我们询问种植户八角是由什么传粉的，
结果他们都说“不知道”。
有一些技术人员告诉我们
“不是蜜蜂还能有谁呢？”
罗世孝 · 中国科学院华南植物园研究员
格致论道·湾区第17期 | 2022年5月28日 广州
很高兴来到格致论道，与大家分享我们的科研故事。我是罗世孝，来自于中国科学院华南植物园，今天分享的题目是《揭秘夜空下的植物红娘》。
看一下左边这张照片，大家知道它是什么吗？它就是经常用于制作香料的八角的果。右边是它的花，红色的，也很漂亮。花中间白色的圈圈是8个离心的心皮，对应着八角果实的8个角。
▲ 八角 Illicium verum Hook. f.
八角是一种乔木，主要分布在广西及其周边的广东西部、云南西南部及越南北部。从左边这张图中可以看到，八角在原产地的结实率是非常高的。
那么，八角是靠什么传粉的呢？
说到传粉，大家往往会想到蜜蜂，它是植物和农作物的重要传粉昆虫：比如北方的苹果、南方的荔枝，都是由蜜蜂授粉的。
我们走访了广西的八角原生地，询问种植户八角是由什么传粉的，结果他们基本上都说“不知道”。有一些技术人员告诉我们“不是蜜蜂还能有谁呢？”
同时，我们还了解到广东有些地区也曾经大面积地种植过八角，但是它只开花，不结果。这就是第二个问题：为什么有些地方种植的八角不结果？我们的科研故事为这两个问题提供了答案。
垃圾桶里捡回来的发现
我们在科研中，往往会经历“先简化”的过程，所以选择红花八角作为第一个研究对象。红花八角是一种小灌木，它的花是红色的，非常漂亮。
▲ 红花八角 Illicium dunnianum Tutch.
要观察访花昆虫，我们首先得了解植物的开花物候，看看这个花是什么时候开的。通过观察，我们发现红花八角在晚上开放。
▲ 花丝肥大 晚上开放 无花蜜
接下来要去了解它的结构。解剖以后，我们发现这个花刚开放的时候是没有花蜜的，它还有另外一个特点：花丝非常肥厚。
观察传粉昆虫的工作需要在花期里进行，红花八角的花期大概是在3月底到4月中这短短的时间之内。当时我和师弟观察了3个星期。但很遗憾，一直没有看到真正的访花昆虫。
由于我们急着去海南出差，在回实验室之前，就把一些已经开过的花采集到密封袋里，准备带回实验室用于观察。
我将这一袋子花放在办公桌上就去出差了。从海南回来的时候，发现密封袋里出现了很多类似蛆一样的幼虫。当时我就想：完蛋了，这些花已经没用了。于是我把它们丢进了垃圾桶里。
但当我在实验室处理从海南采回来的材料时，就开始回想：刚才那个袋子里面有那么多幼虫，它们应该不是在我的办公室里生成的。可能采花的时候，就有虫子在这些花里产卵，然后在这个时候变成了幼虫。
▲ 密封袋中的幼虫
我马上从垃圾桶中捡回了密封袋，将这些幼虫放在解剖镜下观察，发现它们很一致，结构、形态基本相似。
这说明我们很可能错过了昆虫的访花产卵。有了调查方向，我非常兴奋，申请立即出差，并且在这次带上了实验室的解剖镜。
再次回到山上的实验地点，我们采了花之后，立即将它放到解剖镜下观察。这次我们确实在花中间发现了虫卵（见右图），确定了虫卵确实在这个花里面，我们在办公室看到的幼虫就是由这种虫卵孵化出来的。
但是很遗憾，这一年的花期已经结束了，我们没能进一步观察到是由什么昆虫来访花的。我们只能等待明年花开的时候，再来“守花待虫”。
揭开植物红娘的神秘面纱
经过一年的准备，我们在第二年的花期来到实验点，用袋子套住那些即将开放的花，不让它受其他昆虫的干扰。在学术上，我们把这种没有受过昆虫访问的花叫做处女花（virgin flower）。
红花八角的花是晚上开的，我们就每人分工盯几朵；当花开放的时候，就把这个袋子撤掉。
从图中可以看到，红花八角刚开的时候，只开一个很小的孔。这时，一种瘿蚊就会来到这个花上，并且以很快的速度钻到花里面。因为开花的孔很小，所以我们没办法观察到它在花内的行为。不过我们有一个“大杀器”：当瘿蚊尝试进入到花里，或者当它从花中出来的时候，我们就用毒瓶将它给收了。
收集瘿蚊以后，我们就解剖这朵花，并且在解剖镜下观察。可以看到，（右上图）黑色箭头指示的就是瘿蚊带进去的花粉，白色箭头证明它已经在里面产了虫卵。而花周边的雄蕊没有开裂，说明这些柱头上的花粉都是第一次访问的瘿蚊带进来的，它对这个植物进行了授粉。
通过下图可以看到，当我们快速杀死花里面的瘿蚊时，它尾部的卵还没有产完。虽然很遗憾，但这些瘿蚊为我们的科研做出了贡献。
