3D打印技術在植物繁殖生態學中的應用進展與評述

王力平 王林林 和兆榮 等

摘?要：3D打印（3D printing）是以數字化模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構造物體的一項技術。由于3D打印具有靈活和精密的特點，這一技術已經在軍工、航天等制造行業中發揮了重要作用。鑒于3D打印的獨特優勢，該技術也可以在植物繁殖生態學研究中發揮作用而且具有廣闊的應用前景，但目前還處于探索階段。該文概述了3D打印技術以及植物繁殖生態學的花特征進化研究，同時總結了3D打印技術在植物繁殖生態學領域的最新研究進展，并探討將來可能的發展方向。

關鍵詞：3D打印技術，植物繁殖生態學，花特征進化，視覺信號，嗅覺信號

Abstract：Three-dimensional printing （3D printing） is a technique to manufacture objectives layer by layer with the powder metal or plastic adhesive materials based on the digital model. Due to its flexibility and accuracy，3D printing ?plays an important role in military，aerospace and other manufacturing industries. Because of the unique advantages of 3D printing，the application of three-dimensional printing technology in plant reproductive ecology is promising，but is still at an initial stage. This paper summarizes the development of 3D printing technology and floral traits evolution in plant reproductive ecology，and reviews the latest applications of 3D printing technology in researches of plant productive ecology. We also discuss the potential application and direction in the future researches of plant reproductive ecology.

Key words：three-dimensional printing technology，plant reproductive ecology，floral traits evolution，visual signals，olfactory signals

3D打印（3D printing）又被稱為增材制造（additive manufacturing，AM），屬于快速成型（rapid prototyping manufacturing，RPM）技術的一種。2009年，美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）成立了3D打印技術委員會（F42委員會）并定義了3D打印技術。定義指出，3D打印是一種與傳統的材料加工方法截然相反的技術，它基于三維CAD模型數據，通過增加材料逐層制造，直接建立與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型（Peltola et al.，2008;Rengier et al.，2010;Gebler et al.，2014）。由于它在制造工藝上的創新，3D打印被認為是“第三次工業革命的重要生產工具”。

隨著3D打印的日漸成熟，其應用從傳統的模具制造領域不斷擴展到設計、建筑、醫療以及本文關注的植物繁殖生態學領域（Campos et al.，2015;Policha et al.，2016）。目前3D打印技術在植物繁殖生態學領域的研究還處于起步階段，主要是在花特征進化的研究領域。3D打印的花一方面使花進化的研究擺脫了比較難以控制的外界環境的影響;另一方面，3D打印的材料可以根據研究目的自主選擇，并且仿真度高，可以滿足個性化的研究方案。本文主要關注3D打印技術在植物繁殖生態學領域的最新研究進展以及將來可能的發展趨勢，以期為植物繁殖生態學研究提供一個新視角。

1?3D打印技術概述

3D打印技術被認為是第三次工業革命或制造業的新突破點，這一技術的起源可追溯至20世紀80年代初期（Kruth，1991;Huang et al.，2013）。1984年，美國人Charles Hull以數字數據為基礎研究出了立體平板印刷技術，用于3D物體的打印，并在1986年發明了世界上第一臺商業3D印刷機，但3D打印的商業化、市場化進程相對比較緩慢。進入21世紀后，隨著科學技術的不斷發展與進步，3D打印在技術、造價和應用領域等方面都得到了迅猛發展。在打印技術方面，目前主流打印機的打印精度能夠在0.01 mm的單層厚度上實現600 dpi的分辨率，較先進產品的垂直打印速率可達到2.5 cm·h-1以上，并可實現24位色彩的彩色打印。3D打印的原材料取樣十分廣泛，常見的如石料、金屬等，有的還包括高分子材料和食品原料。目前可用于打印的材料約為14類，可搭配出一百多種。在造價方面，3D打印機的售價也在迅速降低，Printbot公司推出的入門級3D打印機Printrbot Play售價僅為399美元，全球3D打印機銷量第一的MakerBot公司，高端打印機Replicator 2X的售價也降至2 499美元，同時，針對大多數3D打印設備只能打印單色模型的問題，日本Mimaki公司的全彩3D打印機3DUJ-553 UV LED能產生1 000萬種顏色，價格可能超過20萬美元。在應用領域方面，3D打印技術早期主要用于機械、建筑等行業的模型制作，隨著進一步的成熟，3D打印已開始用來制造汽車、飛機等高科技含量產品的零部件，以及血管、肌肉等組織結構（Chia & Wu，2015）。

