中国科学院昆明植物研究所
location
当前位置:首页 > 科学普及 > 科普文章
left
科学普及
科普文章

神奇的塔黄

文章来源:中国科学院东亚植物多样性与生物地理学重点实验室  |  发布时间:2018-04-08  |  作者:宋波,孙航  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

  在海拔4000米以上的喜马拉雅山脉高山流石滩上生长着许多形态奇特的植物,备受植物学家和摄影爱好者关注。其中最引人注目的当数蓼科大黄属(Rheum)的塔黄(Rheum nobile)。这种植物和竹子一样,是单次结实的多年生草本植物,即经过57年的营养生长后才开花结果,之后便死去,一生只开一次花。开花以前的塔黄并不起眼,乍一看去,很像一棵大白菜。但是到了开花这一年,它就会变得“不安分”起来,会长出高达1.52米的花序,由下向上逐渐变细;花序外面一层一层包裹着大型半透明的奶黄色苞片,其实这是变态的叶。这时候,它摇身一变,成了喜马拉雅高山地区“身材”最高的草本植物,远远望去,好似一座金碧辉煌的宝塔,格外醒目,或许“塔黄”一名便由此而来。 

 

塔黄 

  人们在欣赏塔黄的壮丽之余,不禁会问:它为什么要长这么多的苞片呢? 

  20世纪80年代初,日本植物学家Ohba在喜马拉雅山脉尼泊尔境内见到塔黄时也有同样的疑问。他猜测:这么多的苞片是为了帮助塔黄增加光合作用面积,从而促进生长吧。可是,植物学家解剖苞片结构后发现,这些苞片内并没有叶绿体,因此也就没有光合作用的功能。牛顿曾说过:自然不行无用之举。植物也是如此,不会做对自己毫无意义的事。那么,对于生长缓慢的高山植物来说,塔黄为什么要耗费这么多的资源来发育如此壮观的苞片呢?苞片对植物本身的意义何在呢? 

  借助高山植物生态学理论的发展和研究手段的进步,最近,研究人员终于发现:塔黄耗费众多资源精心发育的苞片的确用心良苦,因为这些苞片有效地保障了植物在严酷的高山环境中成功地开花结实。 

 

刚长出苞片的塔黄 

  我们知道,海拔高度每升高100米,环境温度就要降低0.6℃左右。因此,在海拔高度超过4000米的高山流石滩上,即使是夏天,温度通常也在10℃以下,夜间甚至低于0℃。植物的繁殖器官对于低温是非常敏感的,花粉和胚珠的形成、发育等生理活动的进行尤其如此。塔黄的苞片互相重叠,将所有的花部器官严严实实地包裹起来,能够有效地保存热量,像温室大棚一样,能有效增加花部器官的温度,在晴朗的正午,增温甚至可达10℃以上,为繁殖器官的正常发育提供了良好的温度条件。进一步的实验研究证明:这种增温作用能够明显促进花粉的萌发和花粉管的生长,从而加快受精的过程,以帮助植物在短短4个月的生长季里迅速完成繁殖过程。 

利用探针测量苞片内部的温度

  夏天,很多爱美的女士会打开太阳伞,目的是保护自己的皮肤不被紫外线晒黑、晒伤。其实植物和人一样,也怕强烈的紫外线。因为高强度的紫外线,尤其是紫外线B辐射(波长在280315纳米),对于生物是极其有害的,能抑制细胞的分裂、分化,破坏核酸的形成,从而影响植物的繁殖。高海拔地区空气稀薄,空气能吸收和反射的紫外线较少,因此,地面的紫外线强度远远高于低海拔地区。科学家发现:人为去掉塔黄的苞片后,95%以上暴露在外面的花粉失去了活力。苞片内含有大量的类黄酮,这种物质能有效吸收和反射紫外线辐射,因此经过苞片遮挡后,通常仅有10%的紫外线能到达内部的花部器官。由此可见,塔黄的苞片实在是有效遮挡紫外线辐射的“宝伞”。 

