花蜜微生物及其生態(tài)功能研究進(jìn)展

荀二娜,趙驥民,郭繼勛, 張彥文, 3,*

1 東北師范大學(xué)草地研究所, 長(zhǎng)春 130024 2 長(zhǎng)春師范大學(xué)生物系, 長(zhǎng)春 130032 3 遼東學(xué)院農(nóng)學(xué)院, 丹東 118003

花蜜微生物及其生態(tài)功能研究進(jìn)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(xué)草地研究所, 長(zhǎng)春 130024 2 長(zhǎng)春師范大學(xué)生物系, 長(zhǎng)春 130032 3 遼東學(xué)院農(nóng)學(xué)院, 丹東 118003

花蜜是蟲媒植物提供給傳粉者最有效的報(bào)酬,對(duì)花蜜特征介導(dǎo)的植物-傳粉者相互關(guān)系的研究已成為當(dāng)今傳粉生物學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域之一。開花植物分泌的原始花蜜是無(wú)菌的,不過(guò)一些微生物可經(jīng)由空氣傳播至花蜜或(和)通過(guò)與傳粉者的喙接觸而聚集于花蜜中,并利用花蜜中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行快速繁殖?；鄣母邼B透壓環(huán)境導(dǎo)致花蜜中微生物(酵母菌,細(xì)菌)的物種多樣性相對(duì)較低。 此外,某些生物(傳粉者組成,微生物間的競(jìng)爭(zhēng))與非生物因素(滲透壓,糖組成,次生代謝物質(zhì),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(dòng)能夠改變花蜜物理(溫度,粘度)與化學(xué)(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(jìn)而影響傳粉者的訪花行為與植物的繁殖適合度。因而,對(duì)花蜜中微生物及其生態(tài)功能的研究近年來(lái)頗受傳粉生物學(xué)家的關(guān)注。在總結(jié)已發(fā)表研究成果的基礎(chǔ)上,提出今后的研究有必要結(jié)合分子生物學(xué)與化學(xué)分析技術(shù),以進(jìn)一步揭示影響花蜜中微生物群落的潛在因素的作用機(jī)制,同時(shí)對(duì)花蜜微生物改變花蜜的物理、化學(xué)特性及植物-傳粉者之間相互作用的可能原因進(jìn)行更詳盡的闡釋,特別是對(duì)花蜜微生物在生態(tài)系統(tǒng)中所發(fā)揮的生態(tài)功能進(jìn)行進(jìn)一步的研究與認(rèn)識(shí)。

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(tǒng)是基于自然界中的各物種間的相互作用網(wǎng)絡(luò),而物種間的相互作用通常由建立這一作用關(guān)系的物種的特征來(lái)介導(dǎo)[1]。為更充分地了解生態(tài)群落的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài),研究者們一直以來(lái)主要研究不同物種間的兩兩相互作用。不過(guò),作為群落的成員,不同物種必須同時(shí)直接或間接地融入群落中的正、負(fù)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(huì)因?yàn)楹雎粤擞晌锓N個(gè)體多少或(和)物種特征間接介導(dǎo)的相互作用而限制了對(duì)物種及群落動(dòng)態(tài)的全面研究[1- 2]。特征間接介導(dǎo)的相互作用表現(xiàn)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(zhǎng)發(fā)育特征、形態(tài)特征或生理特征的可塑性響應(yīng))而使這一物種對(duì)另一方物種的作用發(fā)生了相應(yīng)變化[3]。

植物與自然界中的其它物種間普遍存在著敵對(duì)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(lái)介導(dǎo)的相互作用會(huì)增強(qiáng)植物特征的可塑性響應(yīng),進(jìn)而改變植物-動(dòng)物的相互作用[4],使特征間接介導(dǎo)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(duì)者(食葉者,食花者及盜蜜者等)的存在與否以及敵對(duì)者的活動(dòng)[5- 7]。食葉者的存在與活動(dòng)不僅會(huì)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(huì)改變傳粉者可利用的花部報(bào)酬的數(shù)量、質(zhì)量及化學(xué)特征[10-11]。由此可見(jiàn),在開花植物-傳粉者的雙向互惠作用系統(tǒng)中,由于第三方參與而改變植物花部“廣告”及花部報(bào)酬的現(xiàn)象可能對(duì)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(yíng)養(yǎng)成分的汁液,被視為介導(dǎo)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(fā)生改變的介導(dǎo)植物-傳粉者雙向互惠作用的重要特征之一[12]。不過(guò),花蜜可能會(huì)吸引一些肉眼可見(jiàn)或不可見(jiàn)的利用花蜜作為能源物質(zhì)的非傳粉者與合法訪花者進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)[7,13-14]。花蜜中富含糖類等營(yíng)養(yǎng)成分,因而有利于微生物(如酵母菌、細(xì)菌)的生長(zhǎng)與繁殖。無(wú)論早期[15- 17]還是近10年[14,18- 22]微生物學(xué)家及傳粉生物學(xué)家對(duì)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(xì)菌密度分別可高達(dá)106個(gè)/mm3[23]和103CFUs /mm3[21]。不過(guò),由于花蜜中含有較高濃度的糖(高滲透壓)及次級(jí)化合物與蛋白質(zhì)等抗菌成分,所以出現(xiàn)在花蜜中的微生物的物種多樣性一般較低[24]。近年來(lái),隨著一些生態(tài)學(xué)家對(duì)花蜜微生物的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),某些接種到花蜜中的細(xì)菌和酵母菌能夠改變花蜜的部分化學(xué)組成,進(jìn)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(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)不同植物花蜜中的微生物進(jìn)行了調(diào)查,并對(duì)影響花蜜中微生物多樣性及豐度的潛在因素進(jìn)行了分析[19-20,22-23,29-30],同時(shí)也在不斷研究花蜜中微生物對(duì)花蜜特征,昆蟲訪花行為及植物-傳粉者相互作用的影響機(jī)制[18,23,26- 28],但對(duì)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(jī)制的研究仍處于探索階段,至今還沒(méi)有總結(jié)出具有說(shuō)服力的通用性的結(jié)論[31]。

本文結(jié)合近年來(lái)有關(guān)花蜜微生物的相關(guān)研究,將國(guó)內(nèi)外對(duì)花蜜微生物多樣性,花蜜微生物對(duì)花蜜特征、訪花者行為及植物繁殖適合度的潛在影響進(jìn)行了綜述,主要探討了以下4個(gè)方面的問(wèn)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(xì)菌)對(duì)花蜜物理、化學(xué)特征的影響；4)花蜜中微生物對(duì)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(duì)花蜜中普遍存在的酵母菌和細(xì)菌兩類微生物進(jìn)行了討論。

