Цветочная биология

Биология флоры — это область экологических исследований, которая изучает эволюционные факторы, сформировавшие структуры, поведение и физиологические аспекты, связанные с цветением растений . Область является широкой и междисциплинарной и включает исследования, требующие экспертных знаний из множества дисциплин, которые могут включать ботанику, этологию, биохимию и энтомологию. Немного более узкая область исследований в биологии флоры иногда называется биологией опыления или антэкологией . ^[1]

Цветы — это структуры, которые производятся покрытосеменными растениями , и их эволюция неразрывно связана с их опылителями, особенно насекомыми. Цветы — это дорогостоящие структуры, которые нацелены на опылителей, предлагая им награды, чтобы улучшить перекрестное опыление. Эволюция размера цветов, их структура и природа наград, а также способ, которым эти сигналы передаются и воспринимаются потенциальными опылителями, обычно изучаются с точки зрения понесенных затрат и полученных выгод. Время цветения , продолжительность цветения и режим, посредством которого они прекращают функционировать после того, как их роль выполнена, — все это области исследований в области биологии цветов. ^[2]

Исследования в области биологии цветов могут иметь практическое применение, поскольку опыление и завязывание плодов являются ключевыми факторами, влияющими на урожайность всех сельскохозяйственных культур.

История области

Начало области флористической биологии обычно прослеживается в работе Христиана Конрада Шпренгеля « Entdeckte Geheimniss der Natur im Bau in der Befruchtung der Blumen » (1793). ^[3] Однако на Шпренгеля, возможно, повлияла более ранняя работа Йозефа Готлиба Кёльройтера 1761 года. ^[4] Шпренгель начал свои исследования в 1787 году, начав с древесного журавельника Geranium sylvaticum . Он отметил, что нижние части лепестков имеют мягкие волоски. Он верил в мудрость «Творца» и в то, что ни одна твердая вещь не может быть бесцельной. Он предположил, что волоски присутствуют для защиты нектара от дождя, как брови и ресницы, предотвращая попадание пота в глаза. Ему потребовалось шесть лет наблюдений, за которые он изучил 461 растение. Он заметил, что у орхидей не было нектара, но были указатели нектара. Он назвал их ложными нектарными цветами и заметил, что цветы Aristolochia ловили насекомых. Его книга включала двадцать пять иллюстраций. Работа Шпренгеля была благосклонно оценена Карлом Людвигом Вильденовым , который включил некоторые результаты в свой Grundriss der Kräuterkunde zu Vorlesungen (1802). ^[5] Шпренгель отметил, вопреки распространенному мнению его времени, что цветы были направлены на предотвращение самоопыления. Шпренгель определил узоры на лепестках как указатели нектара («Saftmale») для опылителей. ^[6] В то время цветы считались местом бракосочетания тычинок и пестиков, а нектар, как считалось, помогал прорастающим семенам. Пчелы считались ворами. Работа Шпренгеля была раскритикована Иоганном Вольфгангом Гете. Однако работа Шпренгеля получила более широкое освещение в англоязычном мире только после того, как Чарльз Дарвин упомянул его в своей работе «Оплодотворение орхидей» (1862). ^[7]^[8]

Аспекты

Цветковые растения, покрытосеменные , являются относительно новыми среди растений. Древнейшие структуры цветка датируются примерно 140 миллионами лет назад. Цветковые растения претерпели значительную диверсификацию после этого периода. Дарвин видел это как «отвратительную тайну» в письме Джозефу Хукеру в 1879 году. Самые ранние цветы были в основном актиноморфными или имели радиальную симметрию с несколькими осями симметрии. Эти эволюционировавшие цветы имеют двустороннюю симметрию или зигоморфию. Считается, что привлечение насекомых-опылителей, вызванное визуальными сигналами, оказало влияние на эволюцию зигоморфии. ^[9]

Самые ранние группы цветковых растений среди Magnoliids и семейств Chloranthaceae , Ceratophyllaceae , Nymphaeaceae , Annonaceae и Aristolochiaceae являются двуполыми, причем как мужские, так и женские части присутствуют и функционируют в обычно большой цветковой структуре. Основными опылителями этих цветов были жуки, мухи и трипсы. Они выработали механизмы для снижения самоопыления путем изменения сроков созревания мужских и женских частей. Этот измененный механизм синхронизации или дихогамия в основном выражался протогинией или ранним созреванием женских частей и только изредка протандрией или ранним созреванием мужских частей. ^[10] Ранние цветы были в основном плоскими и тарельчатыми, а эволюция более глубоких трубок венчика была более поздним нововведением и в основном связана с длинноязычковыми опылителями, такими как моли. ^[11] Существует большое количество других механизмов, которые усиливают перекрестное опыление и предотвращают самоопыление. Силы, которые привели к эволюции таких систем, как ношение мужских и женских цветков на отдельных видах растений, до сих пор неясны. ^[12]

