近日，由中國科學院昆明植物研究所王紅研究團隊聯合中山大學以及美國、瑞典的研究者，以列當科馬先蒿屬（Pedicularis Linn.）植物為模型，整合生物力學、昆蟲行為學和傳粉生態學等多學科研究手段，首次發現花與熊蜂之間的共振“關鍵點”，揭示了蜂振傳粉（buzz pollination）中植物與傳粉者之間的振動力學耦合機制（圖1），解析了花的生物力學特性在塑造植物-傳粉者互作中的重要作用，為理解植物-傳粉者協同進化及花多樣性形成提供了新視角。Science China Life Sciences（《中國科學：生命科學》英文版）近期以“Vibration mechanics involved in buzz pollination lead to size-dependent associations between bumblebees and Pedicularis flowers”為題報道了該成果。

圖1 熊蜂在有喙馬先蒿上進行蜂振傳粉，熊蜂訪花的咬合點正是振動能量傳遞的最優激勵點；同時只有在馬先蒿喙長與訪花熊蜂體長相匹配時，兩者共振促進花粉高效釋放。

自達爾文以來，植物的花部結構、花色、花氣味和花蜜等與傳粉者行為的相關研究取得了長足進展，但是花的力學特征與傳粉者的關系研究整體仍處于探索階段，尤其是復雜環境中的多因素交互作用、跨物種普適性規律亟待深入研究。蜂振傳粉是傳粉者通過身體產生高頻振動使被包裹在花冠特殊結構的花粉得以釋放的一種特殊傳粉方式，在自然界中廣泛存在。據估計，約有74個屬的蜂類訪花時使用振動，發出“嗡嗡聲”與植物協奏“二重曲”。有超過2萬種開花植物依賴蜂振傳粉，包括番茄、辣椒和藍莓等經濟作物。

蜂振傳粉中最奇特的花出現在馬先蒿植物中，其花冠二唇形，上唇特化為“盔”，花藥隱藏在盔中。許多馬先蒿的盔具有獨特的“喙”狀結構（圖2），一些種類的“喙”彎曲伸長，貌似大象鼻子，被稱為“象鼻花”。在中國西南山地，馬先蒿多個物種共存、同期開花并共享傳粉昆蟲熊蜂，但種間雜交卻較少發生。由于蜂振傳粉涉及復雜的生物力學過程，當熊蜂振動時，花如何精準釋放花粉？這種獨特的傳粉互作背后的驅動機制是什么？目前仍知之甚少。

圖2 馬先蒿花結構及其形態多樣性

為了研究花與蜂類之間的奇妙互動，研究團隊開展了跨學科交叉研究。首先，利用多視角攝像系統記錄熊蜂訪問馬先蒿花的全過程，觀察到熊蜂選擇花喙的基部特定位置咬合并振動收集花粉（圖3）。

圖3 熊蜂在馬先蒿花上蜂振式傳粉的行為和咬合點示意

通過非破壞性的3D顯微CT成像技術（已獲得發明專利1項）和原子力顯微鏡量化了花冠結構與材料參數，構建了馬先蒿花的三維有限元模型。然后結合有限元計算模擬和振動力學實驗分析，首次發現熊蜂訪花的咬合點正是振動能量傳遞的最優激勵點，即花與蜂共振“關鍵點”（見圖4），能促進花粉高效釋放。

圖4 有限元分析不同激振點（咬合點）對花振動響應的影響

同時只有在馬先蒿喙長與訪花熊蜂體長相匹配，熊蜂才能在最佳咬合時將其腹部對準“象鼻花”尖端有效采集花粉和授粉。個體水平的傳粉網絡分析證實，馬先蒿喙長與熊蜂體長存在顯著的尺寸匹配（圖5），并且這種精巧匹配在物種和個體層面均存在。這解釋了為什么同域分布同期開花的馬先蒿之間在共享傳粉熊蜂種類的前提下仍然很少雜交，它們并不共享熊蜂個體。

圖5 傳粉熊蜂與馬先蒿花性狀互作的量化分析

文章的第一作者、中國科學院昆明植物研究所博士生徐苑卿說：“研究中最嚴峻的挑戰是將生物力學與傳粉生態學結合起來，因為蜂振授粉涉及復雜的振動力學問題。為此，我們通過跨學科合作成功搭建了一個結合振動力學、昆蟲行為和生態網絡的多維研究框架?！?/p>

“令人著迷的是，每種馬先蒿自身的生物力學屬性避免了異種花粉干擾”文章的合作者美國密蘇里植物園資深傳粉生態學家Peter Bernhardt 教授說：“這些花朵告訴蜜蜂在振動之前要找準位置”。

這項研究揭示了蜂振傳粉中的振動耦合機制，并強調了花的生物力學特性在傳粉互作中的關鍵作用，為傳粉互作如何影響物種多樣化提供了新認識。鑒于蜂振傳粉在被子植物中的普遍性以及在經濟作物中的重要性，研究將為生態保護和現代農業授粉管理提供科學支撐。

研究團隊將此論文致敬已故的Walter A. Macior教授（1936-2007），一位著名的美國傳粉生態學家，對馬先蒿傳粉生態學研究做出了杰出貢獻，并將這些獨特植物稱為“象鼻花”。該文的通訊作者、昆明植物研究所王紅研究員說：“從馬先蒿與熊蜂的傳粉互作關系中，我們不僅讀到了生命的智慧，同時感受到了科學精神跨越世代的共鳴。”

來源: 《中國科學》雜志社