在协同进化过程中,植物-食果动物之间形成了 较稳定的互惠关系^{[1, 2, 3]} 。食果动物包括种子传播者 和种子捕食者,种子捕食者如昆虫、真菌和部分脊椎 动物,以种子为食物而缺乏传播作用,植物对此类捕 食者有防御作用^[3] 。种子传播者多为脊椎动物,主 要包括鸟类、灵长类、翼手类等,通过取食果肉获得 食物;作为回报,传播者多以体内传播的方式将种子 搬运至新的地点,实现植物种群的扩散^{[4, 5]} 。

植物次生物质是植物次生代谢过程产生的一系 列小分子化学物质,亦称植物次生代谢物(PSMs), 是植物与其它类型生物在长期演化过程中产生的。 国内外学者对植物茎、叶内次生物质的一系列研 究^{[6, 7, 8, 9]} 表明,食草动物对植物茎、叶的取食压力,通常 促使植物茎、叶等部位产生较多次生物质防御捕食; 而次生物质又反过来潜在影响动物的取食行为、种 间关系和分布^[10] 。因此,对植物次生物质的研究是 目前动、植物关系与生态系统中生物多样性维持机 制研究的热点之一。

从依赖脊椎动物传播的肉质果角度看,肉质果 营养丰富,季节性限制较强,具有强吸引性和短时效 性^[11] ,除了在形态结构、物候等方面抵御食果动物 的捕食外^[3] ,植物如何在挂果期内既能吸引动物传 播者取食果实传播种子,又能防御种子捕食者过度 消耗种子? 果实内的次生物质是否在此过程中起到 至关重要的调控作用? 尽管国内在非肉质果内次生 物质对植物-啮齿类互惠关系的调控方面做了大量 工作^{[12, 13, 14]} ,但涉及肉质果内次生物质对植物-食果动 物之间的研究还远远不够^[15] ,国外在这方面研究却 很丰富。鉴于此,本文从脊椎动物传播植物肉质果 中的次生物质类型、含量变化规律、生态作用等方面 展开论述,并提出未来研究需要关注的方向,以期能 促进植物与动物之间种子传播和互惠关系的深入 研究。

植物次生物质种类繁多,根据次生物质的基本 结构特点,Dixon^[16] 将其分为萜类化合物、酚类化合 物和含氮化合物三大类。很多依赖脊椎动物传播的 肉质果实中含有与植物茎、叶内相同的次生物 质^[17] 。这些次生物质通常在果肉内分布居多,果皮 和种子(仁)中也可能同时含有。近些年,对依赖脊 椎动物体内传播(主要是鸟类)的茄属、辣椒属、樱桃 属等肉质果的研究表明,果肉内的次生物质类型丰 富,包括3 大类7 个类型(表1)。

肉质果中次生物质的含量随果实成熟而发生变 化。许多学者认为:未成熟果实中通常富含次生物 质,可以保护未成熟种子不被潜在的捕食者和食果 动物取食,而大多数次生物质在果实成熟过程中逐 渐递减,从而在种子成熟后促进食果者对果实进行 取食^{[15, 35, 37, 38]} 。葡萄(Vitis vinifera)中酚类化合物浓 度在果实发育过程中的变化就表现出明显的规律。 果实从形成初始,直到果实转熟颜色转变时,单宁的 浓度随着果实的增重而增加,但颜色刚转变的果实 对于鸟类适口性较差;在果实进一步成熟、体积增大 的过程中,单宁浓度逐渐下降^{[30, 31]} ;而葡萄中花青素 在果实颜色转变时就开始积累,在成熟过程中浓度 不断增加,直到果实发育后期浓度才有所下降^[33] 。 Tsahar 等^[28] 定量分析了地中海沙棘(Rhamnus alaternus)果实在成熟前后大黄素浓度变化与种子捕 食者对种子破坏的相关性。大黄素浓度在果实成熟 过程第1 阶段内上升,在成熟前达到1 个高峰,直至 果实成熟时大黄素浓度才降低到最低限度。在沙棘 果实逐渐成熟第一个月份里,大黄素浓度与无脊椎 动物或微生物捕食种子之间存在显著负相关,与其 它含有低浓度大黄素的植物果肉相比,高浓度种子 受损更少。这验证了多数学者的看法,即未成熟果 实中的次生物质能减少种子成熟之前被捕食的可能 性,在果实和种子成熟后这些次生物质会弱化或 消失。

