花蜜微生物及其生態功能研究進展

荀二娜,趙驥民,郭繼勛, 張彥文, 3,*

1 東北師范大學草地研究所, 長春 130024 2 長春師范大學生物系, 長春 130032 3 遼東學院農學院, 丹東 118003

花蜜微生物及其生態功能研究進展

荀二娜1, 2,趙驥民2,郭繼勛1, 張彥文1, 2, 3,*

1 東北師范大學草地研究所, 長春 130024 2 長春師范大學生物系, 長春 130032 3 遼東學院農學院, 丹東 118003

花蜜是蟲媒植物提供給傳粉者最有效的報酬,對花蜜特征介導的植物-傳粉者相互關系的研究已成為當今傳粉生物學研究中最活躍的領域之一。開花植物分泌的原始花蜜是無菌的,不過一些微生物可經由空氣傳播至花蜜或(和)通過與傳粉者的喙接觸而聚集于花蜜中,并利用花蜜中的營養物質進行快速繁殖?；鄣母邼B透壓環境導致花蜜中微生物(酵母菌,細菌)的物種多樣性相對較低。 此外,某些生物(傳粉者組成,微生物間的競爭)與非生物因素(滲透壓,糖組成,次生代謝物質,抗菌化合物,可利用氮源,溫度,pH)也可影響花蜜中微生物群落的形成?；壑形⑸锏拇x活動能夠改變花蜜物理(溫度,粘度)與化學(pH,H2O2含量,糖組成和濃度,氨基酸組分和濃度，以及氣味)特性,進而影響傳粉者的訪花行為與植物的繁殖適合度。因而,對花蜜中微生物及其生態功能的研究近年來頗受傳粉生物學家的關注。在總結已發表研究成果的基礎上,提出今后的研究有必要結合分子生物學與化學分析技術,以進一步揭示影響花蜜中微生物群落的潛在因素的作用機制,同時對花蜜微生物改變花蜜的物理、化學特性及植物-傳粉者之間相互作用的可能原因進行更詳盡的闡釋,特別是對花蜜微生物在生態系統中所發揮的生態功能進行進一步的研究與認識。

花蜜微生物；花蜜特征；傳粉者行為；植物繁殖適合度

生物系統是基于自然界中的各物種間的相互作用網絡,而物種間的相互作用通常由建立這一作用關系的物種的特征來介導[1]。為更充分地了解生態群落的結構與動態,研究者們一直以來主要研究不同物種間的兩兩相互作用。不過,作為群落的成員,不同物種必須同時直接或間接地融入群落中的正、負相互作用中。因此,如果研究者僅研究物種間兩兩相互作用,就可能會因為忽略了由物種個體多少或(和)物種特征間接介導的相互作用而限制了對物種及群落動態的全面研究[1- 2]。特征間接介導的相互作用表現為由于第三物種的介入改變了一方物種的某些特征(包括行為特征、生長發育特征、形態特征或生理特征的可塑性響應)而使這一物種對另一方物種的作用發生了相應變化[3]。

植物與自然界中的其它物種間普遍存在著敵對與互惠等多種相互作用,而這些由其它物種共享的宿主植物的特征來介導的相互作用會增強植物特征的可塑性響應,進而改變植物-動物的相互作用[4],使特征間接介導的相互作用在不同植物群落中普遍存在。以植物-傳粉者互惠相互作用為例, 植物能否成功吸引傳粉者為其傳粉通常受花部特征的影響,而植物花部特征的改變部分取決于敵對者(食葉者,食花者及盜蜜者等)的存在與否以及敵對者的活動[5- 7]。食葉者的存在與活動不僅會影響植物的花部“廣告”特征,如花大小[5,8]和花氣味[9],而且可能會改變傳粉者可利用的花部報酬的數量、質量及化學特征[10-11]。由此可見,在開花植物-傳粉者的雙向互惠作用系統中,由于第三方參與而改變植物花部“廣告”及花部報酬的現象可能對傳粉者的覓食行為及植物適合度起到舉足輕重的作用。

花蜜是開花植物的蜜腺分泌的富含糖類和氨基酸等營養成分的汁液,被視為介導植物-傳粉者相互作用的最重要能量資源,也是易受第三方參與而發生改變的介導植物-傳粉者雙向互惠作用的重要特征之一[12]。不過,花蜜可能會吸引一些肉眼可見或不可見的利用花蜜作為能源物質的非傳粉者與合法訪花者進行競爭[7,13-14]?；壑懈缓穷惖葼I養成分,因而有利于微生物(如酵母菌、細菌)的生長與繁殖。無論早期[15- 17]還是近10年[14,18- 22]微生物學家及傳粉生物學家對花蜜的研究都表明,微生物在不同植物的花蜜中普遍存在,且酵母菌密度與細菌密度分別可高達106個/mm3[23]和103CFUs /mm3[21]。不過,由于花蜜中含有較高濃度的糖(高滲透壓)及次級化合物與蛋白質等抗菌成分,所以出現在花蜜中的微生物的物種多樣性一般較低[24]。近年來,隨著一些生態學家對花蜜微生物的進一步研究發現,某些接種到花蜜中的細菌和酵母菌能夠改變花蜜的部分化學組成,進而影響某些傳粉者(蜜蜂,熊蜂,螞蟻及蜂鳥)的訪花行為以及植物的有性繁殖[18,25- 28]。盡管長期以來,國內外的研究者對不同植物花蜜中的微生物進行了調查,并對影響花蜜中微生物多樣性及豐度的潛在因素進行了分析[19-20,22-23,29-30],同時也在不斷研究花蜜中微生物對花蜜特征,昆蟲訪花行為及植物-傳粉者相互作用的影響機制[18,23,26- 28],但對于影響花蜜中微生物群落形成的潛在因素以及植物-花蜜微生物-傳粉者之間的相互作用機制的研究仍處于探索階段,至今還沒有總結出具有說服力的通用性的結論[31]。