1 花蜜中的主要微生物

早在19世紀(jì)后期,微生物學(xué)家已發(fā)現(xiàn)微生物在植物花蜜中普遍存在[15- 17,32]。不過(guò),直到20世紀(jì)70年代,隨著傳粉生物學(xué)領(lǐng)域?qū)鄣纳钊胙芯?花蜜中的微生物才引起了傳粉生物學(xué)家的關(guān)注[12,33-34]。Baker夫婦[12]指出“能夠在一些暴露了一段時(shí)間的花蜜中發(fā)現(xiàn)耐高滲酵母和某些細(xì)菌”,并且Kevan等[33]曾報(bào)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(jié)構(gòu)及其生態(tài)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(wú)菌的[18,37],不過(guò)某些微生物(主要是酵母菌和細(xì)菌)可經(jīng)由空氣傳播至花蜜中或(和)通過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)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(yǎng)出了酵母菌和細(xì)菌[14,20-21,35,42]。

1.1 花蜜中的酵母菌

微生物學(xué)家對(duì)存在于植物花蜜中酵母菌的研究始于19世紀(jì)后期[32],后續(xù)的研究主要著重于花蜜中酵母菌的分布[16]、個(gè)體生態(tài)學(xué)[17]及生理特征[43]等。已發(fā)表的研究發(fā)現(xiàn)植物花蜜中的酵母菌發(fā)生率相對(duì)較高[16,23,38,44- 56]。Jimbo[16]在調(diào)查日本地區(qū)23種植物(14科)花蜜中的酵母菌分布時(shí)發(fā)現(xiàn)所采花蜜樣品(273朵花)中酵母菌的發(fā)生率為44%,并且對(duì)每種植物來(lái)說(shuō),花蜜中酵母菌的發(fā)生率介于0%—100%,平均發(fā)生率約為為47%。在調(diào)查印度西北部的9種栽培植物花蜜中的酵母菌分布時(shí),Sandhu和Waraich[44]發(fā)現(xiàn)花蜜中酵母菌的發(fā)生率在39.5%—92.1%之間,平均發(fā)生率為67.8%。通過(guò)調(diào)查生長(zhǎng)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(tǒng)計(jì)得出單個(gè)植株(316株)及花蜜樣品(635朵花)中酵母菌的發(fā)生率分別為51.3%和43.2%。Herrera等[23]對(duì)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(fā)生率進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)西班牙西南部植物的花蜜酵母菌發(fā)生率為32%(740朵花),而尤卡坦半島植物的酵母菌發(fā)生率甚至高達(dá)54.4%(675朵花)。Pozo[45]對(duì)西班牙南部105種植物(25科)花蜜中酵母菌的分布模式進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3年(2008—2010)的調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)花蜜樣品中酵母菌的發(fā)生率為39.8%(2300朵花),物種水平酵母菌的平均發(fā)生率為37.4%(105種)。Mittelbach等[46]調(diào)查了康加那利群島上鳥媒植物花蜜中酵母菌的組成,發(fā)現(xiàn)38%的花蜜樣品中(480朵花)存在可培養(yǎng)的酵母菌。由此可見(jiàn),不同地區(qū)植物花蜜中酵母菌的平均發(fā)生率較高(30%—70%)。

此外,已發(fā)表的研究還表明花蜜中酵母菌密度通常較大,可高達(dá)105—106個(gè)/mm3, 平均密度(103—104個(gè)/mm3)在大多植物花蜜中常見(jiàn)[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(dān)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(guò)的植物花蜜中最為常見(jiàn),以至于人們認(rèn)為嗜高滲子囊菌是植物花蜜中的主導(dǎo)酵母菌,而出現(xiàn)在花蜜中的擔(dān)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(guò),最近的一篇報(bào)道[46]發(fā)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)在蔗糖主導(dǎo)的花蜜中,而低濃度的己糖主導(dǎo)花蜜則利于擔(dān)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(dān)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(xiàn),不過(guò)發(fā)生率相對(duì)較低[31]。隸屬于這些屬的大多數(shù)酵母菌物種通常在花中出現(xiàn),且并非為花蜜特有種,因而被認(rèn)為可能是通過(guò)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(guān)注,但花蜜中酵母菌的時(shí)空分布更是近年來(lái)微生物學(xué)家與傳粉生態(tài)學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)[22,49- 51]。考慮到花蜜中酵母菌的空間分布模式,已發(fā)表的研究發(fā)現(xiàn)同種植物花蜜中酵母菌的發(fā)生率、密度及物種多樣性在不同地區(qū)[23]、同一地區(qū)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(fā)表的研究還表明同一地點(diǎn)的不同物種間的酵母菌發(fā)生率、密度及多樣性也存在差異,并且這種差異很可能是因?yàn)樵L花者的不同引起的[22-23]。而就花蜜中酵母菌的時(shí)間分布而言,研究表明同種植物花蜜中酵母菌的發(fā)生率、密度及多樣性在不同年際[22,45,51]、不同開花時(shí)期[18,45]及不同性期[14]均存在不同程度的差異。Pozo[45]對(duì)生長(zhǎng)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(jìn)行了連續(xù)2a(2008—2009)的調(diào)查研究,發(fā)現(xiàn)花蜜中酵母菌的發(fā)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(fā)現(xiàn)花蜜酵母菌密度在同一居群的不同植株間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)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(diào)查的2年內(nèi),花蜜中酵母菌的發(fā)生率(2008: 45%; 2009: 75% )及密度(2008: 4×104個(gè)/mm3; 2009: 2×105個(gè)/mm3)差異很大,且花蜜中酵母菌的發(fā)生率與密度與采集日期顯著相關(guān)。而對(duì)生長(zhǎng)于德國(guó)的該種植物花蜜酵母菌的調(diào)查發(fā)現(xiàn),花蜜酵母菌的發(fā)生率在早花期(4%)與盛花期(11%)不同[18]。同時(shí)Herrera等[14]發(fā)現(xiàn)Helleborusfoetidus花蜜中酵母菌發(fā)生率在雌期(60%)、雌雄期和雄期(100%)不同。對(duì)于花蜜中酵母菌在Helleborusfoetidus中的空間與時(shí)間分布模式差異,Pozo等[51]認(rèn)為很可能是由傳粉者組成及活動(dòng)引起的。

1.2 花蜜中的細(xì)菌

除酵母菌外,細(xì)菌也是花蜜中比較常見(jiàn)的微生物[31,52]。研究表明,花蜜中細(xì)菌的發(fā)生率也相對(duì)較高,比如,地中海及南非地區(qū)植物花蜜中細(xì)菌的調(diào)查結(jié)果顯示花蜜中細(xì)菌的發(fā)生率為20%—80%[20,36]。lvarez-Pérez等[20]對(duì)南非地區(qū)27種植物(12科)花蜜中細(xì)菌的調(diào)查結(jié)果顯示,花蜜樣品(71朵花)中細(xì)菌的發(fā)生率為53.5%,細(xì)菌在不同種植物花蜜中的發(fā)生率為77.8%?；壑屑?xì)菌的密度在已發(fā)表的研究中最高可達(dá)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(xì)菌時(shí)發(fā)現(xiàn),不同種類的植物花蜜中細(xì)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(xì)菌多樣性也相對(duì)較低,通常每一花蜜樣品中平均約含1.4種細(xì)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(gè)屬。令人驚訝的是,花蜜中的細(xì)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(cè)這種共存模式可能是一種互補(bǔ)營(yíng)養(yǎng)利用模式。研究者自花蜜中分離出的細(xì)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(xì)菌(Acinetobacernectaris和A.boissieri)[19]和隸屬于腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的4種細(xì)菌(Rosenbergiellanectarea,R.australoborealis,R.collisarenosi和R.epipactidis)[29,54]。