近年來，科學家通過軟件預先設計打印目標，并利用3D打印技術對不同特性的材料進行擠壓、激光或高溫等物理條件的控制，以此打印成型用于相關領域的科學研究。其中，植物學家嘗試將其用于植物繁殖生態學中花部特征的進化研究，通過打印出各式各樣的花部結構來代替植物原結構進行相關實驗（Campos et al.，2015;Policha et al.，2016）。

2?植物繁殖生態學中的花特征進化

花部特征的進化是被子植物進化的最顯著特性之一。普遍認為，在花部性狀的進化過程中，傳粉者介導的選擇扮演了重要的作用。達爾文曾經以花的結構與功能為例詳細地闡述并支持了他的自然選擇理論。直至今日，花部特征進化的研究依然是進化生物學中備受關注的領域之一（Armbruster，2001;Martin，2004;Sun et al.，2014;Kuriya et al.，2015）。本文將主要從視覺信號、嗅覺信號和報酬三方面對花特征的進化進行具體闡述。

2.1 視覺信號

視覺信號作為吸引昆蟲的重要特征之一，主要可分為單花的構造（如對稱性、花色等）和花序構造（如花在花序上的排列方式）等兩方面內容。

花對稱性（floral symmetry）是被子植物花部構造的重要特性之一，主要分為輻射對稱和兩側對稱兩種形式。化石研究的結果表明，距被子植物出現五千萬年后，花開始由原始的輻射對稱向兩側對稱進化，這正與特化的傳粉昆蟲多樣性的時期相吻合（Crane et al.，1995;Doyle & Endress，2000;Endress & Doyle，2009）。Gong & Huang（2009）的研究表明，與輻射對稱的花相比，兩側對稱的花增強了與特異性傳粉者的相互作用，進而增加了花粉落置的精確性并確保了繁殖成功。

花色是吸引傳粉者的顯著視覺信號之一，指示傳粉者取食和傳粉。例如，Sobral et al.（2015）的研究發現，分布在伊比利亞半島上的12個Gentiana lutea種群之間花色存在差異，經進一步研究表明種群之間花色的變化與所在地區的傳粉者群落不同有關，是對當地環境適應的結果。由于傳粉者對花色的偏愛不同，所以導致了花色的進化。據統計，植物花色變化現象至少存在于78個科中（Ruxton & Schaefer，2006）。

花總是依據一定的規律排列在花序上，形成一定的空間結構。傳粉者天生的喜好對被子植物的花序結構進化可能有重要的影響。為了排除自然條件下可能的干擾，研究花的排列方式對傳粉昆蟲行為的影響，Jordan & Harder（2006）用人造花來模擬總狀花序、傘形花序和圓錐花序，發現熊蜂在不同的花序結構上訪花數目存在差異，其中總狀花序上訪花最少，圓錐花序上訪花最多，這會對整個植株的花粉接受、花粉輸出及自交傳粉的概率產生截然不同的影響。Liao & Harder（2014）同樣以人造花模擬了單個大花序和多個小花序對熊蜂的影響，指出雖然熊蜂在單個花序上的運動趨勢是向上的，但在花序間熊蜂則表現出了向下的運動趨勢。這一結果對解釋總狀花序植物選擇多個小花序還是少量大花序來適應不同的傳粉者具有非常重要的意義。

2.2 嗅覺信號

花的氣味是植物吸引昆蟲授粉的另一個重要信號，可以幫助傳粉者定位花資源，如花蜜、花粉等在花結構中的位置。對于不同類群的傳粉昆蟲，植物散發的氣味成分也存在差異。例如，馬鞭草科的Lantana camara通常為蝶類傳粉，花氣味組成主要為苯乙醛和苯乙醇等（Andersson et al.，2002）;柳葉菜科的Clarkia breweri為蛾類傳粉，花氣味組成主要為單萜和芳樟醇等（Dudareva et al.，1996）。除此之外，也有植物的花模擬霉菌或鄰近植物的氣味來吸引傳粉者，但不提供相應的報酬，例如，蘭科植物毛瓣杓蘭（Cypripedium fargesii）的花發出類似腐敗葉子的氣味（主要由異戊醇和正己醇等組成），誘騙傳粉昆蟲扁足蠅傳粉（Ren et al.，2011）。由此可見，植物可以根據傳粉者的嗅覺偏好，產生不同的化學物質，從而揮發出特定的氣味吸引傳粉者完成授粉，進而確保繁殖成功。