本文結合近年來有關花蜜微生物的相關研究,將國內外對花蜜微生物多樣性,花蜜微生物對花蜜特征、訪花者行為及植物繁殖適合度的潛在影響進行了綜述,主要探討了以下4個方面的問題：1)花蜜中主要微生物的種類；2)影響花蜜中微生物群落的潛在因素；3)花蜜中微生物(酵母菌和細菌)對花蜜物理、化學特征的影響；4)花蜜中微生物對傳粉者行為及開花植物繁殖適合度的影響。本綜述主要針對花蜜中普遍存在的酵母菌和細菌兩類微生物進行了討論。

1 花蜜中的主要微生物

早在19世紀后期,微生物學家已發現微生物在植物花蜜中普遍存在[15- 17,32]。不過,直到20世紀70年代,隨著傳粉生物學領域對花蜜的深入研究,花蜜中的微生物才引起了傳粉生物學家的關注[12,33-34]。Baker夫婦[12]指出“能夠在一些暴露了一段時間的花蜜中發現耐高滲酵母和某些細菌”,并且Kevan等[33]曾報道“酵母在花蜜中的存在是眾所周知的”。特別是最近10年,花蜜中微生物的群落結構及其生態功能已正在逐漸得到較詳盡的探討[18,25- 28,35-36]。

通常情況下,開花植物分泌的原始花蜜是無菌的[18,37],不過某些微生物(主要是酵母菌和細菌)可經由空氣傳播至花蜜中或(和)通過與傳粉者(蜂,鳥及螞蟻等)的喙接觸而聚集于花蜜中,并利用花蜜中的營養物質進行快速繁殖[18,23,26,38- 51]。目前為止,研究者已自毛茛科、唇形科、夾竹桃科、馬錢科、薔薇科、蕓香科、茄科、爵床科、石竹科、鳶尾科及蘭科等植物的花蜜中分離并培養出了酵母菌和細菌[14,20-21,35,42]。

1.1 花蜜中的酵母菌

微生物學家對存在于植物花蜜中酵母菌的研究始于19世紀后期[32],后續的研究主要著重于花蜜中酵母菌的分布[16]、個體生態學[17]及生理特征[43]等。已發表的研究發現植物花蜜中的酵母菌發生率相對較高[16,23,38,44- 56]。Jimbo[16]在調查日本地區23種植物(14科)花蜜中的酵母菌分布時發現所采花蜜樣品(273朵花)中酵母菌的發生率為44%,并且對每種植物來說,花蜜中酵母菌的發生率介于0%—100%,平均發生率約為為47%。在調查印度西北部的9種栽培植物花蜜中的酵母菌分布時,Sandhu和Waraich[44]發現花蜜中酵母菌的發生率在39.5%—92.1%之間,平均發生率為67.8%。通過調查生長于南非森林與草地的40種植物(18科)花蜜中的酵母菌,de Vega等[38]統計得出單個植株(316株)及花蜜樣品(635朵花)中酵母菌的發生率分別為51.3%和43.2%。Herrera等[23]對西班牙西南部103種植物及墨西哥尤卡坦半島37種植物的花蜜酵母菌發生率進行了調查,結果發現西班牙西南部植物的花蜜酵母菌發生率為32%(740朵花),而尤卡坦半島植物的酵母菌發生率甚至高達54.4%(675朵花)。Pozo[45]對西班牙南部105種植物(25科)花蜜中酵母菌的分布模式進行了長達3年(2008—2010)的調查,結果發現花蜜樣品中酵母菌的發生率為39.8%(2300朵花),物種水平酵母菌的平均發生率為37.4%(105種)。Mittelbach等[46]調查了康加那利群島上鳥媒植物花蜜中酵母菌的組成,發現38%的花蜜樣品中(480朵花)存在可培養的酵母菌。由此可見,不同地區植物花蜜中酵母菌的平均發生率較高(30%—70%)。

此外,已發表的研究還表明花蜜中酵母菌密度通常較大,可高達105—106個/mm3, 平均密度(103—104個/mm3)在大多植物花蜜中常見[22-23,38-39]。然而,花蜜中酵母菌的物種多樣性通常較低[23,35,39,42,47-48],一般每一花蜜樣品中平均含1.2種酵母菌[51],主要隸屬于子囊菌門(Ascomycota)和擔子菌門(Basidiomycota)。其中隸屬于子囊菌門中的梅奇酵母科(Metschnikowiaceae)的海洋酵母(Metschnikowiareukaufii及Metschnikowiagruessi)在所研究過的植物花蜜中最為常見,以至于人們認為嗜高滲子囊菌是植物花蜜中的主導酵母菌,而出現在花蜜中的擔子菌門酵母菌是由于花蜜受到植物其它部位(如葉表面)的感染所致[18]。不過,最近的一篇報道[46]發現對于康加那利群島上鳥媒植物花蜜中存在的酵母菌而言,子囊菌門的酵母菌通常易出現在蔗糖主導的花蜜中,而低濃度的己糖主導花蜜則利于擔子菌門酵母菌在此種花蜜中的孕育。此外,隸屬于子囊菌門的假絲酵母屬(Candida)與隸屬于擔子菌門的紅酵母屬(Rhodoturula)、隱球菌屬(Cryptococcus)及擲孢酵母屬(Sporobolomyces)的酵母菌在植物花蜜中也常常出現,不過發生率相對較低[31]。隸屬于這些屬的大多數酵母菌物種通常在花中出現,且并非為花蜜特有種,因而被認為可能是通過與花冠或訪花昆蟲接觸而侵入到花蜜中[40]。