发现这个现象以后，我们就要去做重复实验，验证结论是否稳定。另外我们也需要排除是否有其他昆虫也在访花。所以我们通宵观察，时刻紧盯。
有一次我们观察完一个通宵，当我来找师弟的时候，发现怎么叫也没有回应。到处找，发现他在一个石头上睡着了。所以科研的发现是快乐与痛苦并存的：它有很兴奋的瞬间，但当你兴奋过头，也有很困的时候。
鉴于花里面有虫卵，我们就去追踪这个虫卵下一个阶段的生活史是怎样的。我们解剖完以后发现，第一个晚上，瘿蚊就会进入到花里，带来花粉然后授粉，并且产卵在八个离心心皮的洞穴中间。
第二天晚上，当这个柱头被授粉以后，它八个离心的心皮就会合拢，形成一个封闭的室，将虫卵很好地保护在中间，这也是我们第一年没有看到虫卵的原因。然后到第四天左右，花里面就会出现幼虫，它从虫卵到幼虫的时间非常短。
我们就在想：这个花室是不是也类似于母鸡孵化小鸡，里面有很高的温度？我们买来了一个温度监测仪，这上面有两个探头，一个探头放在花里面，一个探头放在外面，这样它可以同时监测花内外的温度差。
这两张图分别是晚上12个小时和白天12个小时花内外的温差。红色的线是花刚开时花内的温度；蓝色的线代表花瓣密闭以后，虫卵孵化和幼虫成长阶段花内的温度。
我们发现花刚开的时候，这个温差基本在1.5度左右，当花形成一个更加密闭的空间，它的温差基本在2.5度左右。这说明花在产热，而且它是一个很好的温室。
幼虫出现以后，我们继续观察花中幼虫的行为。我们发现开始并没有花蜜的花，在这个时候在肥厚的花丝上面出现了一些分泌物。同时我们观察到幼虫会取食花丝上面的分泌物，将其作为发育的营养物质。
这样，我们就通过红花八角了解到瘿蚊的生活史，并且知道瘿蚊是红花八角的传粉昆虫。之后我们观察了广西八角的传粉昆虫，也对八角属其他的9个种进行了观察，最后发现在八角属的植物和传粉的瘿蚊之间，形成了一种“你为我授粉，我为你育儿”的互利共生的关系。
研究完八角的传粉类群以后，我们把广西已经开花的植株移到广东，种到我们的华南植物园。第一年它能很好地开花，但是不结果；第二年我们又从广西把表土里面的瘿蚊茧引入到华南植物园里，但发现瘿蚊还是不能完成生活史。
这就证明了八角在广西的种植区域，很可能是由瘿蚊的分布区域决定的。广东等其他区域没有瘿蚊，所以不能种植八角。或者从另外一个角度来说，传粉昆虫决定了重要经济作物的种植区，也决定了它们在客场种植的成败。
世界上没有无缘无故的“肥”
接下来我们就想：八角-瘿蚊这样的共生系统是否也存在于八角属所在的五味子科类群？接下来，我们就对的五味子科的南五味子属进行观察实验。
当完成这幅图的时候，我问正在上小学的儿子：“如果要从这几个种里面选择一个去做观察实验，你觉得哪一个是最好的？”他跟我说：“肯定是最下面一个。”我说：“为什么？”“因为最下面一个和上面的都不一样。”
其实小孩的感觉还是很好的，也符合我们做实验时的一个基本判断：我们做实验往往从最特殊的开始。
▲ 黑老虎 (Kadsura coccinea (Lem.) A. C. Smith)
首先介绍一下，这种最特殊的植物叫黑老虎，它的花是红色的，花期在4-6月。黑老虎是一种木质藤本，它一般会爬在树上面，最后爬到树冠上去开花。
这就给我们的野外实验造成了困难。当我们走到树下以后，可以从地上捡到花，但是一抬头，便看不到花在哪里，这就更加难以去观察它的传粉者。
这里说一个题外话。当我们的文章发表以后，香港大学的Richard教授就问我：“你是怎么完成传粉观察任务的？我在一二十年间都在关注植物的传粉，关注黑老虎这个类群。我甚至搭架子去观察，都没有完成。”其实，我们在做实验的时候，往往不能根据常规思维去做，在这里有两个小机遇促进了我们的实验。
一个是我们在做野外调查的时候发现，村民为了清理周边、路边的树，他们砍了一些杂木，而我们的藤本植物刚好就长在杂木上面。这个时候树是死了，但是藤本还活着，所以我们就和村民商量，能不能把这些留着给我们，在下一年用于观察实验？这样我们就留下了藤本。
另外一个就是“山竹”台风的时候，保护区里很多树都倒了，这些藤本就从树上塌下来了。我们就和保护区协调，最后利用这些塌下来的藤本进行观察实验。这两个小小的机遇告诉我们：事情都有两面性，我们能够把坏事变成好事，台风和倒树促进了我们实验的成功。