2.3 報酬

報酬（主要為花蜜）也是植物吸引傳粉者不可或缺的因素。花蜜的主要成分為糖類和氨基酸等營養物質，同時也存在少量低濃度的酚類、生物堿和其他次生代謝物。一般情況下，生物堿會招到蜂類的厭惡，影響傳粉效率，不過這也與生物堿的劑量和植物所處的生態環境相關。有研究發現低濃度的可卡因和尼古丁會增加植物對傳粉者的吸引，作為提高訪花率的手段（Singaravelan et al.，2005;Thomson et al.，2015）。也有少數植物的花蜜中含有花青素，呈現一定的顏色。唇形科木本植物米團花（Leucosceptrum canum）是自交親和植物，有色花蜜中可分離出一種紫色的花青素，米團花通過花蜜的色彩和動態變化來吸引鳥類傳粉者，在傳粉者取食花蜜的過程中有效地提高了傳粉效率（Zhang et al.，2012）。

3?3D打印技術在植物繁殖生態學中的應用進展與評述

傳統的傳粉生態學研究一般以野外觀察和實驗為主，但由于野外實驗受外界環境的影響較大（如下雨會沖刷花柱頭上的花粉、強烈的風和較低的溫度也會影響傳粉昆蟲的行為），這大大影響了傳粉研究的進程和數據的精確性。

早期的植物繁殖生態學研究曾嘗試利用自然花剪除或摘去花瓣等手段來觀察花的大小、花對稱性對傳粉昆蟲的影響（Totland，2004;Potts，2015）。但是，一旦花瓣被剪或被摘除，一方面植株本身可能會由于遭受損害而釋放某些化學物質或肉眼難以識別的視覺變化，從而影響傳粉者對花的選擇作用;另一方面，人工剪切的破損邊緣與花瓣的正常邊緣存在差別，也可能會影響傳粉者的判斷（Totland，2004）。同時，在自然界中，由于傳粉者對花的選擇受許多因素控制，想要測定單獨一個花性狀的影響是很困難的，因此可以利用人造花探究與傳粉者覓食行為相關的對稱性、尺寸、顏色和氣味等性狀。3D打印的花具有可自由控制形狀，仿真程度高等特點，可以自由組合不同的花展示和花結構，再加上人工控制花顏色以及花氣味等方法，可以很好地滿足花進化研究的需要，同時也比之前應用的紙花、樹脂玻璃等人造花具有更好的可控性，具有極大的優勢。