但需指出,很多肉质果实植物在种子成熟后很 长时间内其果肉和种子中也会存在次生物质,甚至 一些次生物质的含量随着果实成熟而逐渐增多。 Estrada 等^[39] 研究发现,辣椒属植物五彩椒 (Capsicum annuum) 的果实在发育早期(开花后14 d)即能检测到辣椒素,且其在开花21 d 后依然保持 较低含量,但在开花28 d 后辣椒素含量逐渐增加,在 辣椒发育最后阶段(开花后42 d)辣椒素水平达到最 高;游离酚的积累与辣椒素完全相反,发育早期的含 量远远高于发育的最后阶段。肉质果内的一些挥发 性次生物质,如番茄(Solanum lycopersicum)内的脱辅 基类胡萝卜素(Apocarotenoids)在果实成熟末期才释 放,在果实成熟过程中,脱辅基类胡萝卜素的含量可 增至40 倍^[40] ;成熟草莓(Fragaria ×ananassa)中大多 数含硫挥发物的含量是未成熟草莓中的2 倍多^[41] 。

有学者曾提出关于成熟果实内次生物质对脊椎 动物防御作用的两个对立假说: 淤专毒性假说 (Directed Toxicity Hypothesis),即成熟果实中的次生 物质具有选择性,对非种子传播的食果实者毒性大, 但对种子传播者没有或者有极少毒性。于泛毒性假 说(General Toxicity Hypothesis),即果实中的次生物 质没有选择性,对所有食果动物都有毒性,毒性模式 与消费者对植物潜在的好处无关^[38] 。

很多学者对这两种假说的论证,主要从某类 (种)特定次生物质的防御作用是否针对种子捕食者 而展开研究的。很多研究支持专毒性假说,其中涉 及到的次生物质只针对种子捕食者,这类次生物质 主要是氰苷和辣椒素。Struempf 等^[25] 发现樱桃属 (Prunus)和接骨木属(Sambucus)成熟果实中的苦杏 仁甙(Amygdalin,一种芳香族氰苷) 对雪松太平鸟 (Bombycilla cedrorum)无抑制作用,雪松太平鸟可以 在4 h 内消费5—6 倍足以杀死实验鼠剂量的苦杏仁 甙。相同的研究表明,辣椒中的辣椒素对哺乳类(如 啮齿类等种子捕食者)有强烈的毒性刺激,但是对传 播鸟类无抑制作用^[42] 。Levey 等^[22] 通过对2 种野生 辣椒(C.chacoense和C.annuum) 果实进行录像检测, 发现成熟果实仅被鸟类取食,野外啮齿类都躲避这2 种辣椒,不取食和贮藏种子;而且笼养啮齿类也都避 免取食成熟五彩椒种子^[42] 和含有辣椒素的人造 果实^[43] 。

然而,也有研究支持泛毒性假说,这类次生物质 不单针对种子传播者,对所有食果者皆有毒性,主要 是生物碱。Cipollini 和Levey^[18] 给2 种种子传播者 和2 种捕食者投喂2 种不同配糖生物碱(GAs)浓度 的天然茄属果实,发现种子捕食者和传播者都喜欢 低GAs 浓度的少花龙葵(Solanum americanum)果实, 高GAs 浓度的北美刺龙葵(S. carolinense)果实对所 有动物均有抑制作用。他们在另一研究^[44] 中,通过 记录雪松太平鸟对3 种含有不同澳洲茄边碱琢- solamargine(一种配糖生物碱)天然浓度人造果实的 取食量,发现太平鸟受到了各种浓度琢-solamargine 的强烈抑制,而且不同浓度产生的作用是一样的。

