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神奇植物在哪里?植物伪装进化研究新进展

文章来源:中国科学院东亚植物多样性与生物地理学重点实验室  |  发布时间:2018-06-27  |  作者:牛洋  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

  诚如我们所见,动物需要躲避或警示天敌,还需要辨识同类,其体色很大程度上取决于这些需求。而植物则罕有隐藏自己的需求,它们转而通过利刺、厚皮、毛被和毒素保护自己。 

  ——华莱士,1877 《动植物的色彩》 

    

  我们对生物色彩在防御功能方面的认识几乎都来自动物——被写入教科书的经典概念:伪装、警戒、拟态等几乎都以动物为案例。生物色彩研究的先驱华莱士曾认为植物“罕有隐藏自己的需求”,因而并未在其关于动植物色彩的经典著作中花费多少笔墨。不过,近年来越来越多地证据表明这些令人着迷的概念并不是动物的专利。 

  关于植物利用伪装躲避天敌的零星猜测早在150年前就已出现,但一直没有严格的实证研究。近年来,色彩测量技术、动物感官和其他相关领域的研究不断发展,使得生物色彩这一经典的进化生物学话题重新焕发生机。在动物研究之外,不少证据表明,植物也可能利用多种伪装策略来防御天敌。 

  近日,中国科学院昆明植物研究所青藏高原-喜马拉雅植物多样性形成与演变团队的牛洋博士、孙航研究员与英国埃克塞特大学马丁-史蒂文教授开展合作研究,在评述当前植物伪装证据的基础上(参见早前研究),比较了动植物伪装策略进化的差异、推测了影响植物伪装进化的要素,并提出了若干值得关注的科学问题。 

    

  可能为动植物共享的伪装策略(见图1 

  背景匹配(background matching):利用自身色彩和形态融入背景,令观察者难以发现,实现伪装;即过去教科书中所称的“保护色”(该名称不合适,建议弃用)。 

  破坏性花纹(disruptive coloration):通过特殊花纹营造假的边缘效果,令真实轮廓不易暴露,实现伪装;例如滨蟹和许多植物的种子。 

  乔装(masquerade):与某些无关紧要的物体(例如石头、枯叶或小树枝)相似,令观察者难以辨认,实现伪装;例如形似成鸟粪的凤蝶幼虫和形似石块的石生花属植物。 

  伪饰(decoration):就地取材,利用这些外在材料装饰自己,实现伪装;例如,蜘蛛蟹用海藻装饰自己,而有的沙丘或海滨植物由于具有粘性腺毛而被动地被沙粒包裹,呈现相似的伪装效果。 

 

1. 可能为动植物共用的几类伪装策略及其案例。图片来源:Martin Stevens、牛洋、李涟漪、Keith Green、Simcha Lev-Yadun 

  哪些因素限制了伪装在植物中的进化? 

  尽管证据越来越多,但植物伪装的案例远不如动物那么普遍,其原因除缺乏关注外,可能还在于动植物之间的固有差异。与动物相比,大多数植物在其生命的大部分阶段里(为行文方便,下文表述略去此繁琐的非绝对化说明)有这样那样的限制——这些限制因素可能影响了伪装的进化。 

  体色不够自由——植物需要拥有绿色的主流色彩(通过光合作用)养活自己。非光合色素的存在可能影响植物的光合效率,且单是制造这些“非主流”色素本身可能就需要额外的资源投入。 

  防御不够有效——植物的根基不能移动,这意味着即使拥有伪装,其防御效果(与动物相比)也要打折扣,因为天敌将有更多机会通过其他线索和反复学习来定位这些不能动的目标(例如,它们可以学习利用某些固定的地标作为参照来定位它们)。此外,由于不能移动,动物的某些本领(比如主动选择最佳的藏身地点)也难以被植物掌握。 

  植物太过坚强——某种特征的进化与自然选择的强度息息相关,表型的改变更容易发生在那些脆弱的物种或环节。想象一下,您不大可能像为植物剪枝那样对待动物。正因为动物相对脆弱,它们在防御方面的任何微小改进都可能带来巨大的收益,从而巩固这些改进。而植物则太过坚强,组成它们的零件——枝条、花、叶——可以不断重复或再生。对它们而言,很多表型的改变并不能最终转化为实质的生存优势,或者需要更强的选择压力才能使优势体现出来。 

    

  哪些植物更可能拥有“伪装”?  

  在某些环境、某些植物,或是它们生命中的某些阶段,上述限制可能会被削弱,使得伪装特征得以进化(图2)。因此,伪装可能更多地出现在非自养植物中(例如腐生植物,体色选择更自由)、出现在开阔的环境中(例如高山流石滩或沙地、戈壁,选择压力更大)、出现在被专性天敌危害的植物中(选择压力更大),或者出现在个头小的植物或脆弱的生命阶段(例如种子或小草本,更脆弱)。 

 

2. 左:香晶兰等腐生植物,由于不需光合作用,在体色方面可以有更大自由度;中:高山流石滩等开阔环境可能有利于伪装的进化;右:专食性或寡食性天敌(例如多数蝶类)可能对植物施加更强的选择压力。图片来源:Jim Fowler、牛洋; 

  为什么要研究植物的伪装?  

  科研工作者可以借研究伪装探讨许多进化生物学问题(图3)。例如,天敌如何搜索植物,其搜索机制如何影响表型多态的进化? 色彩防御和其他形式植物防御之间的关系如何?局部适应如何影响植物的表型分化(参见前期研究),其具体机制如何?如果天敌(取食者)和朋友(传粉者)都靠视觉定位植物,这对敌友矛盾该如何解决?面临强大的人类采集压力,植物的色彩特征如何进化?总之,伪装作为生物适应环境的经典案例,为一系列进化生物学研究提供了土壤。 

 

3. 左:表型多态性常在伪装类群中出现,不同表型个体如何共存是重要的进化生物学问题。中:伪装的效果特别依赖其所在的环境,相似的背景环境可能引起不同类群物种的趋同进化(上下图为同在流石滩出现的不同科的植物);右:同理,生长在不同环境的同一物种,也可能发生适应性的表型分异。图片来源:牛洋、孙航。 

  近日,相关研究和论述以Plant camouflage: ecology, evolution, and implications为题在线发表于国际著名期刊Trends in Ecology and Evolution。研究得到了国家自然科学基金重大项目(31590823),科技部国家重点研究与发展项目(2017YFC0505200)、中国科学院先导A类(XDA20050203)、国家自然科学基金(31670214)、云南省应用基础研究计划(2016FB035)及中科院青年创新促进会(2018427)的支持。 

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  (责任编辑:李雪)


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