盡管花蜜中酵母菌的密度與多樣性受到了研究者的普遍關注,但花蜜中酵母菌的時空分布更是近年來微生物學家與傳粉生態學家關注的焦點[22,49- 51]?？紤]到花蜜中酵母菌的空間分布模式,已發表的研究發現同種植物花蜜中酵母菌的發生率、密度及物種多樣性在不同地區[23]、同一地區不同居群間[22,50-51]、同一居群不同植株間[22,45,51]、同一植株的不同花間[45,49,51]及同朵花的不同蜜腺間[45,51]存在不同程度的差異。此外,已發表的研究還表明同一地點的不同物種間的酵母菌發生率、密度及多樣性也存在差異,并且這種差異很可能是因為訪花者的不同引起的[22-23]。而就花蜜中酵母菌的時間分布而言,研究表明同種植物花蜜中酵母菌的發生率、密度及多樣性在不同年際[22,45,51]、不同開花時期[18,45]及不同性期[14]均存在不同程度的差異。Pozo[45]對生長于西班牙東南部的一種冬季開花的鐵筷子屬植物(Helleborusfoetidus)花蜜中的酵母菌進行了連續2a(2008—2009)的調查研究,發現花蜜中酵母菌的發生率及密度在不同居群(海拔高度不同)間的差異很大,但花蜜酵母菌在不同居群間的分布隨海拔高度的變化不存在一致的分布模式。此外,他還發現花蜜酵母菌密度在同一居群的不同植株間不存在統計學上的顯著差異,但在植株以下水平(同一植株不同花間及同一朵花不同蜜腺間)有顯著差異。在調查的2年內,花蜜中酵母菌的發生率(2008: 45%; 2009: 75% )及密度(2008: 4×104個/mm3; 2009: 2×105個/mm3)差異很大,且花蜜中酵母菌的發生率與密度與采集日期顯著相關。而對生長于德國的該種植物花蜜酵母菌的調查發現,花蜜酵母菌的發生率在早花期(4%)與盛花期(11%)不同[18]。同時Herrera等[14]發現Helleborusfoetidus花蜜中酵母菌發生率在雌期(60%)、雌雄期和雄期(100%)不同。對于花蜜中酵母菌在Helleborusfoetidus中的空間與時間分布模式差異,Pozo等[51]認為很可能是由傳粉者組成及活動引起的。

1.2 花蜜中的細菌

除酵母菌外,細菌也是花蜜中比較常見的微生物[31,52]。研究表明,花蜜中細菌的發生率也相對較高,比如,地中海及南非地區植物花蜜中細菌的調查結果顯示花蜜中細菌的發生率為20%—80%[20,36]。lvarez-Pérez等[20]對南非地區27種植物(12科)花蜜中細菌的調查結果顯示,花蜜樣品(71朵花)中細菌的發生率為53.5%,細菌在不同種植物花蜜中的發生率為77.8%。花蜜中細菌的密度在已發表的研究中最高可達104CFUs/mm3[21],平均密度為102CFUs/mm3[31]。Fridman等[21]在研究分布于以色列北部的植物花蜜中細菌時發現,不同種類的植物花蜜中細菌的種類存在差異。此外,與花蜜中酵母菌多樣性類似,花蜜中細菌多樣性也相對較低,通常每一花蜜樣品中平均約含1.4種細菌[35],主要隸屬于放線菌門、變形菌門和厚壁菌門[19- 21,47,50,53],還有擬桿菌門的Terrimonas[47],Cryseobacterium[21]和Flavobacteriaceaesp.[35]3個屬。令人驚訝的是,花蜜中的細菌通常與酵母菌(如梅奇酵母)共存于花蜜中[35],lvarez-Pérez等[19]推測這種共存模式可能是一種互補營養利用模式。研究者自花蜜中分離出的細菌大都隸屬于變形菌綱,其中包括隸屬于莫拉菌科(Moraxellaceae)的2種新型細菌(Acinetobacernectaris和A.boissieri)[19]和隸屬于腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的4種細菌(Rosenbergiellanectarea,R.australoborealis,R.collisarenosi和R.epipactidis)[29,54]。

綜合已發表的關于花蜜細菌的文獻可以看出,花蜜中細菌具有以下特點：1)細菌存在于大多數植物的花蜜中,但物種多樣性較低[20-21]；2)不同植物的花蜜中通常聚集著獨特的細菌群落[21]；3)花蜜中可鑒定出新型細菌[19]；4)花蜜中最常見的細菌隸屬于變形菌綱；5)聚集于花蜜中的細菌通常具有很強的生理適應特性[19]。