綜合已發(fā)表的關(guān)于花蜜細(xì)菌的文獻(xiàn)可以看出,花蜜中細(xì)菌具有以下特點(diǎn)：1)細(xì)菌存在于大多數(shù)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(dú)特的細(xì)菌群落[21]；3)花蜜中可鑒定出新型細(xì)菌[19]；4)花蜜中最常見(jiàn)的細(xì)菌隸屬于變形菌綱；5)聚集于花蜜中的細(xì)菌通常具有很強(qiáng)的生理適應(yīng)特性[19]。

2 影響花蜜微生物群落的因素

迄今為止,已發(fā)表的有關(guān)花蜜中微生物的研究表明,花蜜中通常聚集著一些在系統(tǒng)發(fā)育樹上處于一個(gè)分支、物種多樣性較低的酵母菌和細(xì)菌群落[24,55],且微生物在花蜜中的發(fā)生率、密度及多樣性存在時(shí)空上的變化[31,51]。由此推測(cè)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(xiàn)則取決于傳粉者或空氣的散布[22,25,40,49],因而結(jié)合以往的研究,本研究認(rèn)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(gè)方面。

2.1 生物因素

一般認(rèn)為,微生物可通過(guò)空氣傳播和(或)訪花者攜帶兩種方式出現(xiàn)在花蜜中,而由傳粉者口器攜帶為最常見(jiàn)的方式[22,25,31,49],因而傳粉者組成及傳粉者活動(dòng)對(duì)花蜜中微生物群落的形成具有重要影響。不過(guò),某種泌蜜植物的地理位置、花蜜特征及開花密度等也會(huì)影響傳粉者的組成及訪花行為,進(jìn)而可能會(huì)改變?cè)摲N植物花蜜中的微生物群落[45,49,51]。Belisle等[49]調(diào)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(qiáng)度、開花密度、植株密度及單花花蜜量的相關(guān)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)花蜜中真菌微生物的發(fā)生率僅與花密度間存在并不十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼嚓P(guān)性。另有研究表明,某些植物花蜜中酵母菌發(fā)生率與傳粉者組成顯著相關(guān)[23,38]。Pozo等[51]在研究一種鐵筷子屬植物——Helleborusfoetidus的花蜜酵母菌時(shí)空分布模式時(shí)發(fā)現(xiàn)傳粉者組成及活動(dòng)似乎是引起花蜜酵母菌發(fā)生率、密度及多樣性存在時(shí)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(dòng)與這一居群中的花密度呈正相關(guān)性,因而推測(cè)花密度可能會(huì)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(zhǎng)速率的差別,Mittelbach等[46]認(rèn)為單花期長(zhǎng)短也是影響花蜜微生物群落形成的因素之一,因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)擔(dān)子菌門酵母菌的生長(zhǎng)速率較子囊菌門的慢。關(guān)于某些生物因素(單花期長(zhǎng)短、花密度、傳粉者組成及傳粉者活動(dòng))對(duì)花蜜細(xì)菌發(fā)生率、密度及多樣性影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道,但很可能與這些生物因素對(duì)酵母菌的影響趨勢(shì)一致。

另外,優(yōu)先出現(xiàn)在花蜜中的微生物的代謝活動(dòng)及不同種類微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)作用也可能會(huì)影響花蜜中微生物群落的形成[31,56]?；壑邢鹊轿⑸锟赏ㄟ^(guò)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(fā)現(xiàn)花蜜中不同酵母菌間為爭(zhēng)奪資源會(huì)激烈競(jìng)爭(zhēng),且親緣關(guān)系越近,競(jìng)爭(zhēng)越激烈。這種物種間競(jìng)爭(zhēng)很可能會(huì)將處于劣勢(shì)的酵母菌從花蜜中淘汰,從而改變花蜜中微生物群落的構(gòu)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(qū)動(dòng)力之間相互作用的結(jié)果。一方面,富含各種營(yíng)養(yǎng)的花蜜[57]是微生物生長(zhǎng)的理想介質(zhì)；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(huì)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(gòu)成[55],也就是說(shuō),花蜜中的一些“過(guò)濾機(jī)制”可能是導(dǎo)致花蜜微生物多樣性偏低的原因。“花蜜過(guò)濾假說(shuō)”認(rèn)為花蜜中的高含糖量(與其相關(guān)的低水活度)、次生代謝物質(zhì)及抗菌蛋白等可能對(duì)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(duì)花蜜具有最佳適應(yīng)能力的菌株組成[55]。盡管大多數(shù)研究者認(rèn)為花蜜中所含的次生代謝物質(zhì)(如多酚化合物、生物堿、糖苷及過(guò)氧化氫)能夠抑制花蜜中微生物的生長(zhǎng)繁殖,不過(guò),研究發(fā)現(xiàn)花蜜中的生物堿及糖苷對(duì)花蜜中幾種常見(jiàn)的微生物并未表現(xiàn)出抑制作用[40,42]。Pozo等[40]推測(cè)可能是因?yàn)槭褂玫纳虡I(yè)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(zhì)聯(lián)合使用時(shí)才能對(duì)微生物起到抑制效果。而過(guò)氧化氫對(duì)某些細(xì)菌未起到抑制作用的原因可能是細(xì)菌體內(nèi)含有過(guò)氧化氫酶。因此,花蜜中的高含糖量被認(rèn)為對(duì)微生物具有更強(qiáng)的“過(guò)濾”作用?；凼且环N具有中等或較低水活度[62]的生境,因而可能會(huì)限制一些非耐高滲型微生物的生長(zhǎng)[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(shù)隸屬于擔(dān)子菌門(常出現(xiàn)于植物葉表面、水及空氣中)[45]。此外,Carter 和Thornburg[64]發(fā)現(xiàn)煙草中的5組花蜜蛋白(Nectarins Ⅰ—Ⅴ)能夠通過(guò)花蜜氧化還原循環(huán)而起到抗菌作用。

處于不同生境的微生物對(duì)碳和氮的同化模式存在差異[24,40]?；弁ǔ：剂枯^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(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系,這可能是因?yàn)榛壑械幕ǚ哿?huì)萌發(fā)并釋放出氨基酸,為微生物的生長(zhǎng)提供必需氮源。由此可見(jiàn),花蜜中氮含量是花蜜中微生物生長(zhǎng)的限制資源。

