有毒、有色花蜜特征研究進展

蘇睿　李平平　卿卓　董坤　梁鋮　張永紅　秦毅恒

（1云南省農業科學院蠶桑蜜蜂研究所，蒙自661101；2云南農業大學東方蜜蜂研究所，昆明650201）

有毒、有色花蜜特征研究進展

蘇睿1李平平1卿卓2董坤2梁鋮1張永紅1秦毅恒1

（1云南省農業科學院蠶桑蜜蜂研究所，蒙自661101；2云南農業大學東方蜜蜂研究所，昆明650201）

植物與訪花者協同進化的機制是當今傳粉生物學研究中最令人關注的領域之一。不同植物類群花蜜特征的廣泛變異為傳粉者功能群的分化提供了多種潛在的進化方向。有毒花蜜和有色花蜜與傳粉者的互作機理是闡明這2種特殊花蜜進化和生態上意義的關鍵。本文綜述了國內外有關有毒花蜜毒性成分和有色花蜜成色物質及其生態功能的最新研究進展，探討了有毒花蜜對植物繁殖適合度的貢獻以及毒性成分來源的分子機制，以期為今后研究有毒花蜜及有色花蜜與訪花者協同進化的生態機制提供一些思路。

傳粉者；有毒花蜜；有色花蜜；協同進化

花蜜是由植物蜜腺或者花外蜜腺分泌出來的一種含有多種復雜成分的糖溶液，是植物獎勵傳粉者為其授粉的一種食物報酬，以補償其傳粉過程中的能量消耗；同時花蜜也是植物與訪花者協同進化的橋梁［1］。花蜜一般都含有糖類、氨基酸、蛋白質、無機離子和脂類等，有些花蜜還含有生物堿、萜類、酚類等［2］。作為植物最重要的花部誘物之一，花蜜的顏色、溫度、口感、氣味、化學組成以及花蜜產量的特定組合構成了不同的花蜜特征。有研究表明，一些植物花蜜中的糖濃度及其比例會隨著花朵的發育存在很大差異［3］；熊蜂授粉的植物，花蜜中的糖類往往會被熊蜂攜帶的大量微生物所降解，甚至產生發酵氣味［4］。這暗示同一植物的花蜜化學組成，尤其是糖組分可能也存在時空變化。此外，構成單朵花的所有花蜜特征在不同種類甚至同種不同地理分布區域的植物類群中存在著廣泛的變異，這些變異也為傳粉者類群的潛在分化提供多種可能性。

有毒花蜜和有色花蜜的出現將這種變異推向了極致。花蜜一般具有近距離吸引傳粉者的功能，然而在自然界中有些植物的花蜜對部分訪花者有毒或具有驅避作用；有些花蜜因含有成色物質而呈現出不同的顏色。有色花蜜通過視覺信號與花部報酬的耦合過濾泛化的傳粉者［5-7］；而有毒花蜜通過產生次生化合物驅避食草動物或者泛化的傳粉者［8］。食草動物會破壞植物的花部構造從而降低植物對傳粉者的吸引力，而有毒花蜜中防御性的次生化合物對食草動物的驅避可能會增加植物的開花式樣和報酬，從而提高植物對傳粉者的吸引力。因而有毒花蜜既具有吸引傳粉者的功能又具有驅避食草動物的功能［8］。此外，通過空氣沉降或傳粉者攜帶而進入花蜜中并大量繁殖的微生物會酵解花蜜、改變花蜜的糖組分；盜蜜者（如熊蜂）和偷蜜者（如螞蟻）會掠奪花蜜但并不傳粉。傳粉者、食草動物、盜蜜者、偷蜜者、微生物以及地理環境等生態因子可以通過直接或間接影響植物的適合度而對其花蜜特征施加選擇壓力。已有的研究表明有毒花蜜可能是在盜蜜者、食草動物、傳粉者甚至微生物的多重選擇壓力下的一種折中進化的結果［8，9］。