2 影響花蜜微生物群落的因素

迄今為止,已發表的有關花蜜中微生物的研究表明,花蜜中通常聚集著一些在系統發育樹上處于一個分支、物種多樣性較低的酵母菌和細菌群落[24,55],且微生物在花蜜中的發生率、密度及多樣性存在時空上的變化[31,51]。由此推測花蜜中微生物群落很可能受某些特定因素的影響。由于微生物在花蜜中的存活可能受花蜜可利用度的影響,而微生物是否在花蜜中出現則取決于傳粉者或空氣的散布[22,25,40,49],因而結合以往的研究,本研究認為影響花蜜微生物群落的因素主要源自生物和非生物兩個方面。

2.1 生物因素

一般認為,微生物可通過空氣傳播和(或)訪花者攜帶兩種方式出現在花蜜中,而由傳粉者口器攜帶為最常見的方式[22,25,31,49],因而傳粉者組成及傳粉者活動對花蜜中微生物群落的形成具有重要影響。不過,某種泌蜜植物的地理位置、花蜜特征及開花密度等也會影響傳粉者的組成及訪花行為,進而可能會改變該種植物花蜜中的微生物群落[45,49,51]。Belisle等[49]調查了蜂鳥傳粉植物溝酸漿(Mimulusaurantiacus)的花蜜中真菌微生物的空間分布與光照強度、開花密度、植株密度及單花花蜜量的相關性,結果發現花蜜中真菌微生物的發生率僅與花密度間存在并不十分嚴謹的正相關性。另有研究表明,某些植物花蜜中酵母菌發生率與傳粉者組成顯著相關[23,38]。Pozo等[51]在研究一種鐵筷子屬植物——Helleborusfoetidus的花蜜酵母菌時空分布模式時發現傳粉者組成及活動似乎是引起花蜜酵母菌發生率、密度及多樣性存在時空分布差異的主要因素。除此之外,他們還在所選擇的某一居群中觀察到訪花的熊蜂種類及熊蜂活動與這一居群中的花密度呈正相關性,因而推測花密度可能會間接影響酵母菌在不同花間的散布及在花蜜中的繁殖。鑒于不同微生物之間生長速率的差別,Mittelbach等[46]認為單花期長短也是影響花蜜微生物群落形成的因素之一,因為他們發現擔子菌門酵母菌的生長速率較子囊菌門的慢。關于某些生物因素(單花期長短、花密度、傳粉者組成及傳粉者活動)對花蜜細菌發生率、密度及多樣性影響的研究尚未見報道,但很可能與這些生物因素對酵母菌的影響趨勢一致。

另外,優先出現在花蜜中的微生物的代謝活動及不同種類微生物之間的競爭作用也可能會影響花蜜中微生物群落的形成[31,56]?；壑邢鹊轿⑸锟赏ㄟ^降低花蜜糖濃度而減弱花蜜滲透壓,從而利于非耐高滲型微生物在花蜜中的存活,使花蜜中微生物多樣性增加[14]。Peay等[24]發現花蜜中不同酵母菌間為爭奪資源會激烈競爭,且親緣關系越近,競爭越激烈。這種物種間競爭很可能會將處于劣勢的酵母菌從花蜜中淘汰,從而改變花蜜中微生物群落的構成。

2.2 非生物因素

花蜜中微生物群落的形成可能是兩種相互矛盾的驅動力之間相互作用的結果。一方面,富含各種營養的花蜜[57]是微生物生長的理想介質；另一方面,花蜜的高滲透壓特性及所含的抗菌化合物等[42,58- 60]可能會限制花蜜中微生物的種類從而影響花蜜中微生物群落的構成[55],也就是說,花蜜中的一些“過濾機制”可能是導致花蜜微生物多樣性偏低的原因。“花蜜過濾假說”認為花蜜中的高含糖量(與其相關的低水活度)、次生代謝物質及抗菌蛋白等可能對遷入花蜜中微生物的生存及繁殖具有很大的影響[55,58,61],因而不同植物花蜜中聚集著不同的微生物群落,而這些微生物群落一般是由對花蜜具有最佳適應能力的菌株組成[55]。盡管大多數研究者認為花蜜中所含的次生代謝物質(如多酚化合物、生物堿、糖苷及過氧化氫)能夠抑制花蜜中微生物的生長繁殖,不過,研究發現花蜜中的生物堿及糖苷對花蜜中幾種常見的微生物并未表現出抑制作用[40,42]。Pozo等[40]推測可能是因為使用的商業生物堿及糖苷與花蜜中自然存在的有差異,或者是次生代謝物質聯合使用時才能對微生物起到抑制效果。而過氧化氫對某些細菌未起到抑制作用的原因可能是細菌體內含有過氧化氫酶。因此,花蜜中的高含糖量被認為對微生物具有更強的“過濾”作用。花蜜是一種具有中等或較低水活度[62]的生境,因而可能會限制一些非耐高滲型微生物的生長[63],這也可以解釋為什么花蜜中的酵母菌大多隸屬于耐高滲的子囊菌門,而極少數隸屬于擔子菌門(常出現于植物葉表面、水及空氣中)[45]。此外,Carter 和Thornburg[64]發現煙草中的5組花蜜蛋白(Nectarins Ⅰ—Ⅴ)能夠通過花蜜氧化還原循環而起到抗菌作用。