果实中的次生物质能够有效调节食果动物的取 食行为。鸟类取食时往往被迫在较短时间内离开母 树,以避免一次过多摄入同种特殊的次生物质^[38] 。 Barnea 等^[35] 对山楂(Crataegus monogyna)、常春藤 (Hedera helix)、欧洲冬青(Ilex aquifolium)肉质果肉 中皂苷(Saponins)和类黄酮(Flavonoids)的研究中, 发现当不同鸟类取食同种果实时,它们在树上都花 费相似的较短的时间(1.3—5.3 min),而且每次只取 食很少数量的果实(4—6 个/ min)。这些发现都间 接证实了果肉内温和的有毒物质可能阻止鸟类在一 次取食中消费过多果实的假说。一些学者认为,母 树能通过这种策略选择性地获得较多的短期访问 者,可能会使鸟类传播相似数量的种子,在进化上这 会使果实植物更具优势^{[38, 45]} 。鸟类虽较早离开母 树,减少了某种鸟类的果实摄取量,但是能提高种子 传播到远离母树某些地方的可能性。

成熟果肉中的次生物质既能阻止传播前种子的 萌发,又能提高传播后种子的萌发^[45] 。通过食果鸟 类在消化作用中对果肉的移除,促进萌发过程的开 始;或者通过传播后残留于种子中的次生物质,保护 种子免受其它种子捕食者的取食,使种子活性和种 子萌发得以提高。

种子萌发抑制剂很大程度存在于一些植物的成 熟果肉中。比如,成熟茄属果实常含有GAs,它们能 延迟或抑制其种子的萌发^[46] ,甚至对通过鸟类肠道 的种子也有同样的效果^[21] 。同样,Yagihashi^[47] 等人 对花楸属植物(Sorbus commixta)的研究结果显示,种 子萌发抑制剂存在于果肉中,其种子必须需要鸟类 取食和消化后才能萌发。Tewksbury^[21] 等在一些喂 养实验中,发现取食含有辣椒素食物的鸟类,排出种 子的萌发率往往比对照组要高,次生物质对种子活 性的积极影响也许来自其对微生物和无脊椎有害生 物的防御,而不是直接促进种子萌发。

果实中的次生物质能改变种子通过肠道的速 率,产生种子较快通过的轻泻剂效应^[48] 或减缓种子 通过速率的便秘效应^[19] 。

家鸡和旅鸫(Turdus migratorius)分别被强迫食 下含有浓度为3.7—37 mg/ kg 和0.07—70 mg/ kg 的 大黄素果实后,都产生了强烈的腹泻^[49] 。相反,黄 臀鹎(Pycnonotus xanthorrhous)取食含大黄素(0.01% 食物湿重)的食物后,增加了排便期间的平均时间, 表现出便秘效应^[29] 。辣椒素和GAs 也能影响肠道 里种子的通过。Tewksbury 等^[23] 给小嘴拟霸鹟 (Elaenia parvirostris) 和弯嘴嘲鸫(Toxostoma curvirostre)2 种鸟类,喂有注射辣椒素和对照溶液的 非辛辣辣椒,记录鸟类直到最后一粒种子被排出的 排便时间,与对照组相比,辣椒素平均增加了两种鸟 类15%—20%的种子滞留时间。Wahaj 等^[19] 发现给 雪松太平鸟投喂含有北美刺龙葵天然果实GAs 溶液 的人造果实后,与对照组相比,雪松太平鸟表现出明 显的便秘效果。