盡管近年來，人們對有毒花蜜的化學生態學及傳粉生態學開展了大量研究，同時對有色花蜜的化學成分及其生態功能展開了部分研究工作。然而，目前人們對有毒花蜜的演化歷程、有毒花蜜中次生化合物2種來源途徑調控的分子機制、有毒花蜜對植物繁殖適合度的貢獻以及有色花蜜的生態功能等仍不清楚。本文綜述了國內外有關有毒花蜜毒性成分和有色花蜜成色物質及其生態功能的最新研究進展，以期為進一步開展該領域的研究提供一定的參考。

1　有毒花蜜

許多植物分泌的花蜜中因含有生物堿、酚類、萜類、皂苷等次生化合物或者一些罕見的糖類（如棉籽糖、水蘇糖、木糖、甘露糖和半乳糖等）而對訪花者有毒或有驅避作用，但含有次生化合物的花蜜并非都是有毒花蜜［8］。在低海拔熱帶地區，分泌含有次生代謝物質花蜜的植物更為常見［10］，而隨著緯度的增加，花蜜中有抗菌作用的酚類及生物堿會減少［8］。迄今為止，國內外至少有19科的29種植物分泌的花蜜為有毒花蜜。如我國常見的烏頭（Aconitum carmichaeli）、喜樹（Camptotheca acuminata）、狼毒（Stellera chamaejasme）、普通油茶（Camellica oleifera）、曼陀羅（Datura stramonium）和白頭翁（Pulsatilla chinensis）等［11］。國外常見的雞冠刺桐（Erythrina fusca豆科，驅避螞蟻）、金鉤吻（Gelsemium sempervirens，馬錢科）、山藜蘆（Veratrum californicum，百合科）、山月桂（Kalmia latifolia，杜鵑花科）和龍葵（Solanum nigrum，茄科）等［8］。

1.1有毒花蜜毒性成分來源

闡明有毒花蜜次生化合物的來源對于深入認識植物如何調控次生化合物的分泌、有毒花蜜的呈現形式及其系統發生至關重要。通過對蜜腺顯微形態和超微結構以及花內蜜腺泌蜜機理的大量研究，人們發現有毒花蜜中的次生化合物有些來源于韌皮部（如生物堿alkaloids、硫代葡萄糖苷glucosinolates、強心苷cardiac glycoside等）的被動擴散，有些為泌蜜過程中蜜腺組織對花蜜前體物質的修飾產物如萜類［12］。而花蜜的前體物質是經維管系統的一些細小分支轉運到蜜腺組織，然后再由蜜腺中的分泌細胞分泌出來［2，13，14］。從這點看，有毒花蜜的化學組成在一定程度上反映了植物韌皮部的化學組分。花蜜和韌皮部成分的差異可能是由于韌皮部汁液中的組分被選擇性的分泌到花蜜中或者植物對花蜜中的某些組分進行了選擇性重吸收［15］。事實上，截止目前幾乎沒有一種植物的花蜜與其韌皮部的化學成分完全一致。例如，花蜜中的生物堿可能與葉子和花瓣中的生物堿不同［8］，這表明花蜜中的某些生物堿可能不是通過韌皮部轉運的，而是蜜腺特定合成并分泌到花蜜中。植物對花蜜中不同次生化合物的這2種來源途徑的調控機制及其生態學意義是什么？有毒花蜜中同一種次生化合物的來源途徑在不同的植物類群中是否存在差異？值得探索。若有差異，那么同一種次生化合物在不同的植物類群中的演化歷程可能就不同。

1.2有毒花蜜對傳粉者訪花的影響

關于有毒花蜜對訪花者有毒或者具有驅避作用的報道最早可以追溯到20世紀30年代，研究人員發現山藜蘆（Veratrum californicum）花蜜對蜜蜂具有麻醉甚至致死效應［16］。盡管在20世紀人們就已經發現自然界中有很多植物分泌有毒花蜜，但只有個別報道鑒定了有毒花蜜中的毒性成分［8］。近年來，有關有毒花蜜的毒性成分鑒定及其對傳粉者訪花行為的影響開始受到植物生態學家的廣泛關注。