處于不同生境的微生物對碳和氮的同化模式存在差異[24,40]。花蜜通常含碳量較高、含氮量較低[57],因而花蜜中的碳、氮比率也是影響花蜜中微生物群落組成的非生物因素之一。Pozo等[31]觀察到海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)傾向于聚集在散落于花蜜中的花粉粒附近,并且花蜜中酵母菌的密度與花粉粒數量呈正相關關系,這可能是因為花蜜中的花粉粒會萌發并釋放出氨基酸,為微生物的生長提供必需氮源。由此可見,花蜜中氮含量是花蜜中微生物生長的限制資源。

除此之外,某些環境因素(如空氣相對濕度、降雨及空氣溫度)也可能影響花蜜中微生物群落的形成[23,49,65]。空氣相對濕度會影響花蜜的分泌速率及花蜜糖濃度[66]進而直接(高滲透壓)或間接(通過影響訪花者訪花行為)影響花蜜中的微生物群落。降雨頻率會改變傳粉者的覓食模式[67],從而可能影響微生物在花蜜中的散布[37]?？諝鉁囟炔粌H能夠影響花蜜分泌及花蜜濃度[68],而且還會影響植物的物候及花密度[69],進而直接或間接(通過影響傳粉者訪花行為)影響花蜜微生物群落的形成。溫度還會影響傳粉者的組成及訪問速率[67],進而影響花蜜中微生物的種類及散布。更為重要的是,溫度影響微生物的生存和生長[65,70],而花蜜溫度在不同季節,不同日期,甚至一天中的不同時間段存在差異,因而推測花蜜中微生物應該具備在較寬溫度范圍內快速生長的能力。Pozo等[45]通過實驗表明花蜜中隸屬于梅奇酵母菌屬(Metschnikowia)的3種常見酵母菌(M.Kunwiensis,M.reukaufii,M.gruessii)能夠在8—30℃條件下快速生長。此外,Wiens等[71]發現花蜜中會發生發酵作用,因而推測花蜜中的可利用氧及乙醇的累積可能也是影響花蜜中微生物群落的環境因素。

3 花蜜微生物對花蜜物化特征的影響

Raguso[72]曾提到“微生物生態學是化學生態學”。已發表的研究也表明,聚集在花蜜中的微生物能夠改變花蜜的物理、化學特征,特別是可以改變花蜜溫度[73]和粘度[74]、花蜜pH、花蜜中H2O2含量和糖組成及濃度[27-28,63,75]、花蜜中氨基酸組分和濃度[24,33]以及花蜜氣味[76-77]。

微生物在花蜜中的生命活動(發酵代謝活動及發酵-氧化代謝活動)能夠產生大量的熱而使花蜜溫度升高[73]。Herrera和Pozo[73]探究了海洋酵母菌(Metschnikowiareaukaufii)對一種冬季開花的鐵筷子屬植物(Helleborusfoetidus)的蜜腺內溫度變化(ΔTnect=Tnect-Tair) 的影響。他們發現接種酵母菌后,蜜腺溫度會有所升高,并且蜜腺內溫度的增加量(ΔTnect)與接種酵母菌的密度呈顯著正相關。當接種的酵母菌密度高于105個/mm3時,蜜腺內溫度會增加6℃。對于冬季采食花蜜的昆蟲而言,由于微生物代謝活動而提供的相對較高的花蜜溫度可降低昆蟲體溫調節的能量消耗,同時也可以降低花蜜粘度而使昆蟲易于吸食[78]。

迄今為止,僅有2篇已發表的研究同時報道了微生物(細菌和酵母菌)對花蜜pH、糖濃度及H2O2濃度的影響[27,28]。Vannette等[27]通過向溝酸漿(Mimulusaurantiacus)花蜜中接種常見花蜜細菌(Gluconobactersp.,104個/mm3)和花蜜酵母菌(Metschnikowiareukaufii,104個/mm3)來探究花蜜微生物對花蜜化學的影響。他們發現無論接種細菌還是酵母菌,花蜜中H2O2濃度降低了約80%。接種細菌的花蜜pH降低了5個單位(H+濃度增加105),總糖濃度與蔗糖濃度分別降低了27%和35%；而接種酵母菌的花蜜pH降低了2個單位,總糖濃度與蔗糖濃度分別降低了16%和17%。此外,接種細菌的花蜜中的葡萄糖濃度降低了64%,果糖濃度增加了42%；而接種酵母菌的花蜜中的葡萄糖濃度和果糖濃度幾乎未發生改變。Good等[28]在實驗室條件下向人工花蜜中接種了細菌(Asaiaastilbes和Erwiniasp.,30CFUs/mm3)和酵母菌(Metschnikowiareukaufii,104個/mm3),結果發現接種的3種微生物均顯著降低了花蜜的pH,但細菌降低的幅度較酵母菌大。與對照相比,3種微生物對花蜜中H2O2濃度及蔗糖濃度的影響并不顯著?；壑械钠咸烟呛驼崽菨舛仍诮臃NA.astilbes時顯著升高,而在接種M.reukaufii和Erwiniasp.時并未表現出顯著提高。不過,對野外花蜜成分的分析發現,花蜜中的子囊菌類酵母菌能夠顯著改變花蜜中蔗糖、葡萄糖及果糖的百分比,通常降低蔗糖濃度,提高果糖/葡萄糖比率[14,38,75]。Canto 和Herrera[75]野外調查了墨西哥22種植物花蜜中糖濃度與酵母菌密度間的關系,發現僅部分植物花蜜中的果糖、葡萄糖和蔗糖濃度會隨酵母菌密度的升高而顯著降低。他們推測與酵母菌密度相關的花蜜糖濃度變化可能在一定程度上具有物種特異性,因為不同植物花蜜中的酵母菌群落可能不同。