靠动物传播的植物可以通过控制传播者肠道滞 留时间,继而影响种子的活性和分布。种子以较快 速度通过脊椎动物肠道,可以减少肠道对种子活性 的负面影响^[23] 。然而,便秘效应对鸟类来说是有益 的,因为鸟类会有更高的消化效率^[50] 。从植物的角 度来说,传播者的便秘效应可能在相当长的一段时 间内使其肠道携带种子,这会增加传播者将种子带 到更远地方的可能性^[51] ,也会影响种子沉积模式, 包括传播者排便次数、每次排便的种子数量、推测的 传播距离^[19] ,提高种子果肉彻底分离的可能性,而 这对于那些果肉剥离后才能萌发的种子来说是至关 重要的^[52] 。相对于那些移动较多的动物(如燕雀类 鸟类和蝙蝠)来说,果实被移动较少的动物(如小型 哺乳动物)取食传播时,植物更能从动物的便秘效应 中获利^[45] 。

成熟肉质果实中的次生物质能提供食果者容易 识别的觅食线索(如颜色、气味和味道),这些线索与 其果实回报(如糖、脂质、蛋白质、维生素和矿物质) 有关^{[38, 46]} 。食果者能否利用次生物质预测果实质 量,需要依赖于次生物质与果肉营养回报的相 关性^[38] 。

视觉吸引剂包括如越橘属(Vaccinium)果实中的 花青素(水溶性红色、蓝色和黑色)和辣椒属果实中 的类胡萝卜素(脂溶性黄色、橙色、红色和棕色),这 些次生物质都能在视觉上引诱动物前来取食^{[34, 53]} 。 Saxton 等^[32] 对葡萄中单宁、花青素与灰胸绣眼鸟 (Zosterops lateralis)和乌鸫(Turdus merula)的取食关 系进行了探讨。当喂食含相同次生物质绿色和紫色 人造葡萄时(野外葡萄皆紫色且含较高次生物质), 夏季时2 种鸟类对这两种颜色的葡萄都没有偏好; 但秋冬季时灰胸绣眼鸟较多啄食绿色人造葡萄,可 能是因为绣眼鸟无法通过消化途径处理次生物质, 所以认为紫色是果实含有高单宁酸毒性的线索,尽 量避免取食紫色果实;而乌鸫只吞食紫色人造葡萄, 可能是因为其储备冬天代谢和营养的需要,而且乌 鸫整吞果实能较快排出或呕出种子,所以紫色葡萄 中次生物质对其影响不大。

除了视觉吸引剂,还有一些次生物质可以起到 嗅觉吸引剂的作用。果实味道和气味是多种化合物 的混合作用^{[54, 55]} ,在某些特定条件下,甚至一种“不 好冶的味道(如涩味),如果与果实回报有关,都能成 为引诱剂^[56] 。香柏酮在葡萄柚(柑橘属,Citrus)果 实的成熟过程中显著增加,这种化合物是成熟果实 含有臭味的主要原因,成为动物取食的引诱剂^[57] 。 Borges 等^[58] 的研究也指出,孟加拉榕(Ficus benghalensis)果实通过释放挥发性次生物质吸引食 果动物的取食,夜间果实主要释放脂类化合物引诱 蝙蝠对其种子进行传播,而白天果实主要产生萜类 化合物吸引鸟类取食。

脊椎动物传播肉质果内的次生物质并不单独表 现其中某一种作用,往往是综合多种效应于一身。 次生物质的进化是植物对多功能性选择的结果^[59] 。 因为次生物质生产成本较高,选择压力可能导致这 些次生化合物能在不同环境下产生各异的功能或目 的,此外这种多功能性与它们作为化学防御的主要 作用不矛盾^[60] 。同一种花青素可以充当花的引诱 剂、抗氧化剂、植物抗毒素和抗菌剂^[61] 。茄属成熟 果实包含生物碱,有多种生物活性,包括萌发抑制作 用、对哺乳动物的轻泻剂效应、对鸟类的便秘效应、 对草食动物和更多其它动物的抑制性作用^[46] 。辣 椒属成熟果实中的辣椒素也具有多种功能,既能防 御种子捕食者,又能对真菌和无脊椎昆虫起到抑制 作用^[42] ,其对种子萌发和种子肠道滞留时间的影响 又可以进一步促进种子传播^[24] 。很多生物碱还可 以同时表现出异株克生、抗菌和对动物的毒性效应。 因此,相同的次生物质可能采取多种行为模式的行 动去阻止不同的生物群体。