除此之外,某些環(huán)境因素(如空氣相對(duì)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(duì)濕度會(huì)影響花蜜的分泌速率及花蜜糖濃度[66]進(jìn)而直接(高滲透壓)或間接(通過(guò)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(huì)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(huì)影響植物的物候及花密度[69],進(jìn)而直接或間接(通過(guò)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(huì)影響傳粉者的組成及訪問(wèn)速率[67],進(jìn)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(zhǎng)[65,70],而花蜜溫度在不同季節(jié),不同日期,甚至一天中的不同時(shí)間段存在差異,因而推測(cè)花蜜中微生物應(yīng)該具備在較寬溫度范圍內(nèi)快速生長(zhǎng)的能力。Pozo等[45]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明花蜜中隸屬于梅奇酵母菌屬(Metschnikowia)的3種常見(jiàn)酵母菌(M.Kunwiensis,M.reukaufii,M.gruessii)能夠在8—30℃條件下快速生長(zhǎng)。此外,Wiens等[71]發(fā)現(xiàn)花蜜中會(huì)發(fā)生發(fā)酵作用,因而推測(cè)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(huán)境因素。

3 花蜜微生物對(duì)花蜜物化特征的影響

Raguso[72]曾提到“微生物生態(tài)學(xué)是化學(xué)生態(tài)學(xué)”。已發(fā)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(xué)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(dòng)(發(fā)酵代謝活動(dòng)及發(fā)酵-氧化代謝活動(dòng))能夠產(chǎn)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(duì)一種冬季開花的鐵筷子屬植物(Helleborusfoetidus)的蜜腺內(nèi)溫度變化(ΔTnect=Tnect-Tair) 的影響。他們發(fā)現(xiàn)接種酵母菌后,蜜腺溫度會(huì)有所升高,并且蜜腺內(nèi)溫度的增加量(ΔTnect)與接種酵母菌的密度呈顯著正相關(guān)。當(dāng)接種的酵母菌密度高于105個(gè)/mm3時(shí),蜜腺內(nèi)溫度會(huì)增加6℃。對(duì)于冬季采食花蜜的昆蟲而言,由于微生物代謝活動(dòng)而提供的相對(duì)較高的花蜜溫度可降低昆蟲體溫調(diào)節(jié)的能量消耗,同時(shí)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(fā)表的研究同時(shí)報(bào)道了微生物(細(xì)菌和酵母菌)對(duì)花蜜pH、糖濃度及H2O2濃度的影響[27,28]。Vannette等[27]通過(guò)向溝酸漿(Mimulusaurantiacus)花蜜中接種常見(jiàn)花蜜細(xì)菌(Gluconobactersp.,104個(gè)/mm3)和花蜜酵母菌(Metschnikowiareukaufii,104個(gè)/mm3)來(lái)探究花蜜微生物對(duì)花蜜化學(xué)的影響。他們發(fā)現(xiàn)無(wú)論接種細(xì)菌還是酵母菌,花蜜中H2O2濃度降低了約80%。接種細(xì)菌的花蜜pH降低了5個(gè)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(gè)單位,總糖濃度與蔗糖濃度分別降低了16%和17%。此外,接種細(xì)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(fā)生改變。Good等[28]在實(shí)驗(yàn)室條件下向人工花蜜中接種了細(xì)菌(Asaiaastilbes和Erwiniasp.,30CFUs/mm3)和酵母菌(Metschnikowiareukaufii,104個(gè)/mm3),結(jié)果發(fā)現(xiàn)接種的3種微生物均顯著降低了花蜜的pH,但細(xì)菌降低的幅度較酵母菌大。與對(duì)照相比,3種微生物對(duì)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(shí)顯著升高,而在接種M.reukaufii和Erwiniasp.時(shí)并未表現(xiàn)出顯著提高。不過(guò),對(duì)野外花蜜成分的分析發(fā)現(xiàn),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(diào)查了墨西哥22種植物花蜜中糖濃度與酵母菌密度間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)僅部分植物花蜜中的果糖、葡萄糖和蔗糖濃度會(huì)隨酵母菌密度的升高而顯著降低。他們推測(cè)與酵母菌密度相關(guān)的花蜜糖濃度變化可能在一定程度上具有物種特異性,因?yàn)椴煌参锘壑械慕湍妇郝淇赡懿煌?/p>

花蜜中微生物的出現(xiàn)還會(huì)改變花蜜中某些氨基酸的含量[24]。Peay等[24]測(cè)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(jié)果發(fā)現(xiàn)花蜜中常見(jiàn)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(cè)氨基酸為花蜜中微生物的生長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)某些植物的花蜜能夠散發(fā)出酒香味。盡管植物的花瓣能夠產(chǎn)生一些揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)而使不同植物的花蜜散發(fā)出不同的氣味,而最近的一篇報(bào)道為花蜜中的微生物能夠改變花蜜氣味提供了新的證據(jù)[80]。通過(guò)比較加羅林雪輪(Silenecaroliniana)的未經(jīng)昆蟲訪問(wèn)的花蜜(無(wú)菌花蜜)和經(jīng)昆蟲訪問(wèn)的花蜜二者之間的芳香化合物,Golonka等[80]證實(shí)該種植物僅能產(chǎn)生極少數(shù)的芳香化合物,而花蜜中存在微生物時(shí)能夠檢測(cè)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(chǎn)生乙醇、異丁醇、3-甲基- 1-丁醇及2-甲基- 1-丁醇等揮發(fā)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(lái)源。

4 花蜜微生物對(duì)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(lái)源[57],但聚集在花蜜中的微生物能夠通過(guò)改變花蜜的某些物理與化學(xué)特征而影響花蜜的質(zhì)量[14,24,37-38,73,81]。由此推測(cè)花蜜微生物也能夠影響傳粉者的行為,進(jìn)而影響植物的繁殖適合度。已發(fā)表的研究也證實(shí)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(guān)系以及植物的繁殖適合度[31]。