花蜜中微生物的出現還會改變花蜜中某些氨基酸的含量[24]。Peay等[24]測定了溝酸漿(Mimulusaurantiacus)花蜜中氨基酸含量在接種酵母菌前后的變化,結果發現花蜜中常見酵母菌(Candidafloricola,Metschnikowiakoreensis,M.kunwiensis和M.reukaufii)能夠顯著降低溝酸漿花蜜中脯氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸、丙氨酸、纈氨酸及酪氨酸的濃度,由此推測氨基酸為花蜜中微生物的生長提供必需氮源。

花蜜微生物不僅能夠改變花蜜pH、H2O2含量、氨基酸含量及糖濃度和組成,而且能夠改變花蜜氣味[76-77]。Raguso[79]發現某些植物的花蜜能夠散發出酒香味。盡管植物的花瓣能夠產生一些揮發性有機物(VOCs)而使不同植物的花蜜散發出不同的氣味,而最近的一篇報道為花蜜中的微生物能夠改變花蜜氣味提供了新的證據[80]。通過比較加羅林雪輪(Silenecaroliniana)的未經昆蟲訪問的花蜜(無菌花蜜)和經昆蟲訪問的花蜜二者之間的芳香化合物,Golonka等[80]證實該種植物僅能產生極少數的芳香化合物,而花蜜中存在微生物時能夠檢測到更多的芳香化合物,特別是隸屬于梅奇屬的酵母菌能夠產生乙醇、異丁醇、3-甲基- 1-丁醇及2-甲基- 1-丁醇等揮發性脂肪醇,而這些脂肪醇是加羅林雪輪花部酒香味的主要來源。

4 花蜜微生物對傳粉者行為及植物適合度的影響

花蜜是植物提供給傳粉者重要的能量來源[57],但聚集在花蜜中的微生物能夠通過改變花蜜的某些物理與化學特征而影響花蜜的質量[14,24,37-38,73,81]。由此推測花蜜微生物也能夠影響傳粉者的行為,進而影響植物的繁殖適合度。已發表的研究也證實了花蜜微生物能夠影響傳粉者行為、植物-傳粉者間的互惠關系以及植物的繁殖適合度[31]。

有關花蜜微生物影響傳粉者行為的研究始于20世紀末期[33]。Kevan等[33]的研究發現蜜蜂并不能完全識別接種與未接種酵母菌的花。不過,此研究中既未提及接種酵母菌的密度,也未測定花蜜接種酵母菌后的特征變化。Ehlers 和Olesen[82]則發現火燒蘭(Epipactishelleborine)花蜜中的某些微生物能夠產生高濃度的乙醇而影響黃蜂的覓食行為。此外,熊蜂對接種酵母菌的飛燕草(Delphiniumbarbeyi)花蜜表現出覓食偏愛,具體表現為訪問和探測了更多接種酵母菌的花[36]。Good等[28]探查了自蜂消化道中分離出的3種細菌(Asaiaastilbis,Erwiniatasmaniensis和Lactotobacilluskunkeei)和1種酵母菌(Metschnikowiareukaufii)對蜜蜂覓食行為的影響,結果發現蜜蜂會避開訪問接種3種細菌的花(原因可能是細菌改變了花蜜的化學成分和味道),而酵母菌并未影響蜜蜂的覓食偏愛。Pozo[45]發現熊蜂更傾向于訪問接種酵母菌的花蜜時曾推測可能是酵母菌本身可為熊蜂提供所需的蛋白質和氨基酸。同時他還認為熊蜂對接種不同酵母菌的花蜜表現出不同覓食偏愛的原因可能是熊蜂可根據酵母菌細胞大小直接探測出花蜜中酵母菌的種類,或是熊蜂能夠通過酵母菌發酵產生的醇類或其它揮發性物質而探測和識別不同酵母菌。

最近5年,花蜜微生物在植物-傳粉者雙向互惠作用體系中的重要生態學功能引起了傳粉生態學家的關注[27,83-84]。Herrera等[83]通過野外及室內控制實驗發現一種鐵筷子屬植物(Helleborusfoetidus)花蜜中接種海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)后能夠顯著提高熊蜂對花的訪問頻率,但不利于該種植物的有性繁殖。不過,花蜜中接種細菌(Gluconobactersp.)后降低了蜂鳥對溝酸漿(Mimulusaurantiacus)花的訪問次數、花蜜移除量及座果率,從而減弱了植物-傳粉者間的雙向互惠作用[27]。Scharffer和Irwin[84]的研究則表明飛燕草(Delphiniumnuttallianum)花蜜中高密度的酵母菌促使傳粉者(熊蜂和蜂鳥)吸食了更多的花蜜,同時增加了花粉的移除量,提高了該植物的雄性適合度。不過,熊蜂和蜂鳥為何偏愛訪問花蜜中聚集高密度酵母菌的花的確切原因尚不明確。Pozo[45]推測可能是因為傳粉者的感官(嗅覺及觸覺)因素,而Herrera等[83]則推測可能是源于酵母菌對花蜜物理(溫度、粘度)和化學(糖組成和濃度、氨基酸濃度)特征的改變。

