植物可以用全新的方式操纵精子

在植物界，授粉可能是一个非常激烈的过程。来自南非和巴西的一组科学家发现，竞争对手植物可能会相互竞争传粉媒介的空间。这种竞争会影响谁的花粉能到达下一朵花，谁的花粉不能。这些发现在最近发表在《美国博物学家》上的一项研究中进行了详细介绍。

随着时间的推移，一些动物和昆虫的阴茎上进化出了复杂的结构，据信这些结构可以在雌性生殖道中释放自己的精子之前，先将竞争对手的精子清除掉。

视频：蜂鸟喙（头骨）上用量子点标记的花粉粒。这是在紫外线光源下观察的。我们将花粉粒放在蜂鸟喙中并进行计数（仅计算两个铅笔标记之间的花粉粒）。然后将蜂鸟喙插入一朵花中——在花爆炸后，我们重新计算标记的花粉粒，看看爆炸带走了多少花粉。图片来源：Daniela Cristina de Cario Calaça、César Augusto Arvelos 和 Carlos Andres Matallana Puerto

与动物交配不同，植物繁殖不需要花朵之间的直接接触。为了与其他雄性植物竞争，花粉（携带植物精子）必须在到达另一朵花之前进行操纵，同时借助飞蛾、蜜蜂或蝴蝶等传粉昆虫的身体进行操纵。此外，大约 94% 的植物同时具有雄性和雌性生殖器官。为了避免自花授粉，单个花朵通常会先经历雄性阶段，然后经历雌性阶段。

研究团队认为，植物可以控制花粉在传粉者身上的位置和数量。植物可能还开发了更类似于动物精子操控的策略来实现这一点。

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为了了解更多信息，研究人员研究了巴西特有的一种红色多年生花卉Hypenea macrantha 。他们在实验室中设置了一个实验模拟，并使用慢动作视频记录了这种植物的战略过程。这种花使用一种类似弹射器的机制，从蜂鸟头骨的喙上去除竞争对手的花粉，并将自己的花粉牢固地放在同一位置。

这种被称为爆炸性花粉投放的机制在植物界并非完全未知。白桑树是植物界和动物界中已知的移动速度最快的植物。花粉弹射机制的速度可以超过 380 英里/小时（170 米/秒）。

然而，这项研究提供了一些经验证据，表明爆炸花粉投放效果如何。为了收集这些数据，研究小组用量子点标记了爆炸带走的花粉，并分析了它们的慢动作视频。大花萼花粉在释放后以每秒 2.62 米的速度传播。相比之下，奥运选手尤塞恩·博尔特的跑步速度大约是它的四倍，为每秒 10.44 米。

研究团队表示，他们的研究结果为植物中存在竞争性花粉清除的理论提供了证据。雄性植物之间的竞争可能也促进了这种特性的进化。

“蜂鸟造访的花朵会将花粉留在蜂鸟喙上，但花粉几乎没有地方可以放置，”这项研究的共同作者、南非斯泰伦博斯大学的进化生物学家布鲁斯·安德森在一份声明中说。“花朵进化出了一种弹射机制，可以将花粉射向蜂鸟的喙。弹道颗粒的力量会将先前沉积的来自竞争对手的颗粒弹开，从而使花朵将自己的颗粒放在更干净的喙上，从而增加其繁殖成功的机会。”

这些植物可能以一些以前未知的方式相互竞争。像Hypenea macrantha这样的两朵花在交配时通常不会相互作用，这使得花很难像其他一些植物和动物那样操纵配子。然而，配子操纵实际上可能发生在到达一朵花的传粉者身上，而不是在其他花的叶子或花瓣上。

如果像蜂鸟这样行动迅速的传粉者飞到一朵被先前拜访过的植物的竞争对手花粉覆盖的花上，这朵花可能很难将自己的花粉放在蜂鸟身上，因为它被竞争对手植物的花粉覆盖着。即使它能得到一些蜂鸟的花粉，它的繁殖成功率也可能很低，因为它必须与这些竞争对手的花粉粒竞争，才能接触到蜂鸟拜访的下一朵花的胚珠。

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“那么，花朵能做什么呢？就像长有阴茎装饰的动物一样，花朵能够进化出一些策略，在传粉者播下自己的花粉之前，先清除掉竞争对手的花粉，”安德森说道。

此前，科学家认为花爆主要是为了帮助授粉者获得花粉。也有理论认为，这是一种惊吓授粉者飞走并飞到新植物上并将花粉传播到更远距离的方式。

“然而，我们的数据表明，这种机制实际上可能取代之前花朵的花粉，通过增加传粉者身体空间的竞争来提高雄性的繁殖成功率，”研究报告的共同作者、巴西乌贝兰迪亚联邦大学植物学家维尼修斯布里托在一份声明中说。