有關(guān)花蜜微生物影響傳粉者行為的研究始于20世紀(jì)末期[33]。Kevan等[33]的研究發(fā)現(xiàn)蜜蜂并不能完全識(shí)別接種與未接種酵母菌的花。不過(guò),此研究中既未提及接種酵母菌的密度,也未測(cè)定花蜜接種酵母菌后的特征變化。Ehlers 和Olesen[82]則發(fā)現(xiàn)火燒蘭(Epipactishelleborine)花蜜中的某些微生物能夠產(chǎn)生高濃度的乙醇而影響黃蜂的覓食行為。此外,熊蜂對(duì)接種酵母菌的飛燕草(Delphiniumbarbeyi)花蜜表現(xiàn)出覓食偏愛(ài),具體表現(xiàn)為訪問(wèn)和探測(cè)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(xì)菌(Asaiaastilbis,Erwiniatasmaniensis和Lactotobacilluskunkeei)和1種酵母菌(Metschnikowiareukaufii)對(duì)蜜蜂覓食行為的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)蜜蜂會(huì)避開訪問(wèn)接種3種細(xì)菌的花(原因可能是細(xì)菌改變了花蜜的化學(xué)成分和味道),而酵母菌并未影響蜜蜂的覓食偏愛(ài)。Pozo[45]發(fā)現(xiàn)熊蜂更傾向于訪問(wèn)接種酵母菌的花蜜時(shí)曾推測(cè)可能是酵母菌本身可為熊蜂提供所需的蛋白質(zhì)和氨基酸。同時(shí)他還認(rèn)為熊蜂對(duì)接種不同酵母菌的花蜜表現(xiàn)出不同覓食偏愛(ài)的原因可能是熊蜂可根據(jù)酵母菌細(xì)胞大小直接探測(cè)出花蜜中酵母菌的種類,或是熊蜂能夠通過(guò)酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生的醇類或其它揮發(fā)性物質(zhì)而探測(cè)和識(shí)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(tài)學(xué)功能引起了傳粉生態(tài)學(xué)家的關(guān)注[27,83-84]。Herrera等[83]通過(guò)野外及室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(duì)花的訪問(wèn)頻率,但不利于該種植物的有性繁殖。不過(guò),花蜜中接種細(xì)菌(Gluconobactersp.)后降低了蜂鳥對(duì)溝酸漿(Mimulusaurantiacus)花的訪問(wèn)次數(shù)、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(shí)增加了花粉的移除量,提高了該植物的雄性適合度。不過(guò),熊蜂和蜂鳥為何偏愛(ài)訪問(wèn)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(cè)可能是因?yàn)閭鞣壅叩母泄?嗅覺(jué)及觸覺(jué))因素,而Herrera等[83]則推測(cè)可能是源于酵母菌對(duì)花蜜物理(溫度、粘度)和化學(xué)(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(fā)現(xiàn)敘利亞馬利筋(Asclepiassyriaca)花蜜中的海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)能夠通過(guò)降低花蜜糖濃度而直接抑制花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng),進(jìn)而使胚珠受精受阻。這一現(xiàn)象發(fā)生的原因是馬利筋的蜜腺位于柱頭室內(nèi),而蜜腺分泌的花蜜糖濃度必須維持在一定范圍內(nèi)才能保證柱頭花粉的萌發(fā)和花粉管的生長(zhǎng)?；劢湍妇种苹ǚ勖劝l(fā)的現(xiàn)象也被Herrera 等[83]在鐵筷子屬植物(Helleborusfoetidus)中發(fā)現(xiàn)。特別是,他們還觀測(cè)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(xiàn)為花柱中的花粉管數(shù)目的減少,座果率、結(jié)實(shí)率及種子質(zhì)量的降低。同時(shí),Herrera等[83]的研究結(jié)果也為花蜜酵母菌通過(guò)改變傳粉者覓食模式而影響傳粉成功提供了直接證據(jù)。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(shù)及單株種子數(shù)與對(duì)照相比不存在差異[84]。但他們發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)花蜜細(xì)菌而不是酵母菌減弱了溝酸漿(Mimulusaurantiacus)的雌性適合度。他們發(fā)現(xiàn),花蜜中接種細(xì)菌(Gluconobactersp.)的溝酸漿的每果種子數(shù)較未接種細(xì)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(shù)。因而,花蜜微生物對(duì)植物繁殖適合度的影響不僅取決于微生物對(duì)傳粉者的影響[84],還取決于植物自身的特性(如花部形態(tài)、交配系統(tǒng)、繁殖構(gòu)件及花粉限制等)[83]。

總結(jié)花蜜微生物對(duì)傳粉者行為及植物繁殖適合度影響的研究可以發(fā)現(xiàn),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(guān)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(bào)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(shí)空差異[51],特別是植物種內(nèi)的差異會(huì)導(dǎo)致同種植物產(chǎn)生不同的花蜜報(bào)酬[14,51],從而可能導(dǎo)致該種植物面臨失去規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)傳粉者提供傳粉服務(wù)的危險(xiǎn)[85]；2)花蜜中的微生物能夠發(fā)酵產(chǎn)生乙醇[86],這些乙醇可能會(huì)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(chǎn)生各種香味[87],這些香味可能也會(huì)影響傳粉者的訪花行為[80]。不過(guò),花蜜微生物影響花部氣味的程度以及通過(guò)釋放揮發(fā)性物質(zhì)“過(guò)濾”傳粉者的程度還有待研究。

5 展望

盡管已發(fā)表的研究表明了花蜜微生物的分布存在時(shí)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(tǒng)中起著重要的作用,但是作者認(rèn)為至少還可以從以下5個(gè)方面對(duì)花蜜微生物及其生態(tài)功能進(jìn)行進(jìn)一步的研究與認(rèn)識(shí)。

首先,對(duì)于微生物而言,花蜜是一個(gè)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(tài)位及高度的表型可塑性[88-89]。然而,迄今為止, 研究者對(duì)于花蜜中微生物(酵母菌和細(xì)菌)的表型分布卻知之甚少。Pozo等[31]的初步研究發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)花蜜中的酵母菌雖然多以克隆方式進(jìn)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(xué)手段研究花蜜微生物(酵母菌和細(xì)菌)的表型和基因型的多樣性分布對(duì)研究花蜜微生物將具有重要的指導(dǎo)意義。

其次,目前關(guān)于花蜜微生物生態(tài)功能的研究主要集中在花蜜微生物群落對(duì)傳粉者行為及植物繁殖適合度的影響,但花蜜微生物對(duì)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(jiàn)報(bào)道。然而,與花蜜微生物參與到植物-傳粉者互惠作用系統(tǒng)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(tǒng)中。考慮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?yàn)檫@些捕食者及寄生者提供糖類等能量來(lái)源[93-94]間的關(guān)聯(lián),推測(cè)對(duì)花蜜微生物生態(tài)功能的全面研究可能會(huì)提高農(nóng)業(yè)耕作體系中的生物防治作用。從這種意義上說(shuō),如果微生物能夠誘導(dǎo)植物的化學(xué)防御,則花蜜微生物可能對(duì)與植物相互作用的其它生物體(如盜蜜者、害蟲或植食動(dòng)物)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)或交互作用。由此看來(lái),探究花蜜微生物對(duì)其它訪花昆蟲的影響將具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

第三,傳粉者吸食孕育微生物的花蜜后可能會(huì)影響自身適合度。眾所周知,蜂在吸食花蜜后需要經(jīng)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(ài)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(zhì)和氨基酸[96]。由此看來(lái),研究與傳粉者相關(guān)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(bào)酬的花蜜,泌蜜植物一定會(huì)進(jìn)化出一系列抵御微生物侵染花蜜的機(jī)制[58,64]。已鑒定出的某些抗菌蛋白被認(rèn)為可能會(huì)保護(hù)花蜜免受微生物侵染[61],如煙草花蜜中的某些蛋白質(zhì)會(huì)參與花蜜氧化還原循環(huán)。某些脂肪酶及RNA酶也出現(xiàn)在花蜜中,但其對(duì)花蜜微生物的抗菌效應(yīng)還未進(jìn)行測(cè)定[97]。研究者推測(cè)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(nèi)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(shí)。調(diào)查不同植物花蜜中抗菌蛋白與次級(jí)化合物的種類及含量,并在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬花蜜條件來(lái)研究抗菌蛋白與次級(jí)化合物對(duì)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(jī)制。

