沉香，被稱為“木中鉆石”，受損后會散發(fā)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(jié)。

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(zhì)體的種子，迅速離開。在“奪種”現(xiàn)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(shù)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(xué)》在線刊發(fā)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(shù)不盡的例子。而它們之間溝通的語言就是化學(xué)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?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、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(nèi)的種子附帶的油質(zhì)體能模擬蟲子的氣味，而且這些油質(zhì)體味美多汁、營養(yǎng)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(yǎng)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(fā)現(xiàn)，和大百部蒴果一樣，土沉香的種子同樣附著有豐富的油質(zhì)體，那么它和胡蜂的關(guān)系是否也是靠著模擬獵物的氣味來保持？

然而，實驗結(jié)果證明，它們的關(guān)系比原有認知要復(fù)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(jié)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(fā)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(yǎng)關(guān)系中，演化出的一種普遍存在的取食防御機制?！蓖鮿偨忉屨f。

當害蟲啃食植物葉片時，葉片會迅速釋放出大量揮發(fā)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(fā)現(xiàn)激發(fā)了王剛的好奇心。

植物多發(fā)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(jīng)傷害的結(jié)香過程，也許還有不為人知的“短命”經(jīng)歷。

截至2020年12月，中國西南野生生物種質(zhì)資源庫已經(jīng)保存植物種子10601種，土沉香不在其中，這與它瀕危的現(xiàn)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(huán)境，這對土沉香種子是致命的?！蓖鮿偢嬖V《中國科學(xué)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(fā)。

“過去，我們極少關(guān)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(nèi)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?！闭撐牡谝蛔髡摺婕{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(qū)參與過一項研究，發(fā)現(xiàn)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(yīng)速度遠不如胡蜂。

“植物釋放的信號物質(zhì)揮發(fā)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?！蓖鮿偙硎?，團隊的實驗數(shù)據(jù)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(fā)性和大百部模擬獵物氣味物質(zhì)的揮發(fā)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(nèi)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(zhì)僅有一種用途，也沒有一種功能僅靠一種物質(zhì)實現(xiàn)?！标愡M告訴《中國科學(xué)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(nèi)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(fā)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(tài)系統(tǒng)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(guān)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(lián)系在一起的關(guān)鍵證據(jù)，來自土沉香果莢釋放物質(zhì)的成分分析，以及胡蜂對這些成分的電生理反應(yīng)分析。而這些內(nèi)容也是論文審稿人十分關(guān)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(chǎn)生相應(yīng)的電生理信號?！闭撐牡谝蛔髡?、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(chǎn)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?！蔽钠浇忉?，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(fā)出求救素產(chǎn)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(guān)鍵。

目前，國內(nèi)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(fā)現(xiàn)，美國的實驗室更傾向于自主研發(fā)這一儀器平臺用于科學(xué)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(fā)。

2020年，他和公共技術(shù)服務(wù)中心研制成功的“氣相色譜—觸角電位聯(lián)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(xué)院自主研制科學(xué)儀器2020》?？?。

文平認為，在基于揮發(fā)物分析的化學(xué)生態(tài)學(xué)研究中，這類儀器對于解釋生態(tài)系統(tǒng)中物種之間的互作關(guān)系非常重要。

“我們也要避免唯設(shè)備論的思想，不追大、追全、追貴?！痹谕鮿偪磥?，很多時候，只要根據(jù)研究問題和實驗材料，有針對性地制作或改進現(xiàn)有設(shè)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(xiàn)有科研設(shè)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(chuàng)新發(fā)展。(胡珉琦)