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近日，由中國科學院昆明植物研究所王紅研究團隊聯(lián)合中山大學以及美國、瑞典的研究者，以列當科馬先蒿屬（Pedicularis?Linn.）植物為模型，整合生物力學、昆蟲行為學和傳粉生態(tài)學等多學科研究手段，首次發(fā)現(xiàn)花與熊蜂之間的共振“關鍵點”，揭示了蜂振傳粉（buzz pollination）中植物與傳粉者之間的振動力學耦合機制（圖1），解析了花的生物力學特性在塑造植物-傳粉者互作中的重要作用，為理解植物-傳粉者協(xié)同進化及花多樣性形成提供了新視角。

蜂振傳粉：自然界中植物與傳粉者的振動“協(xié)奏曲”

自達爾文以來，植物的花部結構、花色、花氣味和花蜜等與傳粉者行為的相關研究取得了長足進展，但是花的力學特征與傳粉者的關系研究整體仍處于探索階段，尤其是復雜環(huán)境中的多因素交互作用、跨物種普適性規(guī)律亟待深入研究。蜂振傳粉是傳粉者通過身體產生高頻振動使被包裹在花冠特殊結構的花粉得以釋放的一種特殊傳粉方式，在自然界中廣泛存在。據估計，約有74個屬的蜂類訪花時使用振動，發(fā)出“嗡嗡聲”與植物協(xié)奏“二重曲”。有超過2萬種開花植物依賴蜂振傳粉，包括番茄、辣椒和藍莓等經濟作物。蜂振傳粉中最奇特的花出現(xiàn)在馬先蒿植物中，其花冠二唇形，上唇特化為“盔”，花藥隱藏在盔中。許多馬先蒿的盔具有獨特的“喙”狀結構，一些種類的“喙”彎曲伸長，貌似大象鼻子，被稱為“象鼻花”。在中國西南山地，馬先蒿多個物種共存、同期開花并共享傳粉昆蟲熊蜂，但種間雜交卻較少發(fā)生。當熊蜂振動時，花如何精準釋放花粉？涉及蜂振傳粉復雜的生物力學過程，以及這種獨特的傳粉互作背后的驅動機制目前知之甚少。

突破性發(fā)現(xiàn)：花與蜂共振的“關鍵點”

為了研究花與蜂類之間的奇妙互動，研究團隊開展了跨學科交叉研究。利用多視角攝像系統(tǒng)記錄熊蜂訪問馬先蒿花的全過程，觀察到熊蜂選擇花喙的基部特定位置咬合并振動收集花粉；通過非破壞性的3D顯微CT成像技術（已獲得發(fā)明專利1項）和原子力顯微鏡量化了花冠結構與材料參數(shù)，構建了馬先蒿花的三維有限元模型；結合有限元計算模擬和振動力學實驗分析，首次發(fā)現(xiàn)熊蜂訪花的咬合點正是振動能量傳遞的最優(yōu)激勵點，即花與蜂共振“關鍵點”（見圖2），能促進花粉高效釋放；同時只有在馬先蒿喙長與訪花熊蜂體長相匹配，熊蜂才能在最佳咬合時將其腹部對準“象鼻花”尖端有效采集花粉和授粉。個體水平的傳粉網絡分析證實，馬先蒿喙長與熊蜂體長存在顯著的尺寸匹配（圖3），并且這種精巧匹配在物種和個體層面均存在。

研究亮點：從生物力學到傳粉生態(tài)學的跨學科技術融合

蜂振傳粉涉及多個層面的力學問題，如何將生物力學與傳粉生態(tài)學等研究相結合更是挑戰(zhàn)。研究團隊成功地構建了“振動力學-昆蟲行為-生態(tài)網絡”多維研究模式。首次揭示了馬先蒿花的最佳激振點，也是植物與熊蜂個體間建立性狀匹配默契的關鍵；花與蜂共振互動耦合提高了熊蜂個體的訪花忠誠性，減少異種花粉干擾，可能促進同域共存馬先蒿種間生殖隔離。本研究為傳粉互作如何影響物種多樣化提供了新認識。鑒于蜂振傳粉在被子植物中的普遍性以及在經濟作物中的重要性，研究為生態(tài)保護和農業(yè)授粉管理提供科學支撐。隨著技術的進步，跨學科合作有望揭示自然界生命演化中更多精巧的設計。

這項研究發(fā)表于生命科學期刊SCIENCE?CHINA Life Sciences。中國科學院昆明植物研究所在讀博士生徐苑卿為第一作者，昆明植物研究所王紅研究員和中山大學吳嘉寧副教授為共同通訊作者，中山大學在讀碩士生吳本韜、昆明植物研究所李德銖研究員、美國蒙大拿州立大學Mark Jankauski博士、密蘇里植物園Peter Bernhardt教授、亞利桑那大學Stephen Buchmann 教授和瑞典烏普薩拉大學Mario Vallejo-Marín博士為共同作者。研究得到中國科學院戰(zhàn)略性先導B專項（No.XDB310000）、國家自然科學基金面上項目（No. 32071670）等支持。

作者們謹以此文致敬已故的美國著名傳粉生態(tài)學家Walter A. Macior （1936-2007）教授，他為馬先蒿屬傳粉生態(tài)學研究做出了杰出貢獻，并將這些特殊而優(yōu)雅的花稱為“象鼻花”。我們從“象鼻花”-熊蜂系統(tǒng)中讀到的，不僅是生命智慧，更是科學精神的代際共振。

文章鏈接

圖1?熊蜂在有喙馬先蒿上進行蜂振傳粉，熊蜂訪花的咬合點正是振動能量傳遞的最優(yōu)激勵點；同時只有在馬先蒿喙長與訪花熊蜂體長相匹配時，兩者共振促進花粉高效釋放。

圖2?有限元分析不同激振點（咬合點）對花振動響應的影響。

圖3?傳粉熊蜂與馬先蒿花性狀互作的量化分析。