萌發。

　　“過去，我們極少關注這類‘短命’種子是如何散布的，及其散布時間有多快。”論文通訊作者、版納植物園研究員陳進表示，正是這項研究給出了答案。

　　“我們嚴格記錄了482只胡蜂搬運沉香種子的時間和軌跡。結果發現，土沉香蒴果開裂、種子露出后，果實平均等待時間僅需30分鐘，有一半的果實在13分鐘內就招募到胡蜂，之后，胡蜂最快僅用1分鐘就可以將種子從果莢上取下。而它們搬運種子的最遠距離超過了400米。”論文第一作者、版納植物園博士生秦瑞敏興奮地對記者說。

　　對比已有研究，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參與過一項研究，發現在自然條件下34種野生植物成熟果實被動物移除的時間從5天到71天不等。顯然，它們的反應速度遠不如胡蜂。

　　“植物釋放的信號物質揮發性越強，信號傳遞效率就越高，就能更快速地吸引傳種動物的到來。”王剛表示，團隊的實驗數據也證明了這一點。

　　他們對比了土沉香釋放求救素成分的揮發性和大百部模擬獵物氣味物質的揮發性，強度最高相差3萬倍。

　　可見，對土沉香而言，模擬強效的“求救信號”比單純模擬獵物氣味更能在最短時間內達到種子散布的目的。

　　“這項研究再次說明了自然界一個不變的法則：沒有一種物質僅有一種用途，也沒有一種功能僅靠一種物質實現。”陳進告訴《中國科學報》。

　　陳高則評價說，這項研究為拓展無脊椎動物傳播種子的內涵和外延提供了新的思考視角。比如，為什么是果莢進化出吸引信號，而不是直接部署在種子傳播體上；種子壽命短、傳播速度快、揮發物釋放快速是否是為了減少森林里嚙齒動物的捕食壓力；短壽命、無休眠、強信號、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成平衡……

　　精準捕捉胡蜂的嗅覺感受

　　自然生態系統是一個整體。在王剛看來，認識到傳粉、寄生、種子散布、取食防御等動植物關系可能交織在一起，互相影響，能大大拓寬研究的視角。

　　在這項研究中，將種子散布機制和取食防御機制聯系在一起的關鍵證據，來自土沉香果莢釋放物質的成分分析，以及胡蜂對這些成分的電生理反應分析。而這些內容也是論文審稿人十分關注的部分。

　　要想回答土沉香果莢為什么吸引胡蜂，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，它一旦接收到嗅覺刺激，就會產生相應的電生理信號。”論文第一作者、版納植物園副研究員文平介紹，觸角電位測量儀就是檢測昆蟲觸角產生這類信號的重要工具。

　　“昆蟲之間，尤其是雌雄個體間用來‘交流’的信息素往往信號強度較大，觸角電位較高，更容易被檢測，捕食者和獵物之間的信號次之。”文平解釋，胡蜂是普食性昆蟲，它要處理的獵物信號類型很多，因植物發出求救素產生的電生理信號要微弱得多，因此檢測儀器的靈敏度是實驗成功與否的關鍵。

　　目前，國內普遍使用的是德國進口的一類商用儀器。至少在十年前，文平就發現，美國的實驗室更傾向于自主研發這一儀器平臺用于科學研究。即便如此，要想檢測昆蟲觸角微量信號的活性，儀器靈敏度仍不理想。

　　于是，在進入版納植物園工作的四五年時間里，文平一邊進行電生理研究，一邊進行自主儀器平臺研發。

　　2020年，他和公共技術服務中心研制成功的“氣相色譜—觸角電位聯用儀”把信號檢測限從毫伏級變至微伏級，靈敏度比進口儀器提升了10~100倍，但研制成本只有進口儀器的十分之一。該儀器因此入選了《中國科學院自主研制科學儀器2020》專刊。

　　文平認為，在基于揮發物分析的化學生態學研究中，這類儀器對于解釋生態系統中物種之間的互作關系非常重要。

　　“我們也要避免唯設備論的思想，不追大、追全、追貴。”在王剛看來，很多時候，只要根據研究問題和實驗材料，有針對性地制作或改進現有設備的某些部分，就能達到四兩撥千斤的作用。而重視和鼓勵科研人員對現有科研設備的功能挖掘和改造升級，還可以反過來促進理論研究的深度創新發展。