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Sci Rep:中科院版纳植物园李庆军研究组揭示花器官性别角色的复杂性

摘要 : 2016年3月1日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Scientific Reports》杂志上在线发表中国科学院西双版纳热带植物园植物进化生态学研究组导师李庆军题为“Tail-like anther crest aids pollination by manipulating pollinator’s behaviour in a wild ginger”研究论文,研究论文揭示花器官性别角色的复杂性。

 2016年3月1日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Scientific Reports》杂志上在线发表中国科学院西双版纳热带植物园植物进化生态学研究组导师李庆军题为“Tail-like anther crest aids pollination by manipulating pollinator’s behaviour in a wild ginger”研究论文,研究论文揭示花器官性别角色的复杂性。博士研究生范永立为论文第一作者,李庆军研究员为论文通讯作者。

繁育系统的改变是生物进化和物种形成的核心过程。探索植物在有性繁殖过程中如何与传粉者相互适应一直是植物进化生态学中的研究热点。

在较早前的研究中范永立在其导师李庆军的指导下在PloS ONE上发表题为“A New Secondary Pollen Presentation Mechanism from a Wild Ginger (Zingiber densissimum) and Its Functional Roles in Pollination Process”的研究论文,研究对于2011年至2012年对分布于云南临沧的野生姜科植物多毛姜 (Zingiber densissimum S.Q.Tong & Y.M.Xia)的有性繁殖适应机制进行了探索。通过对该物种繁育系统的研究,作者发现了自然界中一种新的次级花粉展示(secondary pollen presentation)模式,该机制能促进传粉者带走花粉。

随后,作者又对该物种的雄蕊附属体的功能进行了探索。雄蕊附属体是由雄蕊衍生出来的一类附属器官,是正常花器官之外的“冗余”器官,它们形态各异,且分布广泛,存在于大约100个被子植物科中。在姜科植物中,将近40属的植物都具有雄蕊附属体。多毛姜的雄蕊附属体是由药隔发育而来的,它从花药顶端向上延伸并逐步缩小,呈尾状,长度将近雄蕊的1.5倍。形态如此夸张的雄蕊附属体,在被子植物中极为罕见。

传统的性分配理论和研究认为:雄蕊附属体作为雄蕊的一部分,发育上属于雄性器官,功能上具有雄性功能(即促进花粉散发的功能)。该研究以多毛姜为材料,通过操控实验对其雄蕊附属体的功能探索发现:多毛姜的雄蕊附属体既不具备吸引传粉者的功能也不能作为营养的储存库来为后期的种子发育提供营养。但是,附属体能够操控它的传粉者(两种蜂类)的行为,使传粉者采取有利于花粉散发和花粉接收的姿势访花和获取花蜜(视频1);雄蕊附属体缺失后,绝大部分的传粉者会改变访花姿势,通过偷蜜的方式来获取花蜜,在此过程中传粉者不为花提供传粉服务(视频2)。通过进一步对附属体的性别功能评估发现,雄蕊附属体对雄性功能(花粉散发)的贡献约为40%,对雌性功能(花粉接收)的贡献约为50%。

最新研究结果表明,雄蕊附属体尽管在形态发育上是雄性器官的一部分,但在功能上却同时具有雄性和雌性的性别角色,该器官的产生可能是在自然选择过程中同时受到雄性和雌性方面的选择压力的结果。该研究提供了一个花器官形态性别角色和功能性别角色相矛盾的新颖例子,揭示了两性花植物花器官性别角色的复杂性,同时也表明了两性花植物的性分配理论(该理论把花器官的性别划分为非雄即雌)存在缺陷。

多毛姜的花内部结构(TAC:尾状雄蕊附属体;S:柱头;A:花药)、花形态和传粉者

 

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多毛姜的次级花粉展示机制

原文链接:

Tail-like anther crest aids pollination by manipulating pollinator’s behaviour in a wild ginger

原文摘要:

Innovative floral organs are widely distributed taxonomically in angiosperms, and some of them are conspicuous and curious in morphology. Floral organs have long been supposed to play a crucial role in fertilization by pollinators. However, why innovative organs occur, how they are adapted for pollinators and what sexual roles they play are still puzzling. Here we focused on a wild ginger (Zingiber densissimum, Zingiberaceae) and tested the function of the curious anther crest, an innovative floral structure widely distributed in Zingiberaceae. The anther crest is a specialized anther appendage that extends up from the top of the anther to form a tail-like structure, about 150% as long as the anther. We found this structure promoted both the male and the female functions of plants by manipulating its pollinators and causing pollinators to adopt a position ideal for pollen removal and receipt. This study provides a novel example of structure adaptation in which both the male and the female functions are enhanced by resource allocation on a male organ, expanding the knowledge of the sexual roles of the anther appendage.

来源: Scientific Reports 浏览次数:1

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