  由于东喜马拉雅地区受季风气候的影响,这里的降雨主要集中在夏季(即植物的生长季),这一时期的频繁降水也会对植物的繁殖造成致命伤害。这是因为雨水会把花粉从花药、传粉昆虫以及柱头上冲刷掉,造成花粉的浪费;其次,很多植物的花粉在开花后需要经历一个脱水和再水合的过程,雨水会让花粉发生致命的爆裂,导致花粉不育,影响受精过程。另外,高山上时速高达40千米的大风也会给植物带来巨大的伤害,甚至可以将幼嫩的花枝吹断。塔黄因为有了可以将整个花部器官罩起来的苞片,它们的花便不怕风吹雨淋了。 

  由于高山环境恶劣,传粉昆虫的种类、数量和活动能力都比较弱,如何有效地吸引传粉昆虫是高山植物在传粉过程中必须解决的问题。传粉昆虫主要通过视觉定位开花植物,因此,植物只有尽可能地突出才能被传粉昆虫发现,也就是说,大而艳丽的花是有优势的。但是,塔黄的花没有花瓣且花朵较小(不足3毫米),难以被传粉昆虫发现。那么塔黄究竟靠什么吸引“红娘”呢? 

  通过野外观察,科学家发现:为塔黄传粉的是一种类似苍蝇的双翅目昆虫,它们对紫外线波段的光比较敏感。塔黄的苞片能够反射大量的紫外线,并且像旗帜一样矗立在流石滩上。对于传粉昆虫来说,塔黄的苞片就像一面面巨大的反光镜,很容易被传粉昆虫注意到。另外,昆虫属于变温动物,其活动能力强烈依赖于温度条件,而苞片提供的增温作用和遮风挡雨效果为传粉昆虫提供了舒适的活动空间,这对于昆虫来说也是不小的诱惑。通过进一步的对比实验,科学家发现:塔黄的苞片被去除后,前来传粉的昆虫数量也明显减少了。 

 

苞片罩着的花序 

  科学家还发现,花期过后,塔黄的苞片并不像其他植物(如鸽子树)的苞片那样立即脱落,而是保存至种子完全成熟。原来,植物的胚珠完成受精后,还需要经历一个漫长的过程才能最终形成成熟的种子,这个过程对外界环境条件依然非常敏感。在种子发育过程中,尤其是灌浆期,温度是至关重要的因素,如果达不到一定的积温,种子往往就不能正常发育,形成瘪籽或不能形成完整的胚。苞片的增温作用能为种子的发育提供适宜的温度条件,还能促进植物的新陈代谢,帮助植物将种子发育所必需的营养物质从其他贮藏器官(如根、茎和叶)向种子快速运输。除了温度,强烈的紫外线也会影响细胞分裂和分化过程,从而影响种子的发育;而苞片对紫外线的有效阻挡能够有效保障种子正常发育。另外,幼嫩的种子由于有苞片保护,不会受到风吹和雨淋,减少了机械损伤。由此可见,塔黄的苞片为种子发育创造了良好的环境条件,就像胎儿有母亲的子宫庇护一样,不会受到外界恶劣环境的影响。 

  

苞片保护下的果实 

  说到这里,我们不得不惊叹大自然的神奇。其实,近年来,植物学家通过大量研究发现:面对高山上各种恶劣的环境条件,植物普遍演化出许多行之有效的应对策略。例如,梭沙贝母的花序下垂,以此保护花部器官不受太阳辐射和雨水的伤害;雪兔子的花序外生有厚厚的绵毛,能像毛衣一样起到保暖作用;团状福绿草紧贴地面生长,以此适应强风环境并有效保持热量……真可谓八仙过海,各显神通。随着科学研究的不断深入,相信会有更多新奇的现象和机制为我们发现和认识。 

(责任编辑:李雪)


中国科学院昆明植物研究所

版权所有 Copyright © 2002-2020 中科院昆明植物研究所,All Rights Reserved 【滇ICP备05000394号
地址:中国云南省昆明市蓝黑路132号  邮政编码:650201    点击这里联系我们  手机版