最后,花蜜中常見(jiàn)的海洋酵母菌(Metschnikowiareukaufii)能夠產(chǎn)生大量的揮發(fā)性化合物而使花蜜具有獨(dú)特的氣味[80]。由此推測(cè)花蜜微生物的代謝活動(dòng)可能會(huì)影響花蜜對(duì)傳粉者的“品嘗前”吸引[98]。測(cè)定花蜜接種單一物種微生物、多種酵母菌或細(xì)菌及酵母菌與細(xì)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(jī)制提供一定的研究基礎(chǔ)。

總之,人們對(duì)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(shí)空分布模式的研究還不夠全面,特別是關(guān)于花蜜微生物對(duì)傳粉者行為及植物-傳粉者互惠關(guān)系影響的研究仍處于探索階段。但可以肯定的是出現(xiàn)在花蜜中的微生物必定具有某些獨(dú)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(tǒng)及其它生物系統(tǒng)中具有某種重要的生態(tài)學(xué)功能。

[1] Werner E E, Peacor S D. A review of trait-mediated indirect interactions in ecological communities. Ecology, 2003, 84(5): 1083- 1100.

[2] Abrams P A. Implications of dynamically variable traits for identifying, classifying and measuring direct and indirect effects in ecological communities. The American Naturalist, 1995, 146(1): 112- 134.

[3] Wootton J T. Indirect effects and habitat use in an intertidal community: interaction chains and interaction modifications. The American Naturalist, 1993, 141(1): 71- 89.

[4] Strauss S Y, Irwin R E. Ecological and evolutionary consequences of multispecies plant-animal interactions. Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics, 2004, 35(1): 435- 566.

[5] Strauss S Y, Connner J K, Rush S L. Foliar herbivory affects floral characters and plant attractiveness to pollinators: implication for male and female plant fitness. The American Naturalist, 1996, 147(6): 1098- 1107.

[6] McCall A C, Irwin R E. Florivory: the intersection of pollination and herbivory. Ecology Letters, 2006, 9(12): 1351- 1365.

[7] Irwin R E, Bronstein J L, Manson J S, Richardson L. Nectar robbing: ecological and evolutionary perspectives. Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics, 2010, 41(1): 271- 292.

[8] Cresswell J E, Hagen C, Woolnough J M. Attributes of individual flowers ofBrassicanapusL. are affected by defoliation but not by intraspecific competition. Annals of Botany, 2001, 88(1): 111- 117.

[9] Theis N, Kesler K, Adler L S. Leaf herbivory increase floral fragrance in male but not femaleCucurbitapeposubsp.texana(Cucurbitaceae) flowers. American Journal of Botany, 2009, 96(5): 897- 903.

[10] Lehtil? K, Strauss S Y. Effects of foliar herbivory on male and female reproductive traits of wild radish,Raphanusraphanistrum. Ecology, 1999, 80(1): 116- 124.

[11] Cozzolino S, Fineschi S, Litto M, Scopece G, Trunschke J, Schiestl F P. Herbivory increases fruit set in Silene latifolia: a consequence of induced pollinator-attracting floral volatiles?. Journal of Chemical Ecology, 2015, 41(7): 622-630.

[12] Baker H G, Baker I. Studies of nectar-constitution and pollinator-plant coevolution // Gilbert L E, Raven P H, eds. Coevolution of animals and plants. Austin, TX: University of Texas Press, 1975: 100- 104.

[13] Adler L S, Bronstein J L. Attracting antagonists: does floral nectar increase leaf herbivory. Ecology, 2004, 85(6): 1519- 1526.

[14] Herrera C M, García I M, Pérez R. Invisible floral larcenies: microbial communities degrade floral nectar of bumble bee-pollinated plant. Ecology, 2008, 89(9): 2369- 2376.

[15] Betts A D. Nectar yeasts. The Bee World, 1920, 1: 252- 253.

[16] Jimbo T. Yeasts isolated from flower nectar. Science Reports of the Tohoku Imperial University, 1926, 2: 161- 187.

[17] Lund A. Studies on the ecology of yeasts. Haislund N, Trans.Copenhagen: Tubory Breweries, 1954.

[18] Brysch-Herzberg M. Ecology of yeasts in plant-bumblebee mutualism in Central Europe. FEMS Microbiology Ecology, 2004, 50(2): 87- 100.

[21] Fridman S, Izhaki I, Gerchman Y, Halpern M. Bacterial communities in floral nectar. Environmental Microbiology Reports, 2012, 4(1): 97- 104.

[22] Golonaka A M, Vilgalys R. Nectar inhabiting yeasts in Virginian populations ofSilenelatifolia(Caryophyllaceae) and coflowering species. The American Midland Naturalist, 2013, 169(2): 235- 258.

[23] Herrera C M, de Vega C, Canto A, Pozo M I. Yeasts in floral nectar: a quantitative survey. Annals of Botany, 2009, 103(9): 1415- 1423.

[24] Peay K G, Belisle M, Fukami T. Phylogenetic relatedness predicts priority effects in nectar yeast communities. Proceeding of the Royal Society B, 2012, 279(1729): 749- 758.

[25] Pozo M J, de Vega C, Canto A, Herrera C M. Presence of yeasts in floral nectar is consistent with the hypothesis of microbial-mediated signaling in plant-pollinator interactions. Plant Signal & Behavior, 2009, 4(11): 1102- 1104.

[26] de Vega C, Herrera C M. Microorganisms transported by ants induce changes in floral nectar composition of an ant-pollinated plant. American Journal of Botany, 2013, 100(4): 729- 800.

[27] Vannette R L, Gauthier M P L, Fukami T. Nectar bacteria, but not yeast, weaken a plant-pollinator mutualism. Proceeding of the Royal Society B, 2013, 280(1752): 20122601.

[28] Good A P, Gauthier M P L, Vannette R L, Fukami T. Honey bees avoid nectar colonized by three bacterial species, but not by a yeast species, isolated from the bee gut. Plos One, 2014, 9(1): e86494.

[29] Lenaerts M,lvarez-Pérez S, de Vega C, van Asschea A, Johnsond S D, Willemsa K A, Herrerac C M, Jacquemyne H, Lievensa B.Rosenbergiellaaustraloborealissp. nov.,Rosenbergiellacollisarenosisp. nov. andRosenbergiellaepipactidissp. nov., three novel bacterial species isolated from floral nectar. Systematic and Applied Microbiology, 2014, 37(6): 402- 511.

[30] 陳林楊. 木本曼陀羅花蜜抗菌活性及其可培養(yǎng)微生物多樣性比較研究[D].昆明：云南師范大學(xué),2014：15- 21.

[31] Pozo M I, Lievens B, Jacquemyn H. Impact of microorganisms on nectar chemistry, pollinator attraction and plant fitness. // Peck R L, ed. Nectar: Production, Chemical Composition and Benefits to Animals and Plants. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2014.

