解密鸟类的“可口可乐树”

文/图 骆世洪 刘燕 华娟 黎胜红

  

花蜜(Nectar)是植物提供给传粉者的“报酬”,是植物和访花者相互作用的重要桥梁。自然界中植物的花蜜绝大多数都是没有颜色的,然而近年来发现,大约有70种左右的植物花蜜非常罕见,呈现出奇特的黄、橙、红、棕、绿、蓝、黑等颜色。和花儿的色彩秘密一样,这些花蜜的颜色主要是由于其含有不同的色素类化学物质所导致,但这些化学物质到底是什么?它们在自然界中究竟又有什么样的功能呢?
  米团花(Leucosceptrum canum)为唇形科中少见的大型木本植物,可高达十余米,具有棕褐色花蜜,是该科中目前发现的唯一一种有色花蜜植物,能吸引40余种鸟类对其取食,因此米团花也被称为鸟类的“可口可乐树”。     
  为了弄清楚米团花花蜜中的色素物质及其在自然界中的功能,我们于2008年采集了不同地点的109个花蜜样品,运用高效液相色谱分析了它们在400 nm处的紫外吸收,并对这些色谱图进行了比较,发现所有样品中都含有一个主要的色素类化合物。然而,当我们采集到20 kg干重米团花的花,试图从中分离鉴定这个化合物时,却几乎找不到它的踪影——看来只有大规模采集花蜜才能实现我们的目标。于是,从2009年米团花的花期刚开始、每天早上在鸟儿取食花蜜之前,我们就扛着梯子前往昆明植物园中采集花蜜。为了不被损坏花序,保证单花在盛花期内每天都能持续不断地分泌花蜜,我们用移液枪小心翼翼地从一朵朵花中吸取花蜜,积累到一定的量时迅速贮存于-80℃冰箱中,防止其中的化合物发生降解。那一年我们一共采集到了100 mL左右的花蜜,但还是由于花蜜量太少,而这个色素物质又非常不稳定,分离过程中极易发生降解,加上我们当时的经验还欠缺,最终很遗憾我们的化学工作还是失败了。  
  到了2010年,我们重振旗鼓,加大了花蜜样品的采集量,这次一共采集到了200mL左右的花蜜,从中也分离得到了少量的上述色素化合物,但在分析测试过程中,化合物基本上降解了,因此我们还是未能如愿鉴定出其化学结构。然而,我们对这个结果并不甘心!于是在2011年米团花开花之前,我们就早早做好了准备。到了盛花期,我们出动了几乎整个课题组,从大约600万朵单花中共采集到了645 mL花蜜样品,在吸取了前两年的经验教训基础上,功夫不负有心人,我们终于成功分离得到27.5mg主要色素化合物的纯品!这次我们很小心地把样品抽干后保存在-80℃冰箱中,与分析测试中心预约了时间,整个核磁共振(NMR)分析过程中,我们几乎是和工作人员一起守着样品度过的,直到拿到漂亮的测试结果我们那悬着的心才放了下来。接下来的图谱分析只是需要耐心而已,很快我们对化合物的1D和2D NMR图谱分析后发现,我们期待了三年多的该化合物的结构原来是一个新颖的对称性的脯氨酸-对苯二醌共轭体(简称DPBQ),这与我们获得的高分辨质谱分析结果完全一致。随后我们进一步采用合成的方法得到了 (-)-DPBQ和(+)-DPBQ,并进行了它们的圆二色谱和旋光光谱比较分析,准确而又完整地确定了天然的DPBQ即为(-)-DPBQ,至此米团花棕褐色花蜜中的化学秘密终于被完全打开了。  
  那么,DPBQ在自然界中到底有什么样的功能呢?为此,我们对DPBQ在花蜜中的含量进行了准确定量分析,选取了一个中等浓度(500 g/mL),并用米团花的传粉鸟之一——暗绿绣眼鸟(Zosterops japonicus)进行了鸟行为实验研究。
  首先,我们在直径12 cm的培养皿中画一个6 cm的等边三角形,中心即为培养皿的圆心位置。然后我们在三角形的三个顶点位置用双面胶分别粘上三个200 μL容量小杯,并在小杯中分别加入花蜜、蜜糖(从花蜜中分离纯化得到并配制成自然界中相同的糖浓度)和水各100 μL,放置于鸟笼中,观察和记录鸟的第一选择和取食情况。每次取食后把培养皿顺时针或逆时针旋转60,实验100次后即停止,重复做6只鸟。  
  随后我们将装有蜜糖和水的容量小杯涂抹成和花蜜相近的颜色,重复上述实验。结果发现,无论是选择频率还是取食量方面,花蜜都显著高于蜜糖和水,表明暗绿绣眼鸟偏好取食米团花花蜜。当把装有蜜糖和水的容器外表涂成花蜜颜色时,鸟类对花蜜的偏好会被严重干扰。随后,我们将DPBQ、(-)-DPBQ和(+)-DPBQ配制成500 g/mL的溶液,以水为对照分别开展类似上述的鸟行为实验研究。结果发现,绿绣眼鸟对DPBQ,(-)-DPBQ和(+)-DPBQ的选择性很相似,取食频率都明显高于对照。但当把装有水的容器外表涂成化合物的颜色时,这种选择性则大大降低。因此我们最终我们证实了DPBQ在米团花花蜜中是通过其颜色来吸引传粉鸟类的。  

后记:本研究由中国科学院昆明植物研究所植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室开展完成,其结果发表于Organic Letters上,并获得审稿者的高度评价,其中一位认为“这篇文章对天然产物化学/化学生态学来说是一个有价值的贡献,……展示了有机化学家应该如何开展化学生态学研究”,另一审稿者则认为“这是同类研究中的一个教科书般的例子”。
该研究首次发现了一类新颖的植物花蜜色素物质,首次清晰无疑地揭示了有色花蜜植物难以捉摸的化学与生态功能。
   
作者简介:骆世洪,男,博士,助理研究员,从事植物化学与化学生态学相关的研究工作。
  

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