肉质果中次生物质对植物-食果动物之间的调 控作用是复杂的,然而对肉质果内的次生物质与脊 椎动物之间相互作用的研究还不够深入。目前研究 主要关注植物通过产生次生物质、次生物质在果实 成熟过程中的含量变化对捕食和传播者行为的调控 机理^{[18, 22, 23, 24, 28]} ,而果实次生物质的产生与果实营养 成分相互关联,同时果实形态、挂果期长短等特征也 必然对这一调控过程产生影响^{[62, 63]} 。果实内次生物 质通过改变果实颜色(如花青素)和释放味道(如挥 发性脂质化合物)在吸引种子传播者、防御种子捕食 者等方面已得到较多的探讨和关注^{[64, 65]} ,这些次生 物质大多随着果实的成熟而增多,食果动物可以通 过视觉、嗅觉感知它们的变化,然而食果动物如何感 知随果实成熟而不断减少或消失的次生物质? 结合 果实营养、形态、挂果期长短等因素,食果动物又如 何对同果期植物果实进行选择? 这些都需要进一步 进行探讨。因此,未来研究需要综合考虑果实次生 物质与其它生理生化、形态学等特征对脊椎动物的 综合调控机理。

从肉质果实形成开始,果肉和种子内的次生物 质经历种子传播和种子萌发过程,次生物质在种子 传播后的调控作用对植物种群或群落结构和分布格 局的影响应受到重视。肉质果实植物虽无法回避食 果动物的取食,但其利用果实(种子)内次生物质,通 过影响食果动物的取食时间、取食频次、取食数量、 肠道内种子滞留时间(轻泻剂或便秘效应)等方式实 现调控。肉质果实通过食果动物肠道时,果肉被消 化,种子形态和生理发生了变化,可能影响传播后种 子的活性和萌发;种子被一次性大规模集中或多次 分散排出以及种子传播距离的远近,也可能改变种 子在传播后微生境下的存活率和萌发率,这势必对 植物更新起到一定的影响^[66] ,甚至改变植物种群或 群落的结构和分布格局。被沉积的种子暴露在各种 生物有机体存在的环境中,种子内的次生物质如何 调控传播后的种子与种子捕食者和病原微生物的关 系,目前这方面的研究尚很匮乏^[24] 。因此,从群落 或种群角度,研究肉质果实中次生物质对传播后种 子活性和萌发率、植物种群或群落结构和分布格局 的影响,以及次生物质对传播后的种子与其它生物 相互关系的调控作用都是今后研究的方向。

依赖动物传播的植物面临如何吸引种子传播 者,同时又排斥非传播捕食者的进化难题,次生物质 与此进化问题密切相关。从动植物协同进化的角度 探讨植物次生物质的产生、防御和吸引策略将是探 讨上述难题的一个思路,比如食果动物对果实的选 择压力如何促使果实内次生物质的产生;次生物质 的进化如何对脊椎动物的果实选择和消费产生影 响;同一进化地理条件下的远缘植物类群或不同进 化条件下具有亲缘关系的植物类群在次生物质含量 及其生态调控方面是否存在差异等。

作为21 世纪植物化学生态学值得关注的前沿 领域之一^[67] ,植物次生物质与其它生物类群进化关 系的相关研究需要多学科各种领域的整合,比如植 物化学、植物学、动物学、微生物生理学、生态学、进 化生物学等。理解脊椎动物和果实之间相互作用的 性质,对互利共生物种间的保护有重要意义。未来 果实次生物质的研究将能开辟食果动物-果实相互 关系研究的新角度,有助于完善种子传播机制和动 植物协同进化理论,扩充动植物相互作用的理论 体系。

致谢: 美国阿拉巴马州农工大学王勇教授和李建强 博士帮助写作,特此致谢。