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通过小小一滴蜂蜜,或许可能找到一片森林

本文作者: 发布时间:2022-03-20
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你喝的蜂蜜里,可能藏着一片森林。

这听起来有些玄妙,但这正是科研团队的课题——追踪一滴蜂蜜来自于哪片森林。

与大部分经历了机械化生产和复杂加工的现代食物不同,蜂蜜保留了丰富的森林气息。尤其是百花蜂蜜,它来自多种蜜源植物的混合——每一处生境所独有的植物组成,酿造了当地蜂蜜与众不同的甜美芬芳。这种清甜能带你穿越时空,回到最初的那片森林溪谷。这不仅仅是浪漫的想法,如果配合恰当的技术,还能用来鉴别不同蜂蜜的产地。

中蜂采集各种野花(从左至右,从上至下:陕西华阳—车前、乌蔹莓、葎草;西藏墨脱—某种小檗;四川阿坝—黄花草木樨、蒲公英;广西崇左—三叶鬼针草;四川王朗—某种金丝桃;青海西宁—费菜)

然而,说来轻松,真正开始研究时,却开始对着蜂蜜犯难——

怎么才能解开蜂蜜中潜藏的森林密码?

带着秘密的花粉们

大家都知道蜜蜂逐花采蜜。但实际上,花蜜只是植物对蜜蜂的诱饵,传播花粉才是植物的真正目的。蜜蜂采蜜时,身上会粘附上花粉;当它们在花朵间穿梭采蜜时,无意中也在帮助植物传粉。花粉是蜜蜂的两大主要食物之一,为幼虫的生长、发育提供蛋白和脂类营养,而且会在酿蜜和收蜜过程中自然混入蜂蜜里。

蜂巢里的秘密:食物和女儿们各得其所

这么看来,花粉很可能就是我们给蜂蜜溯源的关键——了解蜂蜜中花粉的种类,自然也就能知道蜜蜂所采集的都是什么植物。

如何鉴定和区分花粉的种类呢?最经典的方法叫“孢粉形态学”。

花粉粒虽然微小,却拥有令人称奇的形态特征,这些特征可以帮助我们区分植物种类。在电子显微镜下观察蜂蜜中的花粉颗粒,就能确定它们来自哪些植物。

电镜下蜜蜂携粉足上的花粉颗粒

但是,事情并没有那么简单——盯着显微镜看花粉的形态,是一件非常劳神费力的工作。在电镜下,花粉都是灰色的,并不像上面这张上了颜色的图那么光鲜。许多分类关系相近的植物,它们的花粉在形态上的差异也不显著,鉴定的难度极大。而且,研究孢粉形态学的专家和相关的参考资料少之又少,以至于我们往往在蜂蜜中发现了某些花粉,却无从得知它们属于什么植物。

因而,要从蜂蜜里分离出花粉,鉴定出每一粒花粉来自什么物种,还要计算不同花粉的比例,以确定原始生境里的植物组成——这实在是太难了。

要不咱们换个课题吧?

花粉DNA条形码,来测测?

陷入困境后,通过5刷美剧《识骨寻踪》反复研读文献,把目光投向了刑侦检测方法——令无数罪犯无所遁形的DNA鉴定大法。

中国农业大学的研究人员提取花粉DNA

作为植物的生殖细胞,每一粒花粉都携带了植物的核心遗传物质。我们把植物的某些特定的基因片段称为它的“DNA条形码”——这个条形码就像花粉的身份证明,测出DNA条形码的序列之后,将其与已知的植物条形码进行比对,相当于给花粉做亲子鉴定,就能知道这些花粉分别来自什么物种了。

不过,这个方法有个重要的前提条件:我们不仅得知道某个地方有哪些开花植物,还得知道这些植物分别有什么样的DNA条形码。

一个生境良好的山沟里,开花植物的种类可以高达数百种。此前,我们曾花费了几年的时间,在四川的一个山沟沟里,构建了近200种开花植物的DNA条形码数据库——但这只是当地所有开花植物的冰山一角。

这一次,为了早点毕业提高效率,决定调整策略,不再奢求彻查当地所有的开花植物,转而重点关注蜜蜂寻食时会经过哪些植物。我们在蜜蜂觅食的通道上划定了几十个小区域,测量和计数了其中的开花植物;只要蜜蜂光临这些区域,我们之后再鉴定它们蜂蜜里的花粉DNA条形码,两者比较就能得到答案。

川西草甸盛开的马蹄黄、圆穗蓼。拍摄于四川巴塘

然而,结果令人大跌眼镜!小蜜蜂们都愿意在外面“打野食”,对我们费尽心机打造的食堂不闻不问。

一个地方的研究就已经损兵折将了,更令人恼火的是,每个蜂蜜产地的植被组成都不尽相同,我们在一个地点积累的知识,可能在下一个山沟沟里完全用不上。而且,这项工作需要不同专家长期协作——得有植物分类学家鉴定植物,得有分子生物学家给DNA测序,还要用到大量的生物信息学手段……

要不咱们换个课题吧

终于找到解决方案!