[32] Boutroux L. Sur la Conservation des ferments alcooliques dans la nature. Annales des Sciences Naturelles, Série Ⅳ, Botanique, 1884, 17: 145- 209.

[33] Kevan P G, Eisikowitch D, Fowle S, Thomas K. Yeast-contaminated nectar and its effects on bee foraging. Journal of Apicultural Research, 1988, 27(1): 26- 19.

[34] Eisikowitch D, Kevan P G, Lachance M A. The nectar-inhabiting yeasts and their effect on pollen germination in common milkweed.AsclepiassyriacaL. Israel Journal of Botany, 1990, 39(1/2): 217- 225.

[36] Schaeffer R N, Phillips C R, Duryea M C, Andicoechea J, Irwin R E. Nectar yeasts in the tall larkspurDelphiniumbarbeyi(Ranunculaceae) and effects on components of pollinator foraging behavior. Plos One, 2014, 9(10): e108214.

[37] Canto A, Herrera C M, Medrano M, Pérez R, García I M. Pollinator foraging modifies nectar sugar composition inHelleborusfoetidus(Ranunculaceae): An experimental test. American Journal of Botany, 2008, 95(3): 315- 320.

[38] de Vega C, Herrera C M, Johnson S D. Yeasts in floral nectar of some South Aferican plants: quantification and associations with pollinator type and sugar concentration. South African Journal of Botany, 2009, 75(4): 798- 806.

[39] Pozo M I, Herrera C M, Bazaga P. Species richness of yeast communities in floral nectar of southern Spanish plants. Microbial Ecology, 2011, 61(1): 82- 91.

[40] Pozo M I, Lachance M A, Herrera C M. Nectar yeasts of two southern Spanish plants: the roles of immigration and physiological traits in community assembly. FEMS Microbiology Ecology, 2012, 80(2): 281- 293.

[41] Aizenberg-Gershtein Y, Izhaki I, Halpern M. Do honeybees shape the bacterial community composition in floral nectar? Plos One, 2013, 8(7): e67556.

[42] Manson J S, Lachance M A, Thomson J D.Candidagelsemiisp. nov., a yeast of the Metschnikowiaceae clade isolated from nectar of the poisonous Carolina Jessamine. Antonie van Leeuwenhoek, 2007, 92(1): 37- 52.

[43] Babjeva I P, Gorin S. About the spore formation and the life cycle of Metschnikowia pulcherrima and M. reukaufii in the nature. Bulletin of Moscow University, 1973, 5: 82- 85.

[44] Sandhu D K, Waraich M K. Yeasts associated with pollinating bees and flower nectar. Microbial Ecology, 1985, 11(1): 51- 58.

[45] Pozo M I. Yeasts in floral nectar: community ecology and interactions with insect pollinators and host plants [D]. Seville, Spain: University of Seville, Seville, 2012.

[46] Mittelbach M, Yurkov A M, Nocentini D, Nepi M, Weigend M, Begerow D. Nectar sugars and bird visitation define a floral niche for basisiomycetous yeast on the Canary Island. BMC Ecology, 2015, 15(1): 2.

[47] Jacquemyn H, Lenaerts M, Tyteca D, Lievens B. Microbial diversity in the floral netar of sevenEpipactis(Orchidaceae) species. Microbiology Open, 2013, 2(4): 644- 658.

[48] Mushtaq M, Jamal A, Nahar S. Biodiversity of yeast mycoflora in nectar ofHibiscusrosa-sinensisandIxoracoccineaflowers. Pakistan Journal of Botany, 2007, 39(4): 1367- 1376.

[49] Belisle M, Peay K G, Fukami T. Flowers as islands: spatial distribution of nectar-inhabiting microfungi among plants ofMimulusaurantiacus, a hummingbird-polloinated shrub. Microbial Ecology, 2012, 63(4): 711- 718.

[50] Jacquemyn H, Lenaerts M, Brys R, Willems K, Honnay O, Lievens B. Among-population variation in microbial community structure in the floral nectar of the bee-pollinated forest herbPulmonariaofficinalisL. Plos One, 2013, 8(3): e56917.

[51] Pozo M I, Herrera C M, Alonso C. Spatial and temporal distribution patterns of nectar-inhabiting yeasts: how different floral microenvironments arise in winter-blooming Helleborus foetidus. Fungal Ecology, 2014, 11: 173- 180.

[52] Schmitt A. The invisible communities of nectar: how yeast and bacteria alter nectar characteristics. The Duluth Journal of Undergraduate Biology, 2014, 1: 19- 29.

[53] Samuni-Blank M, Izhaki I, Laviad S, Bar-Massada A, Gerchman Y, Halpern M. The role of abiotic environmental conditions and herbivory in shaping bacterial community composition in floral nectar. Plos One, 2014, 9(6): e99107.

[54] Halpern M, Fridman S, Atamna-Ismaeel N, Izhaki I.Rosenbergiellanectarea gen nov. sp. nov. in the family Enterobacteriaceae, isolated from floral nectar. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2013, 63(11): 4259- 5265.

[55] Herrera C M, Canto A, Pozo M I, Bazaga P. Inhospitable sweetness: nectar filtering of pollinator-borne inocula leads to impoverished, phylogenetically clustered yeast communities. Proceedings of the Royal Society B, 2010, 277(1682): 747- 754.

[56] Pozo M I, Herrera C M, Lachance M A, Verstrepen K, Lievens B, Jacquemyn H. Species coexistence in simple microbial communities: unraveling the phenotypic landscape of co-occuring Metschnikowia species in floral nectar. Environmental Microbiology, 2015, doi: 10.1111/1462- 2920.13037.

[57] Nicolson S W, Thornburg R W. Nectar chemistry. // Nicolson S W, Nepi M, Pacini E, eds. Nectaries and Nectar. Netherlands: Springer, 2007. 215- 264.

[58] Adler L S. The ecological significance of toxic nectar. Oikos, 2000, 91(3): 406- 520.

[59] Kyung K H, Woo Y H, Kim D S, Park H J, Kim Y S. Antimicrobial activity of an edible wild plant, apiifolia Virgin’s Bower (ClematisapiifoliaDC). Food Science and Biotechnology, 2007, 16(6): 1051- 1054.

[60] Pozo M I, Herrera C M, Van den Ende W, Verstrepen K, Lievens B, Jacquemyn H. The impact of nectar chemical features on phenotypic variation in two related nectar yeasts. FEMS Microbiology Ecology, 2015, 91(6): fiv055.

[61] Carter C, Healy R, Nicole M, O′ Tool N M, Naqvi S M, Ren G, Park S, Beattie G A, Horner H T, Thornburg R W. Tobacco nectaries express a novel NADPH oxidase implicated in the defense of floral reproductive tissues against microorganisms. Plant Physiology, 2007, 143(1): 389- 399.

[62] Nicolson S W.Eucalyptusnectar: production, availability, composition and osmotic consequences for the larva of the eucalypt nectar fly,Drosophilaflavohirta. South African Journal of Science, 1994, 90(2): 75- 79.

