首次发现完全由雄性花药主动完成的自花传粉机制

由清华大学深圳研究生院生物医药研究中心主任、生命学部教授黄来强和深圳国家兰科植物种质资源保护中心首席科学家、教授级高级工程师刘仲健领导的研究团队,在世界上首次发现一种新颖的、完全由雄性花药主动运动而不借助于任何外部传递媒介完成的自花传粉机制。研究表明,这一机制是该物种繁殖的唯一途径,并提示它是该物种为适应其缺乏传粉媒介的生态环境而进化出的繁衍策略,可能广泛存在于其它类似生境中的种群。今日出版的世界最高科学杂志《自然》(《Nature》)刊载了这一完全由深圳科学家在国内做出的重大科研成果。

据了解,多样性的生物种群与生态环境的相互作用、物种对环境演变的适应及其进化是生物学长期研究的根本性命题,植物种群在其中扮演举足轻重的角色。达尔文一百多年前对大量植物的考察和研究,是他提出生物进化论的重要依据。兰科植物(兰花)是植物界最大和进化程度最高的家族之一,是自然环境和生物多样性的重要组成部分,具有很高的科研、生态、观赏、文化和药用价值,是我国最珍贵的野生植物资源之一,被国际公约列为重点保护的濒危物种。因此,系统地研究兰花不仅在科学理论上具有广泛意义,而且是保护、繁育和利用这一珍贵生物资源的前提。黄来强教授和刘仲健教授多年前开始在兰花生物学研究领域进行合作,这次在《Na-ture》发表的研究是课题之一,历时近5年。

此前为人所知,开花植物通过自花或异花传粉授精实现繁殖,其雄性花粉的传播均借助风、重力、动物(如昆虫)或分泌物等其中的一至数种媒介间接地传到雌性柱头上。该研究团队在生长于云南山林的树干上、干旱季节开花的大根槽舌兰中发现一种完全由雄性花药主动转动而不借助于任何外部传递媒介完成的自花传粉机制,酷似动物界的性交。连续数年的观察和分析研究表明,这种传粉机制恒定地发生于所有植株和花朵而且只发生于同一花朵;承担大根槽舌兰的全部繁殖任务——该物种没有其它的自花或异花传粉机制;这种机制导致的是两性配子融合的有性繁殖,而不是无性繁殖。为什么大根槽舌兰会有这种自花传粉机制?一方面,大根槽舌兰具有异花传粉的结构如盛花蜜的距(用于吸引传粉昆虫)等,但它已经退化,不再分泌花蜜或气味。另一方面,大根槽舌兰的生长环境在开花季节非常干旱、无风、昆虫稀少,未观察到任何昆虫或风为大根槽舌兰传粉。这就提示大根槽舌兰曾经有异花传粉,但在长期的进化中演化出目前的主动交尾式的自花传粉机制,以适应干旱没有传媒昆虫的生境,保障自身的繁衍成功。这一机制可能广泛存在于其它类似生境中的种群。这一研究成果对于认识了解兰花的繁育系统以及生物对环境演变的适应及其进化机理都具有重大意义。