大自然的艺术大师：会自己"作画"的木槿花

一项研究发现，木槿花使用预先确定的花瓣图案来吸引蜜蜂，而蜜蜂更喜欢较大的花瓣。这些图案在花瓣发育初期就已形成，对植物的授粉效率和进化成功起着至关重要的作用。

剑桥大学塞恩斯伯里实验室（Sainsbury Laboratory）的研究人员发现，木槿花在发育初期就拥有一种看不见的预图案，这种图案决定了花瓣上牛眼的大小--这种关键图案对花朵吸引蜜蜂授粉的能力有重大影响。

最近发表在《科学进展》（Science Advances）上的这项研究还表明，蜜蜂更喜欢较大的牛眼而不是较小的牛眼，而且在具有较大牛眼的人造花盘之间飞行的速度要快 25%，这有可能提高蜜蜂和花朵的效率。

牛眼等花朵图案可以引导蜜蜂等授粉者找到花蜜，提高授粉成功率。对木槿花的研究表明，这些图案是在花瓣早期发育过程中预先确定的，就像一个"数字油漆"系统。资料来源：剑桥大学

花朵图案有助于引导蜜蜂等昆虫到达花朵中心，那里有花蜜和花粉，从而增加植物成功授粉的机会。尽管这些花瓣图案非常重要，但令人惊讶的是，人们对它们是如何形成的，又是如何演变成我们今天看到的丰富多彩的花瓣图案（包括斑点、条纹、叶脉和牛眼）却知之甚少。

研究人员以一种小型木槿植物为模型，比较了花朵大小相同但三种牛眼图案大小不同的近缘植物，这三种牛眼图案的特点是中心为深紫色，周围为白色--H. richardsonii（小牛眼图案覆盖花盘的 4%）、H. trionum（中牛眼图案覆盖花盘的 16%）和H. trionum的一个转基因品系（突变）（大牛眼图案覆盖花盘的 36%）。

他们发现，早在花瓣显示出任何可见颜色之前，花瓣表面就已经形成了预图案。花瓣就像一块"数字油漆"画布，不同的区域在开始呈现出不同的颜色和纹理之前，就已经预先设定了特定的颜色和纹理。

研究还表明，植物可以利用多种机制精确控制和修改这些图案的形状和大小，这可能会对植物进化产生影响。通过微调这些设计，植物可能会在吸引传粉昆虫的竞争中获得竞争优势，或者开始吸引不同种类的昆虫。

在任何可见色素出现之前，在花瓣发育的早期就观察到了新月形的花瓣前花纹。早期发育阶段（从 S0a 到 S2E）HtTCP4.1 OE 花瓣正面表皮细胞面积彩色图。比例尺，100 μm。图片来源：Lucie Riglet。发表于《科学进展》。

"如果一种性状可以通过不同的方法产生，那么进化就有了更多的选择来改变它并创造多样性，这就好比一个艺术家有一个大调色板，或者一个建筑工人有一套广泛的工具。"Edwige Moyroud 博士解释说："通过研究牛眼图案是如何变化的，我们真正想了解的是大自然是如何产生生物多样性的。"

领衔作者 Lucie Riglet 博士通过分析三朵木槿花的花瓣发育情况，研究了木槿花瓣图案背后的机理。她发现，在尺寸小于 0.2 毫米的小花瓣上，早在牛眼出现之前，预图案就已经开始形成一个月牙形的小区域。

威尼斯锦葵又名Hibiscus trionum，是埃德维格-莫伊鲁德（Edwige Moyroud）选为研究花瓣图案发育的新模式植物，原产于澳大利亚，现在也出现在花园中，并已在世界上一些地方归化。资料来源：露西-里格莱特和埃德维格-莫伊鲁德

里格莱特博士说："在我们可以解剖的最早阶段，花瓣大约有 700 个细胞，颜色仍然是绿色的，没有明显的紫色色素，细胞形状和大小也没有区别。当花瓣进一步发育到 4000 个细胞时，它仍然没有任何可见色素，但我们发现了一个特定区域，那里的细胞比周围的细胞大。这就是前模式。"

这些细胞非常重要，因为它们标记了靶心边界的位置，也就是花瓣上颜色从紫色变为白色的那条线--没有边界就没有靶心。

木槿花瓣在早期发育阶段整个正面表皮（顶面）细胞区域的彩色图谱。当花瓣直径为半毫米、有 ~4000 个细胞时，花瓣的预图案在发育早期就已显现，此时还未出现任何着色迹象。图片来源：Lucie Riglet。发表于《科学进展》。

Argyris Zardilis 博士开发的计算模型提供了进一步的见解，结合计算模型和实验结果，研究人员表明，木槿可以在花纹形成前期改变牛眼的尺寸，也可以在发育后期通过调整细胞的扩张或分裂来调节牛眼任一区域的生长。

研究人员使用人工花盘模仿了三种不同的牛眼尺寸--H. richardsonii（小牛眼覆盖花盘的 4%）、H. trionum 野生型（中牛眼覆盖 16%）和 H. trionum 的转基因品系（突变）（大牛眼覆盖 36%），比较了牛眼图案在吸引授粉者方面的相对成功率。图片来源：Lucie Riglet

然后，里格莱特博士使用模仿三种不同牛眼尺寸的人造花盘，比较了牛眼图案在吸引授粉者方面的相对成功率。里格莱特博士解释说："蜜蜂不仅更喜欢中型和大型牛眼，而不是小型牛眼，而且访问这些较大花盘的速度也快了 25%。觅食需要消耗大量的能量，因此如果蜜蜂能在同一时间访问 4 朵花而不是 3 朵花，那么这可能对蜜蜂和植物都有好处。"

研究人员使用模仿三种不同牛眼尺寸的人造花盘，比较了牛眼图案在吸引授粉者方面的相对成功率。与小牛眼相比，蜜蜂不仅更喜欢中型和大型牛眼，而且光顾这些较大花盘的速度也快了 25%。图片来源：Lucie Riglet

研究人员认为，这些预图案化策略可能有很深的进化根源，有可能影响不同物种花朵图案的多样性。Edwige Moyroud 研究小组的下一步工作是确定产生这些早期图案的信号，并探索其他植物器官（如叶片）是否也使用类似的预图案机制。

这项研究不仅增进了我们对植物生物学的了解，还凸显了植物与其环境之间错综复杂的联系，展示了精确的自然设计如何在物种的生存和进化过程中发挥关键作用。

熊蜂可以根据大小区分两种人造牛眼，与芙蓉花的较小图案相比，熊蜂明显偏爱牛眼较大的木槿花。研究人员还发现，熊蜂在牛眼较大的人造花盘之间的飞行速度要快 25%。图片来源：Lucie Riglet

例如，H. richardsonii 是本次研究的三种木槿植物中牛眼最小的一种，原产于新西兰，属于极度濒危植物。H. trionum也分布在新西兰，但不被认为是原生植物，它广泛分布于澳大利亚和欧洲，在北美已成为杂草丛生的归化植物。还需要进行更多的研究，以确定更大的牛眼是否有助于 H. trionum 吸引更多的授粉者，并提高其繁殖成功率。

编译自/ScitechDaily