3D打印的花可以依據實驗的目的來控制花的視覺信號和嗅覺信號兩個方面。在視覺信號方面，3D打印技術可以選用具有顏色的原材料，避免了顏料的氣味對傳粉者造成的干擾，有利于單一信號的調控。同時，我們也可以探究花瓣上不同的圖案（如斑點、條紋等）對傳粉者的影響，有研究表明，顯著的斑點可以在一定范圍內與背景形成對比，從而將傳粉者引向花的繁殖器官（Johnson & Dafni，1998;van Kleunen et al.，2007;de Jager et al.，2017）。在嗅覺信號方面，可以用無味的原材料打印花的結構，然后通過GC-MS（氣相色譜-質譜聯用儀）分析植物花的氣味組成，再通過在3D打印的花上添加不同的氣味成分或者組合，最終根據傳粉者對氣味成分的反應和訪問偏好確定花氣味吸引傳粉者的關鍵氣味成分。將3D打印技術應用于植物繁殖生態學中，一方面可以幫助我們在室內模擬實驗中更為準確的探究傳粉者對不同花性狀（如顏色、氣味、形狀等）的訪問偏好。例如，Campos et al.（2015）利用3D打印技術控制花冠曲率（喇叭狀和平碟狀）和蜜腺孔的大小兩個參數，制作不同形狀和蜜腺孔的假花進行實驗，驗證覓食者訪問是否存在偏好，結果發現天蛾（Manduca sexta）傾向于訪問花冠曲率相對較大的花，而蜜腺孔大小的變化對于傳粉者的覓食沒有明顯影響，證明花冠曲率是影響天蛾覓食的一個重要因素。這一研究對于如何使用3D打印的花開展傳粉者與花性狀的相互關系研究提供了一個良好的先例。另一方面，也可以與野外實驗相結合，用于復雜花信號的分析。如蘭科植物的擬態現象，Policha et al.（2016）以無味的醫藥級硅膠為原材料，打印了蘭科植物（Dracula lafleurii）逼真的花結構——花萼和蘑菇狀的唇瓣，并將他們分別與真實的花器官組合，設計了四組不同類型的花，以此分析不同的花結構在吸引傳粉者方面所發揮的作用，即真正的花、真正的唇瓣和打印的萼片相嵌合的花、真正的萼片和打印的唇瓣相嵌合的花和完全打印的花。結果發現蘭科植物（Dracula lafleurii）主要從視覺信號和嗅覺信號兩方面共同作用擬態蘑菇來吸引傳粉昆蟲：視覺上唇瓣和艷麗的花萼起主要作用，嗅覺上唇瓣會散發類似蘑菇的氣味吸引傳粉者。將3D打印技術應用于野外實驗不僅可以幫我們減少外界因素的干擾，也為以后的野外實驗提供了新的思路。

在應用過程中，不僅可以結合商業蜜蜂和熊蜂的使用，利用3D打印的花在嚴格控制實驗條件的前提下檢測傳粉昆蟲對花結構、顏色、氣味和花展示等花部特征的訪問偏好，進而能精確揭示傳粉者對某些花特征的訪問差異是基于天生偏好還是后天的學習能力，用于在物種水平上解析植物花性狀的選擇壓力;而且可以聚焦于群落水平上的繁殖生態學，利用3D打印技術的可操控性和便捷性，我們不僅可以模擬自然條件下的群落組成，也可以根據實驗的目的人為操控群落內斑塊的大小，構成和斑塊間的距離等因素（Yang et al.，2011），探究植物與傳粉者間、植物與植物間的相互關系，從群落水平上研究傳粉者對花部特征的選擇作用，為植物花部特征的演化提供更為切實的證據。同時，考慮到3D打印的花無法對植物的適合度做出解析，可以考慮采用構建數學模型的方式（Jordan & Harder，2006;Muchhala et al.，2010）來模擬花粉的命運。例如，Jordan & Harder（2006）為了研究不同結構的人造花序上熊蜂的訪花行為對花粉輸出所造成的影響，假定傳粉者攜帶的花粉落置到柱頭上的概率都是相等的，構建數學模型Di= PRρ（1-ρ）i-1，式中D是傳粉者在訪問完一朵花后花粉落置到隨即拜訪的第i朵花上的花粉數量，P是提供花粉的花所包含的花粉數量，R是傳粉者訪花時花粉輸出的比例，ρ是傳粉者訪花時花粉落置到柱頭上的比例。這類方法不僅適用于揭示花序的結構與傳粉者行為之間的相互關系，也可以探究群落內共存植物間的花粉輸出與落置情況，從雄性適合度層面探討群落的構建、種間關系和植物花部特征的演化，這些都將極大地促進植物繁殖生態學從野外觀察向室內驗證的快速發展。

3D打印技術在植物繁殖生態學中的應用才剛剛開始，雖然應用前景十分廣闊，但仍存在一些不完善的地方。一方面，將3D打印技術應用于花氣味的相關實驗，由于某些植物的花氣味組成過于復雜，可能會增大實驗的難度;另一方面，3D打印技術的原材料一般以塑料為主，不易降解，應盡量循環使用，在野外環境下注意回收，或者盡可能選用可生物分解、可堆肥化的原材料（如WillowFlex）（Behm et al.，2018），避免污染環境。目前，國外運用3D打印技術對植物繁殖生態學的研究已逐步深入，而國內的研究則相對較少。將3D打印技術應用于植物繁殖生態學，會使植物繁殖生態學的研究更加深入，研究結果更為準確，它將為植物繁殖生態學領域作出新的貢獻。

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