煙草（Nicotiana attenuata）花蜜中高濃度的尼古丁對其傳粉者（煙草天蛾和蜂鳥）具有吸引作用，尤其是蜂鳥，但會驅避其偷蜜者螞蟻（Solenopsis xyloni）；金鉤吻花蜜中的生物堿能引起意大利蜜蜂（Apis mellifera）中毒，與含有低濃度生物堿的花蜜相比，含有高濃度生物堿的花蜜降低了傳粉者的單花停留時間和盜蜜者的拜訪次數、降低了植物的雄性適合度［17］。然而又有報道稱，在缺乏同域開花植物的情況下鉤吻屬植物花蜜中高濃度的生物堿增加了蜜蜂訪花頻率和植物異花授粉概率，這暗示有毒花蜜可能增加了鉤吻屬植物的雄性適合度［18］。此外，趙廣印等［10］的研究表明喂酚糖漿（含有0.01%槲皮素30%蔗糖溶液）組的中華蜜蜂工蜂（Apis cerana）在一次采集過程中傾向拜訪花蜜中含糖量較高的植物，花蜜中酚類物質增加了群落中同花期植物之間的花粉傳播，從而降低整個群落的傳粉效率。Richardson等［19］報道花蜜中的次生代謝物（生物堿、萜類和環烯醚萜苷類）能顯著降低熊蜂（Bombus impatiens）感染熊蜂短膜蟲（Crithidia bombi）的概率，從而間接影響傳粉者的訪花。

盡管有毒花蜜往往會驅避食草動物甚至部分潛在的傳粉者，但一些試驗表明有毒花蜜沒有驅避蜜蜂且蜜蜂偏愛采集含有次生代謝物的花蜜［20，21］，這是由于蜜蜂體內的咽下腺蛋白能夠降解花蜜中的酚類，從而避免對自身的毒害作用；此外花蜜中的生物堿能改變熊蜂和蜜蜂等傳粉昆蟲的拜訪行為，包括縮短訪花時間和降低自交率［10］。從這點看，有毒花蜜似乎是有益的，然而更多的試驗表明有毒花蜜不利于植物的繁殖［8，17，22］。綜上所述，迄今還沒有直接的實驗證據能證明有毒花蜜具有“凈”適合度優勢。目前，人們認為有毒花蜜可能是植物權衡傳粉昆蟲和其他有害生物的一種折中進化的結果［22］。

2　有色花蜜

2.1有色花蜜的地理分布

植物分泌的花蜜通常是無色的，是因為花蜜中的營養物質和次生代謝物大多是無色的。但近年來發現自然界中至少有68種植物（涉及15科20屬）的花蜜為有色花蜜［23］，這些花蜜呈現出紅色、黃色、琥珀色、棕色、黑色等多種不同的顏色，其中絕大多數分泌有色花蜜的植物分布于南半球熱帶和亞熱帶地區，如分別分布于南非、夏威夷群島和南美洲的蘆薈屬（Aloe）、石竹科（Caryophyllaceae）和茄科（Solanaceae）等植物［24，25］。

2.2有色花蜜成色物質及其生態功能

有色花蜜中的成色物質通常為色素類化合物和酚類物質。此外，多數有色花蜜為己糖占優勢的花蜜，這可能是植物對其泛化傳粉鳥類的一種適應，因為食蜜鳥類通常缺乏消化蔗糖的酶，只能利用簡單的己糖［26］。針對有色花蜜的生態功能，目前人們提出了幾種假說：抑菌、驅避盜蜜者、作為傳粉者評估花部報酬的誠實信號或者僅僅是植物其他花部特征演化過程中的一個副產物，如防御食草動物［5，27］。

