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        “高山巨人”——塔黃

        2023-04-02 22:54:09宋波
        大自然探索 2023年4期
        關鍵詞:植物生長

        “高山上的寶塔”

        前一段時間,網絡平臺上流傳著一個信息:“喜馬拉雅帝王花最近開了,這種植物400年才開一次花,見到它開花的人將會幸運無比!”信息中還配有一張耀眼奪目的植物圖片。那么,這是什么植物?真有如此神奇?

        其實,網絡上流傳的這種“神奇”的高山植物就是蓼科大黃屬的塔黃(Rheum nobile),主要分布在喜馬拉雅山南麓、藏東南、云南西北部和四川西部橫斷山地區(qū)海拔3800~5000米的高山流石灘。

        由于高山地區(qū)環(huán)境惡劣,生長在這里的植物普遍矮小。圖為高山上的墊狀植物

        未開花的塔黃。有點像大白菜

        1855年,達爾文的朋友、后來成為英國皇家植物園主任的虎克(J.D. Hooker)首次在錫金(現為印度錫金邦)發(fā)現并向世人介紹了塔黃。由于高山地區(qū)環(huán)境惡劣,受氣溫低且晝夜溫差大、紫外線輻射強、風大、土壤貧瘠,以及生長季短等不利因素的限制,生長在這里的植物普遍矮小,甚至貼地生長成墊狀。然而,就是在這樣的環(huán)境下,平時外表像一棵大白菜一樣毫不起眼的塔黃,在開花的時候卻會長出高達1.5~2米的花序,成為高山冰緣帶最高的草本植物。加上外面層層包裹的乳黃色苞片,它在空曠的流石灘上顯得格外醒目,遠遠望去,就像一座金色的寶塔,故名“塔黃”。而它的藏語名意思是“高山上的寶塔”,似乎更為直觀、形象。

        守護在流石灘上的塔黃

        真是400年才開花嗎?

        由于塔黃具有獨特的形態(tài),自19世紀中葉以來它倍受廣大植物學家、生態(tài)學家以及攝影愛好者的關注。特別是圍繞塔黃“開花時為何發(fā)育如此絢麗的苞片”這一問題,科學家開展了一系列的研究工作。然而,由于高山地區(qū)環(huán)境惡劣、交通不便,要長期跟蹤、觀測塔黃的生長與發(fā)育情況實屬不易。因此,塔黃究竟要多少年才會開花,一直是一個未解之謎。

        最近,得益于西藏地區(qū)交通條件的改善以及一些新的研究手段和分析方法的使用,使得探討塔黃的開花生物學特征成為可能。我們課題組進行了為期4年的跟蹤調查,通過在野外原生境標記700多棵大小不同的植株,記錄每棵植株的存活、大小和是否開花等指標,利用整合模型進行分析后發(fā)現:塔黃需要經過平均33.5年的生長才能開花,而最長需要46年。一旦開花,塔黃會產生上萬朵小花,通過與一種吃種子的蕈蚊通力合作,實現高效傳粉,最終發(fā)育形成上萬粒種子。

        如前所述,塔黃生長的環(huán)境異常惡劣,植物生長緩慢,必然需要經過長期的營養(yǎng)生長才能積累足夠多的資源,以供這么多的種子發(fā)育。因此,塔黃需要經歷數十年的生長才開花也就不足為怪了!有趣的是,塔黃在開花當年,種子成熟后就會死去,就像竹子一樣,是典型的多年生單次結實植物。那么,在如此惡劣的冰緣帶環(huán)境里,塔黃又是如何完成它傳宗接代的任務的呢?

        科研人員跟蹤標記的塔黃

        遲眼蕈蚊與塔黃的合作

        通過跟蹤研究,科學家發(fā)現:塔黃經過多年的生長,一旦開花,遲眼蕈蚊的雌蟲和雄蟲就來到苞片的外面進行交配。完成交配后的雌蟲會進入苞片內開始訪花,在不同的花之間爬行,尋找適合產卵的小花并取食花粉。一旦找到合適的小花,雌蟲便將卵產在小花的子房內。在此過程中,大量花粉粘到昆蟲身體的各個部位,從而將花粉傳遞到這些小花的柱頭上,實現傳粉。傳粉完成后,子房內的胚珠開始發(fā)育成為種子,而子房內的昆蟲卵則進入一種“休眠”狀態(tài)。

        9月初,種子開始成熟。此時,子房內的卵開始孵化成為幼蟲,并以成熟的種子為食以完成發(fā)育。幼蟲最先吃靠近果梗部分的種子,待吃光種子后便在果實的頂端咬出一個洞,爬出果實,鉆到枯落的葉片或巖石下面化成蛹,越冬。

