2022
09/21
相关创新主体

创新背景

花是被子植物的繁殖器官,在有花植物的性别系统中,大约72%的植物都是雌雄同花,它们一般被称之为两性花,一朵花中既有雌蕊也有雄蕊。以往的科学知识认为它们是与其互惠传粉者蜜蜂、蝴蝶和蜂鸟等一起进化的。

 

创新过程 

慕尼黑工业大学(TUM)与巴西、马尔堡和苏黎世的伙伴合作进行的一项新研究表明,食草性昆虫在花的性别决定中发挥着核心作用,如叶子、茎和根食的蚱蜢、甲虫和毛毛虫。木蝇巨喉虫的幼虫以各种接骨木的叶子为食,尤其是黑接骨木。黄花百合的幼虫和甲虫以铃兰和野生大蒜等百合和葱属植物的叶子为食相关研究成果发表在《生态学快报》。

“红皇后假说”

研究团队证明,被更多昆虫食草动物攻击的植物物种的花朵繁殖能力更强,它们会更努力地生产基因多样化的后代。这一结果是基于红皇后假说(Red Queen Hypothesis),解释花朵性别的存在。红皇后假说的提出是为了解释一个挑战达尔文理论的重要谜团。该理论指出,在进化中,获胜的个体会将更多基因传递给下一代。然而,有性繁殖的个体只将50%的基因传递给每个儿子和女儿,而无性繁殖的个体通过复制自己繁殖,因此传递了100%的基因。

无性繁殖的个体可以在进化竞赛中迅速击败有性繁殖的个体。然而,这与大多数动植物通过性繁殖的事实相矛盾,尽管无性繁殖的物种是已知的。红皇后假说认为,繁殖是宿主物种用来在与寄生虫的军备竞赛中占上风的武器。事实上,当有性生物繁殖时,它们产生的后代包含独特的抗寄生虫防御组合,可降低寄生虫攻击武器的效力。相比之下,无性生物的防御武器库从父母传给后代几乎没有变化。经过几代之后,寄生虫可以学会如何解除它们的防御武器库。因此,根据红皇后假说,有性繁殖个体的后代比无性繁殖个体的后代有更好的防御能力。

食草动物对花朵的影响

为了验证这一理论,部分研究人员从多种环境中收集了141种德国花朵,他们在实验室里测量了花的雄性器官和雌性器官的重量,两个器官分别负责产生花粉和胚珠。然后,研究人员计算出花朵雄性器官的重量除以两个性器官的重量。一般来说,在雌性器官上投入更多的植物往往是自受精的,产生的种子遗传多样性较低。相比之下,在雄性器官上投入更多的物种倾向于异交,会产生遗传多样性更高的种子。

研究小组在德国的自然历史研究积累的基础上进行了一项大型调查,以估计每种植物会被多少种昆虫吃掉。最后,研究人员把两个独立的数据集放在一起时,他们证明了花的雄性与昆虫食草动物的数量呈正相关。

研究人员表示,通过结合这两个独立的数据集能够证明花的雄性与昆虫食草动物的数量和它们捕食模式的多样性呈正相关。研究小组发现,被更多昆虫攻击的植物种类会影响花的性别,这一新发现有力地支持了红皇后假说。

 

创新意义

研究在“红皇后假说”的基础上证明食草性昆虫对植物繁殖的重要性,展现了减少野生动物数量的危险和保护食用植物遗传多样性以及基因多样性的重要意义。

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