Эволюция от одиночных цветков к образованию соцветий также, как полагают, зависит от поведения опылителей. Скопления цветов могут увеличить частоту посещений опылителями. Это также может снизить риск повреждения отдельных цветков. ^[13]

Выработка летучих химических веществ цветами направлена на насекомых. Некоторые данные показывают, что существует значительное совпадение между химическими веществами, вырабатываемыми растениями, и теми, которые используются насекомыми для их коммуникации, особенно для спаривания. ^[14] В классическом случае орхидей рода Ophrys летучие вещества имитируют женский половой феромон пчел, которые пытаются совокупиться с цветком и тем самым опылить его. ^[15] Исследование эволюции летучих химических веществ у скарабеев и цветов, которые привлекают их в семействе Araceae, показало, что насекомые выработали химические вещества в юрском периоде, в то время как растения выработали аттрактанты позже, в меловом периоде. ^[16]

Цвета цветов — еще одна область исследования. Были отмечены некоторые отличительные закономерности, например, опыляемые птицами цветы преимущественно красные, в то время как ночные растения, как правило, белые. Цвета цветов производятся различными пигментными механизмами, и они предназначены для передачи сообщений опылителям. Цветы, которые были опылены, часто быстро увядают, а питательные вещества поглощаются растением. В некоторых случаях части цветка могут претерпевать изменения цвета, что указывает на их непригодность для посещения опылителями. ^[17]

Смотрите также

Ссылки

^ Персиваль, Мэри (2013). Биология цветов . Elsevier.
^ Ллойд, Дэвид Г.; Барретт, Спенсер Ч. Х., ред. (1996). Биология цветков. Исследования эволюции цветков у растений, опыляемых животными . ISBN 9781461284949.
^ Уиллис, Джон К. (1895). «Современное положение флоральной биологии». Science Progress (1894-1898) . 4 (21): 204–215. JSTOR 43768737.
^ Кёльройтер, Йозеф Готлиб (1761). Vorläufige Nachricht von einigen das Geschlecht der Pflanzen betreffenden Versuchen. Лейпциг: In der Gleditschischen Handlung.
^ Zepernick, B.; Meretz, W. (2001). «Жизнь Кристиана Конрада Шпренгеля в его семье и времени. По случаю его 250-летия» (PDF) . Willdenowia . 31 : 141–152. doi :10.3372/wi.31.31113.
^ Waser, Nickolas M.; Price, Mary V. (1985). «Влияние указателей нектара на предпочтения опылителей: экспериментальные исследования с горной травой» (PDF) . Oecologia . 67 : 121–126. doi :10.1007/bf00378462.
^ Бернхардт, Питер (1999). Поцелуй розы: естественная история цветов . Island Press. стр. 122–123.
^ Читтка, Ларс; Уокер, Джулиан (2006). «Нравятся ли пчелам подсолнухи Ван Гога?» (PDF) . Оптика и лазерные технологии . 38 (4–6): 323. doi :10.1016/j.optlastec.2005.06.020.
^ Буш, Андреа; Захго, Сабина (2009). «Эволюция симметрии цветка: к пониманию отвратительной тайны радиации покрытосеменных». BioEssays . 31 (11): 1181. doi :10.1002/bies.200900081. PMID 19847818.
^ Эндресс, П.К. (2010). «Эволюция флоральной биологии базальных покрытосеменных». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 365 (1539): 411. doi :10.1098/rstb.2009.0228. PMC 2838258. PMID 20047868 .
^ Нильссон, Л. Андерс (1988). «Эволюция цветов с глубокими трубками венчика». Nature . 334 (6178): 147. doi :10.1038/334147a0.
^ Бава, К. С.; Бич, Дж. Х. (1981). «Эволюция половых систем цветковых растений» (PDF) . Анналы ботанического сада Миссури . 68 (2): 254–274. JSTOR 2398798.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Паркин, Дж. (1914). «Эволюция соцветия». Журнал Лондонского Линнеевского общества, Ботаника . 42 (287): 511. doi :10.1111/j.1095-8339.1914.tb00888.x.
^ Schiestl, Florian P. (2010). «Эволюция цветочного запаха и химическая коммуникация насекомых». Ecology Letters . 13 (5): 643–56. doi :10.1111/j.1461-0248.2010.01451.x. PMID 20337694.
^ Schiestl, Florian P.; Ayasse, Manfred; Paulus, Hannes F.; Löfstedt, Christer; Hansson, Bill S.; Ibarra, Fernando; Francke, Wittko (1999). "Опыление орхидей путем сексуального мошенничества". Nature . 399 (6735): 421. doi :10.1038/20829.
^ Schiestl, Florian P.; Dötterl, Stefan (2012). «Эволюция цветочного запаха и обонятельных предпочтений у опылителей: коэволюция или уже существующее смещение?». Evolution . 66 (7): 2042. doi : 10.1111/j.1558-5646.2012.01593.x . PMID 22759283.
^ Weiss, Martha R. (1995). "Floral Color Change: A Widespread Functional Convergence" (PDF) . American Journal of Botany . 82 (2): 167–185. doi :10.1002/j.1537-2197.1995.tb11486.x. JSTOR 2445525. Архивировано из оригинала (PDF) 20.03.2017 . Получено 19.03.2017 .