        來年的6月初,當塔黃開始開花時,這些蛹又羽化為成蟲開始訪花,進入下一個世代的循環(huán)。因此,塔黃通過與傳粉遲眼蕈蚊合作——“你為我傳粉,我為你育兒”,在環(huán)境極其惡劣的高山冰緣帶實現了較高的傳粉成功率。

        塔黃開花時,雌、雄遲眼蕈蚊在苞片外面進行交配。完成交配后,雌蚊將進入苞片內開始訪花

        身上沾滿花粉的雌性遲眼蕈蚊正在尋找適合產卵的小花,以進行傳粉

        小知識·遲眼蕈蚊

        遲眼蕈蚊是雙翅目眼蕈蚊科的一種昆蟲,形小,似蚊,幼蟲呈乳白色,喜歡潮濕陰暗的環(huán)境。成蟲頭部復眼背面尖突,左右相連形成眼橋,僅極少數種分離。遲眼蕈蚊的適應能力很強,在炎熱的沙漠地帶和寒冷的極地都有分布。遲眼蕈蚊屬腐食性或植食性昆蟲,常大量群居為害植物地下部分及菌蕈,可以對食(藥)用菌及園林植物造成巨大危害,有時使之完全毀損。

        什么時候開花呢?

        一般來說,植物生長的時間越長,積累的資源就越多。既然塔黃一生只開一次花,那么,塔黃為什么平均生長33.5年時開花,而不生長更長的時間,以積累更多的資源,產生更多且更“強壯”的后代(種子)后再開花呢?

        在塔黃的一生中,除了汲取營養(yǎng)進行生長外,還可能遭遇各種“不測”,如極端的干旱、生長環(huán)境內的巖石滑坡和被動物取食(如放牧)等。在這種情況下,為了增加營養(yǎng)積累而推遲繁殖時間所獲得的好處,可能被遭遇“不測”導致的死亡全部抵消;相反,如果為了避免“不測”而早早開花,又會由于資源積累不足,導致后代的數量和質量下降,機會成本增加。因此,通過長期的進化選擇與適應,平均33.5年或許是塔黃在目前所處環(huán)境中最優(yōu)的開花年齡。

        碩果累累的塔黃

        需要注意的是,由于塔黃的開花年齡在一定程度上受生長條件差異的影響,隨著環(huán)境條件的改變(如不同地點的氣候條件以及土壤肥力差異)可能導致不同地方的塔黃其最優(yōu)的開花年齡不同。此外,全球變暖導致的溫度上升、大氣氮沉降導致的土壤營養(yǎng)含量增加,以及放牧增加導致的干擾加劇等,是否會引起塔黃提前開花?如果開花年齡改變,又會給依賴塔黃生存與繁殖的其他植物或動物帶來什么樣的影響?目前,研究人員正在野外通過模擬各種條件,開展相關的研究工作,試圖回答這些有趣的問題。

        正在開花的塔黃和去年開花死亡后留下的“光桿”

        世界上真有400年才開花的植物嗎?

        許多植物在種子萌發(fā)的當年就會開花,如常見的很多瓜果類蔬菜(如四季豆、茄子和黃瓜等)。但有的植物卻需要長達上百年才會開花,例如被稱為安第斯皇后的鳳梨科草本植物巨粗莖鳳梨。這種植物目前只分布在南美洲秘魯和玻利維亞海拔3200~4800米的高山地區(qū),由于生長環(huán)境極其惡劣,需要生長80~100年甚至更長的時間,才能積累足夠多的資源,滿足高達12米的花序進行繁殖所需。

        另一類需要生長多年才會開花的植物,是我們常見的竹子。大多數竹子需要經過15~60年的生長才會開花,之后便會死去。而廣泛分布于我國黃河流域及其以南區(qū)域的桂竹,是目前已知的開花年齡最長的植物。據報道,桂竹最長需要生長120年才開花。

        科學家認為,像竹子這類植物的開花年齡長,主要是為了躲避動物(包括人類)對其種子的取食。如果時隔很久后突然大量開花結實,動物因其種群數量較低而“反應不及”,可使很大一部分種子避免被取食,植物繁殖成功概率更高。除了遺傳因素會導致竹子成批大量開花外,氣候因素(如高溫、干旱)在一定程度上也有誘導或促進開花的作用?;蛟S,隨著研究的深入,具有更長開花年齡的植物將會被發(fā)現,尤其是在一些被研究得很少的區(qū)域(如北極和極高海拔地區(qū))。

        開花的巨粗莖鳳梨

        作者簡介

        宋波 博士,中國科學院昆明植物研究所副研究員,碩士研究生導師,云南省中青年學術與技術帶頭人。主要從事高山植物多樣性及其進化適應機制的相關研究工作;主持國家自然科學基金、中科院人才項目、云南省自然科學基金等課題10余項。在New Phytologist和Annals of Botany等國內外重要刊物上發(fā)表論文30余篇。

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