一项研究表明，芙蓉花使用预先确定的花瓣图案来吸引蜜蜂，因为蜜蜂更喜欢较大的靶心。这些图案在花瓣发育的早期就已形成，对植物的授粉效率和进化成功起着关键作用。
剑桥大学塞恩斯伯里实验室的研究人员发现，芙蓉花具有一种在发育早期就形成的隐形预定模式，它决定了花瓣上靶心的大小——这一关键模式对花朵吸引授粉蜜蜂的能力有重大影响。
这项研究最近发表在《科学进展》上，研究还表明，与小靶心相比，蜜蜂更喜欢较大的靶心，并且在具有较大靶心的人造花盘之间飞行速度要快 25%——这可能会提高蜜蜂和花朵的效率。
花朵图案（如靶心图案）可引导蜜蜂等传粉者采蜜，从而提高授粉成功率。对芙蓉花的研究表明，这些图案在花瓣早期发育时就已预先确定，就像一个“数字绘画”系统。图片来源：剑桥大学
芙蓉花图案的实验研究
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，增加了植物成功授粉的机会。尽管它们很重要，但令人惊讶的是，人们对这些花瓣图案的形成方式以及它们如何演变成我们今天所见的多种多样的图案（包括斑点、条纹、脉纹和靶心）知之甚少。
研究人员使用一株小型芙蓉花作为模型，对密切相关的植物进行了比较。这些植物的花朵大小相同，但有三种不同大小的靶心图案，其特征是深紫色中心，周围环绕着白色——H . richardsonii（小靶心覆盖花盘的 4%）、H. trionum （中等靶心覆盖 16%）和H. trionum的转基因品系（突变）（大靶心覆盖 36%）。
他们发现，在花朵形成初期，花瓣表面就已经形成了一种预先形成的图案，远在花瓣呈现可见颜色之前。花瓣就像一块“数字绘画”画布，不同区域在开始看起来彼此不同之前就已经预先确定了会形成特定的颜色和纹理。
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，这可能对植物进化产生影响。通过微调这些设计，植物可能在吸引传粉者的竞争中获得竞争优势，甚至可能开始吸引不同种类的昆虫。
在花瓣发育的早期，在出现任何可见色素之前就观察到了新月形的花瓣预图案。早期发育阶段（从 S0a 到 S2E）HtTCP4.1 OE 花瓣近轴表皮细胞面积的彩色图。比例尺，100 μm。图片来源：Lucie Riglet。发表于《科学进展》。
关于花瓣预图案化的见解
“如果一种特性可以通过不同的方法产生，那么进化就有了更多的选择来修改它并创造多样性，就像一个拥有大调色板的艺术家或一个拥有大量工具的建筑工人一样。通过研究靶心图案如何变化，我们真正想要了解的是大自然如何产生生物多样性，”领导研究花瓣图案形成机制的研究小组的 Edwige Moyroud 博士解释说。
主要作者 Lucie Riglet 博士通过分析三朵总体大小相同但靶心图案不同的芙蓉花的花瓣发育情况，研究了芙蓉花瓣图案背后的机制。
她发现，在小于 0.2 毫米的小花瓣上，靶心出现之前，预图案就已经以一小片新月形区域开始。
威尼斯锦葵（也被称为“一时之花”）被 Edwige Moyroud 选为研究花瓣图案发展的新模型植物。H. trionum 原产于澳大利亚，现在也出现在花园中，并已在世界某些地区归化。图片来源：Lucie Riglet 和 Edwige Moyroud
Riglet 博士说：“在我们能解剖的最早阶段，花瓣有大约 700 个细胞，颜色仍为绿色，没有可见的紫色色素，细胞形状和大小也无差异。当花瓣进一步发育到 4000 个细胞时，它仍然没有任何可见的色素，但我们确定了一个特定区域，其中的细胞比周围的细胞大。这是前期模式。”
这些细胞很重要，因为它们标记了靶心边界的位置，即花瓣上颜色从紫色变为白色的线——没有边界就没有靶心。
早期发育阶段 Hibiscus trionum 花瓣近轴表皮（上表面）细胞面积的彩色图。花瓣的早期图案在发育早期就已显现，此时花瓣的宽度为半毫米，约有 4000 个细胞。图片来源：Lucie Riglet。发表于 Science Advances。
高级建模及其对授粉的影响
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，芙蓉可以在预图案化阶段的早期改变靶心尺寸，或者在发育后期通过调整细胞扩张或分裂来调节靶心任一区域的生长。
研究人员使用模仿三种不同木槿花靶心尺寸的人造花盘，比较了靶心图案在吸引传粉者方面的相对成功率——木槿花靶心尺寸分别为 H. richardsonii（小靶心覆盖 4% 的花盘）、H. trionum 野生型（中靶心覆盖 16%）和 H. trionum 的转基因品系（突变）（大靶心覆盖 36%）。图片来源：Lucie Riglet
随后，Riglet 博士使用模拟三种不同靶心尺寸的人造花盘，比较了靶心图案在吸引传粉者方面的相对成功率。Riglet 博士解释说：“蜜蜂不仅更喜欢中型和大型靶心，而不是小型靶心，而且它们访问这些大型花盘的速度也快 25%。觅食需要大量能量，因此，如果一只蜜蜂可以同时访问 4 朵花而不是 3 朵花，那么这对蜜蜂和植物来说可能都是有益的。”
研究人员使用模拟三种不同靶心尺寸的人造花盘，比较了靶心图案在吸引传粉者方面的相对成功率。蜜蜂不仅更喜欢中型和大型靶心，而不是小型靶心，而且它们访问这些大型花盘的速度也快 25%。来源：Lucie Riglet
进化意义和未来研究
研究人员认为，这些预先图案化策略可能具有深厚的进化根源，可能会影响不同物种花朵图案的多样性。Edwige Moyroud 研究团队的下一步是确定负责产生这些早期图案的信号，并探索其他植物器官（如叶子）是否使用类似的预先图案化机制。
这项研究不仅增进了我们对植物生物学的理解，而且强调了植物与其环境之间的复杂联系，展示了精确的自然设计如何在物种的生存和进化中发挥关键作用。
大黄蜂可以根据大小区分两种人造靶心，与较小的 Hibiscus richardsonii 相比，它们明显更喜欢较大的 Hibiscus trionum 靶心。研究人员还发现，大黄蜂在靶心较大的人造花盘之间飞行速度要快 25%。图片来源：Lucie Riglet
例如，H. richardsonii是本研究中研究的三种木槿属植物中靶心最小的，是一种原产于新西兰的极度濒危植物。H . trionum也分布在新西兰，但不被认为是原产植物，它广泛分布于澳大利亚和欧洲，并已成为北美的杂草归化植物。需要进一步研究以确定较大的靶心尺寸是否有助于 H. trionum 吸引更多的传粉者并提高其繁殖成功率。
参考文献：“芙蓉花靶心揭示了控制花瓣图案比例的机制，这些机制影响植物与传粉者之间的相互作用”，作者：Lucie Riglet、Argyris Zardilis、Alice LM Fairnie、May T. Yeo、Henrik Jönsson 和 Edwige Moyroud，2024 年 9 月 13 日，《科学进展》。DOI：10.1126/sciadv.adp5574（By University of Cambridge）
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