[1] Персиваль, Мэри (2013). Биология цветов . Elsevier.

[2] Ллойд, Дэвид Г.; Барретт, Спенсер Ч. Х., ред. (1996). Биология цветков. Исследования эволюции цветков у растений, опыляемых животными . ISBN 9781461284949.

[3] Уиллис, Джон К. (1895). «Современное положение флоральной биологии». Science Progress (1894-1898) . 4 (21): 204–215. JSTOR 43768737.

[4] Кёльройтер, Йозеф Готлиб (1761). Vorläufige Nachricht von einigen das Geschlecht der Pflanzen betreffenden Versuchen. Лейпциг: In der Gleditschischen Handlung.

[5] Zepernick, B.; Meretz, W. (2001). «Жизнь Кристиана Конрада Шпренгеля в его семье и времени. По случаю его 250-летия» (PDF) . Willdenowia . 31 : 141–152. doi :10.3372/wi.31.31113.

[6] Waser, Nickolas M.; Price, Mary V. (1985). «Влияние указателей нектара на предпочтения опылителей: экспериментальные исследования с горной травой» (PDF) . Oecologia . 67 : 121–126. doi :10.1007/bf00378462.

[7] Бернхардт, Питер (1999). Поцелуй розы: естественная история цветов . Island Press. стр. 122–123.

[8] Читтка, Ларс; Уокер, Джулиан (2006). «Нравятся ли пчелам подсолнухи Ван Гога?» (PDF) . Оптика и лазерные технологии . 38 (4–6): 323. doi :10.1016/j.optlastec.2005.06.020.

[9] Буш, Андреа; Захго, Сабина (2009). «Эволюция симметрии цветка: к пониманию отвратительной тайны радиации покрытосеменных». BioEssays . 31 (11): 1181. doi :10.1002/bies.200900081. PMID 19847818.

[10] Эндресс, П.К. (2010). «Эволюция флоральной биологии базальных покрытосеменных». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 365 (1539): 411. doi :10.1098/rstb.2009.0228. PMC 2838258. PMID 20047868 .

[11] Нильссон, Л. Андерс (1988). «Эволюция цветов с глубокими трубками венчика». Nature . 334 (6178): 147. doi :10.1038/334147a0.

[12] Бава, К. С.; Бич, Дж. Х. (1981). «Эволюция половых систем цветковых растений» (PDF) . Анналы ботанического сада Миссури . 68 (2): 254–274. JSTOR 2398798.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[13] Паркин, Дж. (1914). «Эволюция соцветия». Журнал Лондонского Линнеевского общества, Ботаника . 42 (287): 511. doi :10.1111/j.1095-8339.1914.tb00888.x.

[14] Schiestl, Florian P. (2010). «Эволюция цветочного запаха и химическая коммуникация насекомых». Ecology Letters . 13 (5): 643–56. doi :10.1111/j.1461-0248.2010.01451.x. PMID 20337694.

[15] Schiestl, Florian P.; Ayasse, Manfred; Paulus, Hannes F.; Löfstedt, Christer; Hansson, Bill S.; Ibarra, Fernando; Francke, Wittko (1999). "Опыление орхидей путем сексуального мошенничества". Nature . 399 (6735): 421. doi :10.1038/20829.

[16] Schiestl, Florian P.; Dötterl, Stefan (2012). «Эволюция цветочного запаха и обонятельных предпочтений у опылителей: коэволюция или уже существующее смещение?». Evolution . 66 (7): 2042. doi : 10.1111/j.1558-5646.2012.01593.x . PMID 22759283.

[17] Weiss, Martha R. (1995). "Floral Color Change: A Widespread Functional Convergence" (PDF) . American Journal of Botany . 82 (2): 167–185. doi :10.1002/j.1537-2197.1995.tb11486.x. JSTOR 2445525. Архивировано из оригинала (PDF) 20.03.2017 . Получено 19.03.2017 .