聚集于花蜜中的微生物可以直接[34,83]或間接[27,83-84]影響宿主植物的繁殖適合度。Eisikowitch 等[34]發現敘利亞馬利筋(Asclepiassyriaca)花蜜中的海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)能夠通過降低花蜜糖濃度而直接抑制花粉萌發和花粉管生長,進而使胚珠受精受阻。這一現象發生的原因是馬利筋的蜜腺位于柱頭室內,而蜜腺分泌的花蜜糖濃度必須維持在一定范圍內才能保證柱頭花粉的萌發和花粉管的生長。花蜜酵母菌抑制花粉萌發的現象也被Herrera 等[83]在鐵筷子屬植物(Helleborusfoetidus)中發現。特別是,他們還觀測到接種到鐵筷子花蜜中的海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)不利于鐵筷子的雌性適合度,具體表現為花柱中的花粉管數目的減少,座果率、結實率及種子質量的降低。同時,Herrera等[83]的研究結果也為花蜜酵母菌通過改變傳粉者覓食模式而影響傳粉成功提供了直接證據。然而,飛燕草(Delphiniumnuttallianum)花蜜中的海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)并未影響該植物的雌性適合度,即座果率、單果種子數及單株種子數與對照相比不存在差異[84]。但他們發現飛燕草花蜜中的海洋酵母菌增加了花粉輸出,從而提高了飛燕草的雄性適合度。另一方面,Vannette等[27]發現花蜜細菌而不是酵母菌減弱了溝酸漿(Mimulusaurantiacus)的雌性適合度。他們發現,花蜜中接種細菌(Gluconobactersp.)的溝酸漿的每果種子數較未接種細菌的降低了約18%,而海洋酵母菌并未顯著影響溝酸漿的柱頭閉合與每果種子數。因而,花蜜微生物對植物繁殖適合度的影響不僅取決于微生物對傳粉者的影響[84],還取決于植物自身的特性(如花部形態、交配系統、繁殖構件及花粉限制等)[83]。

總結花蜜微生物對傳粉者行為及植物繁殖適合度影響的研究可以發現,花蜜中的微生物群落影響傳粉者行為、植物-傳粉者間的互惠關系以及植物的繁殖適合度的原因除了降低提供給傳粉者的報酬外,可能還存在以下可能：1)微生物在花蜜中的分布存在時空差異[51],特別是植物種內的差異會導致同種植物產生不同的花蜜報酬[14,51],從而可能導致該種植物面臨失去規避風險傳粉者提供傳粉服務的危險[85]；2)花蜜中的微生物能夠發酵產生乙醇[86],這些乙醇可能會使傳粉者“醉酒”而改變其覓食行為[71,82]；3)花蜜微生物能夠代謝產生各種香味[87],這些香味可能也會影響傳粉者的訪花行為[80]。不過,花蜜微生物影響花部氣味的程度以及通過釋放揮發性物質“過濾”傳粉者的程度還有待研究。

5 展望

盡管已發表的研究表明了花蜜微生物的分布存在時空差異,花蜜微生物能夠改變花蜜特征,且花蜜微生物在植物-傳粉者互惠作用系統中起著重要的作用,但是作者認為至少還可以從以下5個方面對花蜜微生物及其生態功能進行進一步的研究與認識。

首先,對于微生物而言,花蜜是一個易受生物與非生物因素影響而處于不斷變化的生境,因而花蜜微生物一定具有較廣泛的生態位及高度的表型可塑性[88-89]。然而,迄今為止, 研究者對于花蜜中微生物(酵母菌和細菌)的表型分布卻知之甚少。Pozo等[31]的初步研究發現花蜜中的梅奇屬酵母菌(Metschnikowiareukaufii,M.gruessii)具有較廣泛的表型分布。除此之外,研究者還發現花蜜中的酵母菌雖然多以克隆方式進行繁殖,但卻具有高度多樣化的基因型[90-91]。因而,采用分子生物學手段研究花蜜微生物(酵母菌和細菌)的表型和基因型的多樣性分布對研究花蜜微生物將具有重要的指導意義。

其次,目前關于花蜜微生物生態功能的研究主要集中在花蜜微生物群落對傳粉者行為及植物繁殖適合度的影響,但花蜜微生物對其它訪花昆蟲(如非法盜密者、植物天敵及其它食蜜者)影響的研究尚未見報道。然而,與花蜜微生物參與到植物-傳粉者互惠作用系統中類似,花蜜微生物也可能參與到植物-天敵及植物-害蟲的相互作用系統中?？紤]到害蟲控制研究中生物防治方法(利用害蟲捕食者及害蟲寄生者)的廣泛推廣[92]和泌蜜植物能夠為這些捕食者及寄生者提供糖類等能量來源[93-94]間的關聯,推測對花蜜微生物生態功能的全面研究可能會提高農業耕作體系中的生物防治作用。從這種意義上說,如果微生物能夠誘導植物的化學防御,則花蜜微生物可能對與植物相互作用的其它生物體(如盜蜜者、害蟲或植食動物)產生關聯或交互作用。由此看來,探究花蜜微生物對其它訪花昆蟲的影響將具有重要的生態學意義。

