“Bite me here!”——多学科研究解开植物与熊蜂传粉互作的共振奥秘

　　 　

近日，由中国科学院昆明植物研究所王红研究团队联合中山大学以及美国、瑞典的研究者，以列当科马先蒿属（Pedicularis?Linn.）植物为模型，整合生物力学、昆虫行为学和传粉生态学等多学科研究手段，首次发现花与熊蜂之间的共振“关键点”，揭示了蜂振传粉（buzz pollination）中植物与传粉者之间的振动力学耦合机制（图1），解析了花的生物力学特性在塑造植物-传粉者互作中的重要作用，为理解植物-传粉者协同进化及花多样性形成提供了新视角。

蜂振传粉：自然界中植物与传粉者的振动“协奏曲”

自达尔文以来，植物的花部结构、花色、花气味和花蜜等与传粉者行为的相关研究取得了长足进展，但是花的力学特征与传粉者的关系研究整体仍处于探索阶段，尤其是复杂环境中的多因素交互作用、跨物种普适性规律亟待深入研究。蜂振传粉是传粉者通过身体产生高频振动使被包裹在花冠特殊结构的花粉得以释放的一种特殊传粉方式，在自然界中广泛存在。据估计，约有74个属的蜂类访花时使用振动，发出“嗡嗡声”与植物协奏“二重曲”。有超过2万种开花植物依赖蜂振传粉，包括番茄、辣椒和蓝莓等经济作物。蜂振传粉中最奇特的花出现在马先蒿植物中，其花冠二唇形，上唇特化为“盔”，花药隐藏在盔中。许多马先蒿的盔具有独特的“喙”状结构，一些种类的“喙”弯曲伸长，貌似大象鼻子，被称为“象鼻花”。在中国西南山地，马先蒿多个物种共存、同期开花并共享传粉昆虫熊蜂，但种间杂交却较少发生。当熊蜂振动时，花如何精准释放花粉？涉及蜂振传粉复杂的生物力学过程，以及这种独特的传粉互作背后的驱动机制目前知之甚少。

突破性发现：花与蜂共振的“关键点”

为了研究花与蜂类之间的奇妙互动，研究团队开展了跨学科交叉研究。利用多视角摄像系统记录熊蜂访问马先蒿花的全过程，观察到熊蜂选择花喙的基部特定位置咬合并振动收集花粉；通过非破坏性的3D显微CT成像技术（已获得发明专利1项）和原子力显微镜量化了花冠结构与材料参数，构建了马先蒿花的三维有限元模型；结合有限元计算模拟和振动力学实验分析，首次发现熊蜂访花的咬合点正是振动能量传递的最优激励点，即花与蜂共振“关键点”（见图2），能促进花粉高效释放；同时只有在马先蒿喙长与访花熊蜂体长相匹配，熊蜂才能在最佳咬合时将其腹部对准“象鼻花”尖端有效采集花粉和授粉。个体水平的传粉网络分析证实，马先蒿喙长与熊蜂体长存在显著的尺寸匹配（图3），并且这种精巧匹配在物种和个体层面均存在。

研究亮点：从生物力学到传粉生态学的跨学科技术融合

蜂振传粉涉及多个层面的力学问题，如何将生物力学与传粉生态学等研究相结合更是挑战。研究团队成功地构建了“振动力学-昆虫行为-生态网络”多维研究模式。首次揭示了马先蒿花的最佳激振点，也是植物与熊蜂个体间建立性状匹配默契的关键；花与蜂共振互动耦合提高了熊蜂个体的访花忠诚性，减少异种花粉干扰，可能促进同域共存马先蒿种间生殖隔离。本研究为传粉互作如何影响物种多样化提供了新认识。鉴于蜂振传粉在被子植物中的普遍性以及在经济作物中的重要性，研究为生态保护和农业授粉管理提供科学支撑。随着技术的进步，跨学科合作有望揭示自然界生命演化中更多精巧的设计。

这项研究发表于生命科学期刊SCIENCECHINA Life Sciences。中国科学院昆明植物研究所在读博士生徐苑卿为第一作者，昆明植物研究所王红研究员和中山大学吴嘉宁副教授为共同通讯作者，中山大学在读硕士生吴本韬、昆明植物研究所李德铢研究员、美国蒙大拿州立大学Mark Jankauski博士、密苏里植物园Peter Bernhardt教授、亚利桑那大学Stephen Buchmann 教授和瑞典乌普萨拉大学Mario Vallejo-Marín博士为共同作者。研究得到中国科学院战略性先导B专项（No.XDB310000）、国家自然科学基金面上项目（No. 32071670）等支持。

作者们谨以此文致敬已故的美国著名传粉生态学家Walter A. Macior （1936-2007）教授，他为马先蒿属传粉生态学研究做出了杰出贡献，并将这些特殊而优雅的花称为“象鼻花”。我们从“象鼻花”-熊蜂系统中读到的，不仅是生命智慧，更是科学精神的代际共振。

全文链接：

YQ?Xu,BT?Wu,M. Vallejo-Marín,P.?Bernhardt,M.?Jankauski,DZ?Li,S.?Buchmann,JN?Wu*,H Wang* (2025). Vibration mechanics involved in buzz pollination lead to size-dependent associations between bumblebees and Pedicularis?flowers.SCIENCECHINA Life Sciences. https://doi.org/10.1007/s11427-024-2858-5

图1.?熊蜂在有喙马先蒿上进行蜂振传粉，熊蜂访花的咬合点正是振动能量传递的最优激励点；同时只有在马先蒿喙长与访花熊蜂体长相匹配时，两者共振促进花粉高效释放。

图2.?有限元分析不同激振点（咬合点）对花振动响应的影响。

图3.?传粉熊蜂与马先蒿花性状互作的量化分析。