通过观察，我们发现黑老虎有雌花和雄花，并且它们长在同一个植株上，我们称之为雌雄异花同株。但是黑老虎很特殊，特殊在哪里呢？它有三个肥厚的花被，这个花也是晚上开的，并且它没有花蜜。
我们继续观察它的传粉昆虫，发现当这个花开的时候，瘿蚊会直接飞到花里面，不像在红花八角上，它是飞到花上面再爬进去。我们就想，瘿蚊为什么能够很快地直接飞到花里面，它是能够识别这个花吗？
我们做了一个Y管实验：一边通空气，另一边放的是花。通过控制实验，我们发现这个花能吸引大部分的瘿蚊。这样我们就能够确定，瘿蚊是通过气味来识别黑老虎的花的。
这个气味是什么？我们和华南植物园的杨子银教授合作，检测了雄花和雌花的气味，发现它们都是α-蒎烯和β-蒎烯，并且雌花的释放量比雄花大很多——因为雌花要结果，要吸引更多的传粉昆虫。
之前我们提到，瘿蚊在红花八角的花里产卵，而黑老虎的花里没有产卵的位置。从这个视频中可以看到，瘿蚊进入花瓣后，又从花里往外爬。大家可以观察到，当它爬到肥厚的花被上时，出现了腹部弯起的行为，这就是瘿蚊在花被上产卵。
右：雌花肥厚花被上的卵
我们发现，无论是在雌花还是雄花上，瘿蚊都出现了产卵的行为。并且还发现了另外一个现象：瘿蚊产过虫卵以后，周边就会出现分泌物。大概在1-2个小时之内，分泌物就会把这些虫卵全部覆盖，它就可以避免蚂蚁取食带来的伤害。
第二晚：分泌物增多
第三晚：幼虫取食分泌物
第四晚：老熟幼虫，基本无分泌物
那么，肥厚的花是怎么为幼虫提供分泌物的呢？我们第一天晚上解剖，发现花上有少量的分泌物；第二天晚上分泌物增加；到第三天晚上，我们同时看到了幼虫和大量的分泌物，并且幼虫在取食这些物质；大概在第四天以后，幼虫发育成了老熟幼虫，而分泌物基本上没有了。
我们又做了一个控制实验，以此来确定虫卵或者产卵行为是不是促进了分泌物的发生。我们将一批花用于套袋，另一批花用于产卵。
我们发现，无论是第一天晚上还是第二天晚上，套袋的花的分泌物都很少；产卵以后，花被在第二天晚上出现了大量的分泌物。通过这个控制实验，我们可以得出结论：产卵行为或者虫卵对分泌物有一定的刺激作用。
接下来，我们就想知道这个分泌物到底是什么成分。在与杨老师的合作下，我们测量了花柄、花瓣以及不同部位的分泌物，最后发现这些分泌物都含有石竹烯。
石竹烯本来是松、杉等裸子植物的分泌物，而瘿蚊在英语里被叫做resin midge，意思是它的幼虫本来是取食松脂（resin）的，但在我们这边它就变成了一种传粉昆虫。
▲ 世界上没有无缘无故的“肥”
这个时候我们就能理解，黑老虎肥厚的花被为瘿蚊提供了产卵场所，为瘿蚊提供了分泌物或者说营养。所以结构和功能是相适应的，世界上没有无缘无故的肥，它的肥厚为植物的传粉和繁殖提供了巨大的贡献。
研究支撑新兴水果产业
已完成：80% //////////
完成黑老虎实验以后，我们继续研究南五味子属其他的椭圆状雄蕊群的这些花。
▲ 左：雄花-椭圆体雄蕊群
从左边这张图中可以看到两只瘿蚊，它们把虫卵产在雄蕊的花药里面，右侧箭头所示，就是瘿蚊产的卵。
▲ 五味子科植物与授粉瘿蚊一一对应
我们对南五味子属进行了更多的观察，在五味子科的18个种里面，都采集到了瘿蚊。并且通过测序，我们构建了植物和传粉瘿蚊的系统发育树，发现它们之间基本上形成了一对一协同互作的关系。
在这种关系里面，瘿蚊为五味子科植物授粉，而五味子科植物为瘿蚊提供了产卵、繁殖以及幼虫生长的场所，它们形成了协同互作。
随着论文的发表，广西的一些企业就给我们打电话，说他们在温棚里面也种植了黑老虎，但是不结果。我们告诉他们，第一，黑老虎的结果需要传粉瘿蚊，并且建议他把温棚的棚子打开；第二，我们建议种到山边，利用山里原生的传粉瘿蚊。很快他们形成了产业，现在我们去网上搜索，可以看到黑老虎的水果卖得还不错，现在它已经在广西、湖南的部分区域成为了乡村振兴的产品。
想要保护生物多样性，除了保护蜜蜂这种大家比较熟悉的传粉昆虫，我们也要保护像我们认知比较少的传粉瘿蚊。这些瘿蚊也为植物，甚至我们人类做出了巨大的贡献。
那我们如何能更好地保护生物多样性？我们首先要去观察、去认识、去了解。我们不但要有科学家的热情，更需要有多方面的投入。同时我们也需要像格致论道这样的平台为大家做科普和推广，这样我们才能更好地保护生物多样性，实现生态文明，构建地球生命共同体。
我今天的故事就分享到这里，谢谢大家！
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