[63] Lievens B, Hallsworth J E, Pozo M I, Belgacem Z B, Stevenson A, Willems K A, Jacquemyn H. Microbiology of sugar-rich environments: diversity, ecology and system constraints. Environmental Microbiology, 2015, 17(2): 278- 298.

[64] Carter C, Thornburg R. Is the nectar redox cycle a floral defense against microbial attack? Trends in Plant Science, 2004, 9(7): 320- 324.

[65] Lachance M A. Yeast biodiversity: how many and how much? // Péter G, Rosa C, eds. Biodiversity and Ecophysiology of Yeasts. Berlin Heidelberg: Springer, 2006: 1- 9.

[67] Herrera C M. Microclimate and individual variation in pollinators: flowering plants are more than their flowers. Ecology, 1995, 76(5): 1516- 1524.

[68] Freeman C E, Head K C. Temperature and sucrose composition of floral nectars inIpomopsislongifloraunder field conditions. The Southwestern Naturalist, 1990, 35(4): 423- 526.

[69] Sánchez-Lafuente A M, Guitián J, Medrano M, Herrera C M, Rey P J, Cerdá X. Plant traits, environmental factors, and pollinator visition in winter-flowering Helleborus foetidus (Ranunculaceae). Annals of Botany, 2005, 96(5): 845- 852.

[70] Deak T. Environmental factors influencing yeasts. // Péter G, Rosa C, eds. Biodiversity and Ecophysiology of Yeasts. Berlin Heidelberg: Springer, 2006: 155- 174.

[71] Wiens F, Zitzmann A, Lachance M A, Yegles M, Pragst F, Wurst F M, von Holst D, Guan S L, Spanagel R. Chronic intake of fermented floral nectar by wild treeshrews. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(30): 10426- 10431.

[72] Raguso R A. A wrapped Bouquet: the untapped potential of floral chemistry. Journal of Chemical Ecology, 2014, 40(5): 412- 513.

[73] Herrera C M, Pozo M I. Nectar yeasts warm the flowers of a winter-blooming plant. Proceedings of the Royal Society B,, 2010, 277(1689): 1827- 1834.

[74] Matiashe I, Mahara P, Marume P. Development of Lemon and lime nectar at Mazoe Citrus Estate, Zimbabwe. IOSR Journal of Engineering, 2014, 4(1): 51- 60.

[75] Canto A, Herrera C M. Micro-organisms behind the pollination scenes: microbial imprint on floral nectar sugar variation in a tropical plant community. Annals of Botany, 2012, 110(6): 1173- 1183.

[76] Raguso R A. Why are some floral nectars scented? Ecology, 2004, 85(6): 1486- 1494.

[77] Goodrich K R, Zjhra M L, Ley C A, Raguso R A. When flowers smell fermented: the chemistry and ontogeny of yeasty floral scent in pawpaw (Asiminatriloba: Annonaceae). International Journal of Plant Sciences, 2006, 167(1): 33- 56.

[78] Nicolson S W, de Veer L, K?hler A, Pirk C W W. Honeybees prefer warmer nectar and less viscous nectar, regardless of sugar concentration. Proceedings of the Royal Society B, 2013, 280(1767): 20131597.

[79] Raguso R A. Wake up and smell the roses: the ecology and evolution of floral scent. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2008, 39: 549- 569.

[80] Golonka A M, Obi Johnson B, Freeman J, Hinson D W. Impact of nectarivorous yeasts onSilenecaroliniana’s scent. Eastern Biologist, 2014, 3: 1- 26.

[81] Canto A, Pérez R, Medrano M, Castellanos M C, Herrera C M. Intraplant variation in nectar sugar composition in twoAquilegiaspecies (Ranunculaceae): contrasting patterns under field and glasshouse conditions. Annals of Botany, 2007, 99(4): 653- 660.

[82] Ehlers B K, Olesen J M. The fruit-wasp route to toxic nectar in Epipactis orchids? Flora, 1997, 192(3): 223- 229.

[83] Herrera C M, Pozo M I, Medrano M. Yeasts in nectar of an early-blooming herb: sought by bumblebees, detrimental to plant fecundity. Ecology, 2013, 94(2): 273- 279.

[84] Schaeffer R N, Irwin R E. Yeasts in nectar enhance male fitness in a montane perennial herb. Ecology, 2014, 95(7): 1792- 1798.

[85] Biernaskie J M, Cartar R V, Hurly T A. Risk-averse inflorescence departure in hummingbirds and bumble bees: could plants benefit from variable nectar volumes? Oikos, 2002, 98(1): 98- 104.

[86] Lin Y, Tanaka S. Ethanol fermentation from biomass resources: current state and prospects. Applied Microbiology and Biotechnology, 2006, 69(6): 627- 642.

[87] Swiegers J H, Bartowsky E J, Hensehke P A, Pretorius I S. Yeast and bacterial modulation of wine aroma and flavour. Australian Journal of Grape and Wine Research, 2005, 11(2): 139- 173.

[88] Roughgarden J. Evolution of niche width. The American Naturalist, 1972, 106(952): 683- 718.

[89] Baythavong B S. Linking the spatial scale of environmental variation and the evolution of phenotypic plasticity: selection favors adaptive plasticity in fine-grained environments. The American Naturalist, 2011, 178(1): 75- 87.

[90] Herrera C M, Pozo M I, Bazaga P. Nonrandom genotype distribution among floral hosts contributes to local and regional genetic diversity in the nectar living yeastMetschnikowiareukaufii. FEMS Microbiology Ecology, 2014, 87(3): 568- 575.

[91] Herrera C M. Population growth of the floricolous yeastMetschnikowiareukaufii: effects of nectar host, yeast genotype and host×genotype interaction. FEMS Microbiology Ecology, 2014, 88(2): 250- 257.

[92] Bale J S, Van Lenteren J C, Bigler F. Biological control and sustainable food production. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 2008, 363(1492): 761- 776.

[93] Zender G, Gurr G M, Kuhne S, Kühne S, Wade M R, Wratten S D, Wyss E. Arthropod pest management in organic crops. Annual Review of Entomology, 2007, 52: 57- 80.

[94] Johnson M, Wratten S D, Landis D A, Gurr G M. Recent advances in conservation biological control of arthropods by arthropods. Biological Control, 2008, 45(2): 172- 175.

[95] Lee F J, Rusch D B, Stewart F J, Mattila H R, Newton I L G. Saccharide breakdown and fermentation by the honey bee gut microbiome. Environmental Microbiology, 2015, 17(3): 796- 815.

[96] Somerville D. Fat bees skinny bees: a manual on honey bee nutrition for beekeepers. Goulburn: NSW Department of Primary Industries, 2005.

[97] Nepi M. Beyond nectar sweetness: the hidden ecological role of non-protein amino acids in nectar. Journal of Ecology, 2014, 102(1): 108- 115.

[98] González-Teuber M, Heil M. Nectar chemistry is tailored for both attraction of mutualists and protection from exploiters. Plant Signaling & Behavior, 2009, 4(9): 809- 813.

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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(tài)功能研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),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.