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裸子植物,1.6亿年前的裸子植物如何传粉?

    原标题:1.6亿年前的裸子植物如何传粉?


珍妮拟蝎蛉Pseudopolycentropus janeannae (a)和格氏丽中生蝎蛉Lichnomesopsyche gloriae (b)在裸子植物上取食和传粉的示意图。
□本报记者 陈晨
中侏罗纪时期的传粉模式
在国家自然科学基金、北京市自然科学基金等的持续资助下,首都师范大学“昆虫演化与环境变迁重点实验室”教授任东与美国国家自然历史博物馆兰博德拉博士等合作,在昆虫与植物的协同演化研究工作中取得了突破性进展,任东等用充分的事实证明了在中生代具有细长吸受式口器的长翅目昆虫可以在一类裸子植物(今已灭绝)上取食,同时起到传粉的作用。由此,他们发现了距今1.6亿年前的中侏罗纪时期传粉昆虫与当时的虫媒裸子植物之间存在着一种新的传粉模式。这是目前为止最早的关于传粉昆虫和虫媒植物之间协同演化的例子。这一成果发表在11月6日出版的《科学》(Science)杂志上。
任东等人的研究成果将为确定一些重要传粉昆虫类群的起源、早期演化和一些关键特征的性状和极性提供直接的证据。这不仅为探索传粉昆虫演化的原因和模式,以及当今全球传粉昆虫生物地理格局和区系的形成等方面有着重要的理论意义,而且在探索虫媒植物和有花植物(被子植物)的起源及昆虫与植物的协同演化关系方面也具有重要的意义。
学界对于该成果给予了肯定。英国北安普顿大学的著名昆虫学家Ollertong教授和Coulthard教授在《科学》杂志同期发表的特邀评论中写到:任东等人的工作向传统的白垩纪晚期传粉昆虫与开花植物之间的协同演化经典模式提出了挑战,揭示了一种更为复杂的植物和传粉者之间相互作用的生态学现象。任东等的证据是令人信服的,改变了我们对传粉昆虫早期生态演化的观点。
最引人入胜的研究领域
“从石炭纪起,昆虫与早期陆生维管植物的相互作用就已开始,并一直延续至今。而在昆虫与植物相互作用的众多方式中,昆虫对植物的传粉是最引人入胜的研究领域。”任东在接受《科学时报》记者的采访时说道。
作为陆地生物群落中最为重要的组成部分之一,昆虫与植物之间的相互作用是多方面的。对于传粉昆虫与虫媒植物来说,它们之间最重要的关系就是:昆虫取食种子植物的花粉(裸子植物的传粉滴或被子植物的花蜜和其他分泌物),与此同时,昆虫也完成了对植物的传粉。种子植物在授精作用之前必须发生传粉作用,花粉借外力传送到胚珠上(裸子植物)或雌蕊上(被子植物),85%的现代被子植物是由昆虫传粉的。因此传粉对于种子植物的演化和发展起着决定性的作用。传粉昆虫与虫媒植物的相互作用与协同演化一直是陆相生态系统中一个重要的研究课题和难点问题。
但由于传粉昆虫化石的缺乏,科学界对中生代被子植物大发生之前,尤其是侏罗纪传粉昆虫与虫媒植物的相互作用与协同演化方面的认识还十分有限。
“对传粉昆虫群落的整体面貌和多样性辐射发展的过程还缺乏系统的认识;昆虫个体大小和口器(喙)长短的差异与不同裸子植物类型之间的取食策略和传粉机制还不清楚;最初裸子植物以昆虫传粉为辅向被子植物以昆虫传粉为主的转移,其内在原因和外部环境的影响因素尚不明了;访花昆虫与开花植物之间相互作用究竟那个占主导地位还没有明确的答案。”任东说。
任东一直致力于传粉昆虫与虫媒植物的相互作用与协同演化研究。早在1998年,他就在演化生物学中白垩纪晚期传粉昆虫与开花植物之间的协同演化经典模式的基础上,创造性地利用访花虻类昆虫化石证实了被子植物在中国东北晚侏罗世—早白垩世已经存在,将被子植物起源时间向前推进了至少2000万年。为解决被子植物的起源时间和地点这一植物学界的重大难题作出了贡献。
十年磨一剑的坚持
此后的十年,任东为获得传粉昆虫化石付出了不懈努力,并对我国北方的中生代晚期传粉昆虫开展了持续研究。在采获的大量传粉昆虫化石中,任东陆续发现了直翅目、半翅目、鞘翅目、双翅目等8个科近20余种新的传粉昆虫化石。
在这些丰富的化石材料中,长翅目的3个绝灭科级类群——中生蝎蛉科、阿纽蝎蛉科和拟蝎蛉科具有特别重要的科学意义。
“之所以说这三类化石具有特别重要的科学意义,是因为这3个类群均发育有一个细长的虹吸式口器,在长翅目昆虫中是首次发现。系统发育分析也表明这3个类群是现代长翅目昆虫的最近缘类群。”任东解释说。
而对这3个类群的虹吸式口器的功能形态研究和口器中残余物地球化学微量元素分析均表明,口器是昆虫用来吸食植物汁液的,同时也表明昆虫喙的长短在当时产生了明显的分化。
任东指出,随着白垩纪以来被子植物的大发生,昆虫传粉类群和传粉方式也发生了转变,由此产生了现代丰富多彩的昆虫传粉模式。这种新的虹吸式口器类型就代表了侏罗纪被子植物大发生之前一种新的传粉模式。因此,该研究成果将为确定一些重要传粉昆虫类群的起源、早期演化和一些关键特征的演化提供直接的证据。
虽然在昆虫—植物协同演化研究领域再次取得了突破性进展,任东仍感时间紧迫。经过近20年的野外采集积累,目前任东等已采获燕辽地区各类中生代晚期昆虫化石超过15万件,其中传粉昆虫化石近5000件,大部分保存完好。而且他们已经对4个目8个科近20余种新的传粉昆虫化石展开了研究。“但由于我国古传粉昆虫学研究开展较晚,投入有限,同时由于研究对象(化石)的特殊性,研究周期较长,涉及昆虫类群较广,现已研究的传粉昆虫仅占所采化石的1/20左右,对燕辽昆虫群和热河昆虫群中传粉昆虫的信息了解仍然不够,已采到的传粉昆虫化石所应有的巨大科学价值还没有充分发挥出来,大量的研究工作急需进行。”任东告诉记者。
《科学时报》 (2009-11-23 A4 科学基金)


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