植物生物学家确定了从昆虫到风传播过渡的机制

多伦多大学(U of T)科学家的新研究为风传播植物从昆虫授粉祖先进化的原因和方式提供了新的见解。

早期的种子植物依靠风来在植物之间携带花粉，但是大约1亿年前，开花植物进化以吸引昆虫，这些昆虫可以比随机气流更精确地转移花粉。虽然昆虫授粉更经济，但许多谱系已经恢复到风传播，使许多生物学家质疑为什么在昆虫传粉成功的情况下会发生这种情况。这种明显的悖论甚至使查尔斯·达尔文感到困惑，而今天仍然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，这种机制涉及雄蕊的振动，即花粉的花粉器官。

“我们发现雄蕊在风中更加剧烈振动的植物，更容易通过风分散花粉，并且在植物很少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博士说。与进化生物学家Spencer Barrett在美国科学技术学院生态与进化生物学系

这一发现有助于解释风传播的起源，大约10%的开花植物物种代表了风传播的起源。

“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媒介服务的减少，”Timerman说。

开花植物的繁殖结构是任何一组生物体中最多样化的。花的大小，形状和结构差异很大，这种多样性的大部分与授粉方式有关。风传播物种独立地进化出类似的花卉性状套件，适于在空气中释放，分散和捕获花粉。这些特征之一涉及长柔韧的雄蕊，其相对于相关的昆虫授粉物种在风中显着振动。

动物授粉开花植物中风传播的原因和方式是植物进化生物学中长期存在的根本问题。虽然风传播已经从开花植物中至少65次动物授粉演变而来 - 其中有树木，豚草和许多草 - 但转变过程中涉及的机制尚不清楚。

科学家长期以来一直认为，风能植物是“空气动力学设计的”，可以有效地进行花粉散布。但与动物授粉物种相比，很少有研究调查与花授粉相关的花性状的功能。此外，尚未研究从昆虫到花授粉的进化转换所需的花的修饰，因为直到现在，还没有关于风和昆虫授粉的过渡物种的实验。

“我们通过运用生物力学来理解这一过渡早期阶段所涉及的关键过程，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。该植物是一种嗜食物种，意味着昆虫和风都会授粉。因此，他们推测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T的Koffler科学保护区进行了一次操纵田间试验，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的影响是否不同。

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。

“当传粉者不在时，雄蕊以较低频率振动的植物成功繁殖最多，但当传粉者存在时，这种优势就会减弱，”Timerman说。“我们对风 - 花界面的生物力学分析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，将花粉释放到空气中。

“风显然是一种更为一致的花粉散布剂，而不是依赖于种群大小和行为在时间和空间上波动的昆虫”，Timerman说。“此外，全球环境变化的许多方面目前正在破坏对野生植物的传粉媒介服务，导致所谓的'授粉危机'。

“通过我们发现的机制，这些情况可能有利于风传播的演变。”

加拿大自然科学和工程研究委员会为研究提供支持。