盡管1785年希臘詩人就首次描述了有色花蜜的存在，但目前多數有色花蜜中的成色物質及其生態功能仍尚不清楚。僅有個別報道鑒定了有色花蜜中的成色物質并對其生態功能進行了研究。Olesen等［28］報道了毛里求斯特有瀕危植物Nesocodon mauritianus分泌的花蜜中含有一種熱敏橙酮從而使花蜜呈現血紅色。隨后Hansen等［29］通過飼喂試驗證明毛里求斯特有的梧桐科2種有色花蜜（Trochetia blackburniana黃色花蜜、T. boutoniana紅色花蜜）的生態功能，結果表明：這2種有色花蜜分別是其傳粉者藍尾日行守宮（Phelsuma cepediana）和花斑日行守宮（P.ornata）的一種誠實的視覺信號。有趣的是，這2種壁虎在人造假花白色花朵里對紅色花蜜具有絕對偏好，然而在紅色花朵里對紅色花蜜沒有偏好，這表明花瓣和花蜜的顏色反差對傳粉者的選擇偏好至關重要［30］。

最近，研究人員分離鑒定喜馬拉雅山深棕色米團花（Leucosceptrum canum）花蜜中的主要成色物質2，5-di-（N-（-）-脯氨酰基）-對苯醌（DPBQ），并發現DPBQ在不同的開花階段定期合成與分泌，但其濃度隨開花時間、花蜜pH值及花蜜被移出而逐漸降至很低，同時米團花凋謝時其花蜜也相應的從深棕色變為紫色［23］；進一步的行為學試驗表明，DPBQ的主要功能是作為有色引誘劑吸引潛在的鳥類傳粉者［23］。另外，Zhang等［6］報道深紫色米團花花蜜中的主要成色物質為一種紫色花青素（5-hydroxyflavylium），同時米團花通過調控其不同發育階段花蜜體積和顏色的變化，為其主要傳粉者藍翅希鹛（Minla cyanouroptera）和灰腹繡眼鳥（Zosterops palpebrosa）提供采集信號，有效提高了鳥類傳粉效率。

南非深褐色蘆薈花蜜（Aloe vryheidensis）中的酚類會驅避其盜蜜者（蜜蜂和太陽鳥Chalcomitra amethystine），但不會驅避其有效傳粉者繡眼鳥（Zosterops pallidus）和非洲羽須鵯（Pycnonotus tricolor）［5］。這暗示有色花蜜具有驅避盜蜜者的功能，然而毛里求斯血紅色花蜜植物N.mauritianus卻被頻繁盜蜜［28］。盡管目前已有試驗性證據表明有色花蜜是傳粉者的誠實信號并提高了傳粉者的傳粉效率和植物異交率。然而，植物也可能為這種誠實信號付出了昂貴的代價，因為一旦花蜜被傳粉者全部移走，就不會有傳粉者拜訪直到植物再次分泌出花蜜［7］。總之，未來還需要做大量的野外試驗來證明有色花蜜的生態功能，尤其是有色花蜜的抑菌和驅避盜者功能。此外，有色花蜜是否會給植物帶來“凈”適合度優勢，值得探索。

3　展望

盡管近年來，人們對有毒花蜜中次生化合物的來源有較為深入的認識，但目前國內外基于分子水平上對有毒花蜜毒性成分來源及其生態學意義的研究幾乎沒有。篩選編碼、調控有毒花蜜中次生化合物生物合成的基因對于闡明有毒花蜜毒性成分來源的分子機制至關重要，而弄清植物如何調控有毒花蜜中的毒性成分對于深入認識有毒花蜜出現的生態背景及其演化歷程具有重要意義。利用分子手段研究有毒花蜜與傳粉者協同進化的機制必然成為今后的發展趨勢。然而，目前人們對有毒花蜜中次生代謝物是在哪個部位合成、受哪個基因調控等分子事件仍然知之甚少，同時對蜜腺合成的一些次生代謝物在傳粉生物學方面的生態意義及其對植物適合度的影響仍不太清楚。因此，有毒花蜜化學未來的研究需要將分子技術和傳粉生態學結合起來，進一步揭示植物調控有毒花蜜形成的分子機理并最終闡明有毒花蜜的演化歷程及其生態適應機制。