第三,傳粉者吸食孕育微生物的花蜜后可能會影響自身適合度。眾所周知,蜂在吸食花蜜后需要經消化道中的酶和微生物加工后才能吸收[95],而Good等[28]在蜂的口器及消化道中分離出了一些有助于加工多肽、多糖等大分子的花蜜微生物。此外,熊蜂比較偏愛吸食富含果糖的糖溶液,而某些花蜜酵母菌能夠改變花蜜糖組成而使花蜜果糖濃度增加[45]。某些花蜜酵母菌可能也能為蜂提供所需的蛋白質和氨基酸[96]。由此看來,研究與傳粉者相關的花蜜微生物有助于更好地了解植物-微生物-傳粉者間的三元相互作用。

第四,為保證提供給傳粉者高能量報酬的花蜜,泌蜜植物一定會進化出一系列抵御微生物侵染花蜜的機制[58,64]。已鑒定出的某些抗菌蛋白被認為可能會保護花蜜免受微生物侵染[61],如煙草花蜜中的某些蛋白質會參與花蜜氧化還原循環。某些脂肪酶及RNA酶也出現在花蜜中,但其對花蜜微生物的抗菌效應還未進行測定[97]。研究者推測花蜜中的某些有毒次生化合物(生物堿、多酚、皂苷、非蛋白氨基酸、氨氣、內酯及糖苷)可能具有抵御微生物侵染的作用[41-42,58],但這些化合物的抗菌效果還未完全證實。調查不同植物花蜜中抗菌蛋白與次級化合物的種類及含量,并在實驗室條件下模擬花蜜條件來研究抗菌蛋白與次級化合物對花蜜微生物的毒性作用將有助于探究影響花蜜微生物多樣性的可能機制。

最后,花蜜中常見的海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)能夠產生大量的揮發性化合物而使花蜜具有獨特的氣味[80]。由此推測花蜜微生物的代謝活動可能會影響花蜜對傳粉者的“品嘗前”吸引[98]。測定花蜜接種單一物種微生物、多種酵母菌或細菌及酵母菌與細菌混合菌前后的氣味變化將為探究花蜜微生物影響植物-傳粉者互惠作用的可能機制提供一定的研究基礎。

總之,人們對于影響花蜜微生物群落形成因素的研究以及花蜜微生物的時空分布模式的研究還不夠全面,特別是關于花蜜微生物對傳粉者行為及植物-傳粉者互惠關系影響的研究仍處于探索階段。但可以肯定的是出現在花蜜中的微生物必定具有某些獨有的生理特征使其能夠在花蜜這種較“苛刻”的生境中存活并繁殖,且花蜜中的微生物一定在植物-傳粉者這一二元作用系統及其它生物系統中具有某種重要的生態學功能。

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Nectar-dwelling microorganisms and their ecological functions

XUN Erna1, 2, ZHAO Jimin2, GUO Jixun1, ZHANG Yanwen1, 2,3,*

1InstituteofGrasslandScience,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China2DepartmentofBiology,ChangchunNormalUniversity,Changchun130032,China3SchoolofAgriculture,EasternLiaoningUniversity,Dandong118003,China

Floral nectar,a sweet, aqueous secretion that consists mainly of sugars and to a lesser extent amino acids, is an effective reward that entomophilous plants could provide for their pollinators. Plant-pollinator relationships mediated by nectar characteristics have been recently studied in pollination biology. Floral nectar is initially sterile, but some yeasts and bacterial species survive in floral nectar when they have been dispersed into nectar via air or by flower-visiting insects such as pollinators. The identification of microorganisms in floral nectar from broad-scale surveys has shown that nectar yeasts are widespread and occur in a wide range of habitats. No such surveys are currently available for bacteria, but limited studies suggest that bacteria may also be widespread in nectar. However, high sugar content and consequentially low water activity that characterize the nectar of many plant species limit the number of microbial species that are capable of surviving and proliferating in the harsh environment of nectar, leading to species-poor communities with one or a few culturable species per nectar sample. Other factors affecting nectar-dwelling microorganism communities are nitrogen availability, pH, sugar composition, temperature and the presence of secondary or antimicrobial compounds. The presence of yeasts and bacteria in nectar decreased sugar concentrations and altered sugar ratios. Besides, the metabolic activity of nectar-dwelling microorganisms affected other floral attractive traits, including temperature, scent and amino acid content. In some cases, changes in physical and chemical properties of nectar affected on pollinator behavior and as a result on plant reproductive success. Therefore, nectar-dwelling microorganisms and their ecological functions are of great interests among pollination biologists. In the future, molecular and chemical analysis technologies should be combined to further reveal the mechanisms of potential factors that might affect the shaping of nectar-dwelling microorganism community, to fully elucidate the possible mechanisms that nectar-dwelling microorganisms alter nectar physico-chemical characteristics and the plant-pollinator relationships, and to further understand the ecological roles that nectar-dwelling microorganisms might play in different ecosystems.

nectar-dwelling microorganisms; nectar characteristics; pollinator behavior; reproductive fitness

國家自然科學基金項目(30970200, 31170354)

2015- 10- 29;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510292187

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yanwen0209@163.com

荀二娜,趙驥民,郭繼勛, 張彥文.花蜜微生物及其生態功能研究進展.生態學報,2017,37(6):1757- 1768.

Xun E N, Zhao J M, Guo J X, Zhang Y W.Nectar-dwelling microorganisms and their ecological functions.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):1757- 1768.