同樣對有色花蜜化學及其生態功能的研究，可以為我們今后深入探討花蜜生化、傳粉生物學以及植物和動物協同進化的關系提供一個新的視角。目前人們對有色花蜜的研究僅僅停留在物種水平上，而尚未開展群落水平上的研究工作。今后，關于有色花蜜的研究需要關注以下幾點：（1）開展不同地理分布區域種群水平上有色花蜜中成色物質的化學生態學研究，建立花朵和花蜜顏色的反射光譜與傳粉者視覺感知空間的關系；（2）在群落水平上檢驗關于有色花蜜生態功能的假說，尤其是抑菌假說，目前尚沒有直接的試驗數據支持；（3）檢測有色花蜜對植物繁殖成功（即坐果率和結籽率）的貢獻。

［1］陳高，張蕊蕊，董坤，等.常春油麻藤有氣味花蜜及其生態功能［J］.生物多樣性，2012，20（3）：360-367.

［2］Heil M.Nectar：generation，regulation and ecological functions［J］.Trends Plant Sci，2011，16：191-200.

［3］Corbet SA.Nectar sugar content：estimating standing crop and secretion rate in the field［J］.Apidologie，2003，34（1）：1-10.

［4］Herrera CM，Garcia IM，Perez R.Invisible floral larcenies：microbial communities degrade floral nectar of bumble bee-pollinated plants［J］.Ecology，2008，89：2369-2376.

［5］Johnson SD，Hargreaves AL，Brown M.Dark bitter-tasting nectar functions as a filter of flower visitors in a bird-pollinated plant［J］.Ecology，2006，87：2709-2716.

［6］Zhang FP，Cai XH，Wang H，et al.Dark purple nectar as a foraging signal in a bird-pollinated Himalayan plant［J］.New Phytol，2012，193（1）：188-195.

［7］Zhang FP，Larson-Rabin Z，Li DZ，et al.Colored nectar as an honest signal in plant-animal interactions［J］.Plant Signal Behav，2012，7（7）：811-812.

［8］Adler LS.The ecological significance of toxic nectar［J］.Oikos，2000，91：409-420.

［9］Fenster CB，Armbruster WS，Wilson P，et al.Pollination syndromes and floral specialization［J］.Annu Rev Ecol Evol Syst，35（35）：375-403.

［10］趙廣印，李建軍，高潔.花蜜中酚類物質對群落中同花期植物傳粉的影響［J］.生態學報，2013，33（1）：89-96.

［11］董霞主編.蜜粉源植物學.北京：中國農業出版社，2009，156-157，159-160，163.

［12］卿卓，蘇睿，董坤，等.花蜜化學成分及其生態功能研究進展［J］.生態學雜志，2014，33（3）：825-836.

［13］Vassilyev AE.On the mechanisms of nectar secretion：revisited［J］.Ann Bot，2010，105（3）：349-354.

［14］Nepi M，Stpiczynska M.The complexity of nectar：secretion and resorption dynamically regulate nectar features［J］.Naturwissenschaften，2008，95：177-184.

［15］Barrera EDL，Nobel PS.Nectar：properties，floral aspects，and speculations on origin［J］.Trends Plant Sci，2004，9（2）：65-69.

［16］Vansell GH，Watkins WG.A plant poisonous to adult bees［J］. J Econ Entomol，1933，26：168-170.

［17］Kessler D，Baldwin I.Making sense of nectar scents：the effects of nectar secondary metabolites on floral visitors of Nicotiana attenuata［J］.The plant journal，2006，49（5）：840-854.

［18］Irwin RE，Adler LS.Nectar secondary compounds affect selfpollen transfer：Implications for female and male reproduction［J］.E-cology，2008，89：2207-2217.

［19］Richardson LL，Adler LS，Leonard AS，et al.Secondary metabolites in floral nectar reduce parasite infections in bumblebees［J］.P Roy Soc B Biol Sci，2015，282：1-8.

［20］Singaravelan N，NeeMan G，Inbar M，et al.Feeding responses of free-flying honeybees to secondary compounds mimicking floral nectars［J］.J Chem Ecol，2005，31（12）：2791-2804.

［21］Liu F，Chen J，Chai J，et al.Adaptive functions of defensive plant phenolics and a non-linear bee response to nectar components［J］.Funct Ecol，2007，21（1）：96-100.

［22］Adler LS，Irwin RE.Ecological costs and benefits of defenses in nectar［J］.Ecology，2005，86：2968-2978.

［23］Luo SH，Liu Y，Hua J，et al.Unique proline-benzoquinone pigment from the colored nectar of"bird's Coca cola tree"functions in bird attractions［J］.Organic Letters，2012，14（16）：4146-4149.

［24］Weller SG，Sakai AK，Thai DA，et al.Inbreeding depression and heterosis in populations of Schiedea viscosa，a highly selfing species［J］.J Evol Biol，2005，18：1434-1444.

［25］Hansen DM，Olesen JM，Mione T，et al.Coloured nectar：distribution，ecology，and evolution of an enigmatic floral trait［J］.Biol Rev Camb Philos Soc，2007，82（1）：83-111.

［26］Anderson SH.The relative importance of birds and insects as pollinators of the New Zealand floral［J］.New Zeal J Ecol，2003，27：83-94.

［27］Pichersky E，Gershenzon J.The formation and function of plant volatiles：perfumes for pollinator attraction and defense［J］.Curr Opin Plant Biol，2002，5（3）：237-243.

［28］Olesen JM，Ronsted N，Tolderlund U，et al.Mauritian red nectar remains a mystery［J］.Nature，1998，393：529.

［29］Hansen DM，Beer K，Müller KB.Mauritian coloured nectar no longer a mystery：a visual signal for lizard pollinators［J］.Biol Lett，2006，2（2）：165-168.

［30］Schmidt V，Schaefer HM，Winkler H.Conspicuousness，not colour as foraging cue in plant-animal signalling［J］.Oikos，2004，106：551-557.

Research progress on toxic or colored nectar traits

Su Rui1Li Pingping1Qing Zhuo2Dong Kun2Liang Cheng1Zhang Yonghong1Qin Yiheng1
（1 Institute of Sericulture and Apiculture，Yunnan Academy of Agriculture Sciences，Mengzi 661101，Yunnan，China；2 Eastern Bee Research Institute，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

The mechanisms of the co-evolution of plants and their visitors have become one of the most promising and noteworthy areas among the recent pollination biology studies.A wide range of variation in nectar traits has occurred among various plant groups，consequently the expansive evolution for pollinator functional group.It is a key to clarify the evolutionarily and ecological significance of toxic or colored nectar that the mechanisms underlying interaction between the two kinds of special nectar and pollinator，respectively.This paper reviews the resent research progress on poisonous components responsible for toxic nectar and present-color ingredient of colored nectar and their ecological functions.We further discussed that the underlying molecular mechanism of the occurrence of toxic nectar and the net contribution of toxic nectar on plant reproductive fitness.By understanding those nectar characteristic above mentioned，we hope to provide some ideas in the further research on the co-evolution mechanism of pollinators and toxic or colored nectar.

pollinators，toxic nectarn，colored nectar，co-evolution

云南省蠶桑蜜蜂研究所青年創新基金（QC2014002）；國家自然科學基金（31460577）

蘇睿，研究實習員，主要研究方向植物花蜜化學。E-mail：surui13572630023@163.com

董坤，E-mail：dongkun19722004@aliyun.com