我们不得不再次转换思路——把每粒花粉与每种植物一一对应太难,那如果把同一滴蜂蜜的所有花粉都当成一个整体呢?

小小的蜜蜂把我们折腾得够呛,摄于陕西长青国家级自然保护区

来源于同一产地的蜂蜜,所含花粉的种类和数量是相似的,这些花粉的DNA序列所组成的序列集也是相似的。如果我们知道了不同蜂蜜的花粉DNA序列集各自有什么特点,面对一滴未知的蜂蜜,只要看它的序列集与哪种蜂蜜的序列集相符,就能判断它的产地了。

希望在人间啊!

当然,新的烦恼也随之而来。用DNA序列集直接进行比较,所涉及的数据量巨大,筛选过程复杂。

幸好,懒惰是人类创造发明的动力,这次也不例外——把那些催人脱发的数据处理交给计算机去做吧,机器学习可以从已知产地的蜂蜜的宏基因组序列中自动寻找规律。

基于蜂蜜宏基因组和机器学习的方法对蜂蜜的产地进行溯源 | 改编自Liu et al. 2022 《Food Chemistry》论文

基于这一方法,我们对来自四川、青海、陕西、北京和吉林等8个产地的28份蜂蜜产品进行了测试。其中,来自四川平武县的蜂蜜,它的产地同时也是野生大熊猫、金丝猴和羚牛等国家级保护动物的天然栖息地。

我们随机抽取27份蜂蜜的宏基因组数据作为机器学习的训练集,剩下一份用于产地溯源的检测。虽然我们对这些待检蜜源地的植被组成知之甚少,也不知道各地的蜜蜂偏好哪些植物,但多次重复检验的结果表明,这种方法能够准确判断几乎所有的蜂蜜产地。即使相距仅39公里、植被组成相似的两个蜜源地都可以有效区分,成功率达99%以上。

在计算机大数据测算之下,令人眼花缭乱的各种蜂蜜都能追根溯源。至此,我们所掌握的花粉DNA序列集溯源方法,可以为不同品种与产地的蜂蜜鉴定身世。

四川平武至今仍然流行“棒棒槽”养蜂

让“造假蜂蜜”无处遁形

花粉DNA序列集的方法,如果推广应用,还能用来鉴定市面上的不同蜂蜜。

市场上的蜂蜜品种多样,大致可分为两类:单花蜂蜜和百花蜂蜜。

中蜂酿蜜,摄于陕西长青国家级自然保护区

西方蜜蜂(亦称“西蜂”或“意蜂”)主要酿造单花蜜,如洋槐蜜、枣花蜜、油菜花蜜等。百花蜜则是来源于多种蜜源植物的混合蜂蜜,多由分布在我国的东方蜜蜂(俗称“中华蜜蜂”或“中蜂”)酿造;新疆地区也有用黑蜂(西蜂的一种)生产百花蜜的习惯。

中蜂身材短小精悍,善于在山间穿梭飞行,却比较恋家。西蜂五大三粗胃口好,搭车去远方的蜜源地也不在话下。因此,中蜂通常饲养在深林山谷里的固定蜂场,蜜源植物基本由本地乡土植物组成;西蜂养殖则可以保持机动,我们常常看到纪录片里的蜂农开着大卡车一路狂奔、千里追花,卡车里大多是西蜂。

夕阳余晖下,勤劳的养蜂人将小蜜蜂安置在辽宁丹东。意蜂经过长途跋涉途经安徽芜湖、陕西延安、辽宁葫芦岛,最终到达吉林延边,一路酿造油菜蜜、洋槐蜜、荆条蜜、椴树蜜

产地的生态环境不同,加之中蜂的蜂蜜产量较西蜂低,中蜂生产的百花蜂蜜往往比单花蜂蜜具有更高的市场价格。在利益的驱使下,有人开始以其他蜂蜜冒充深山百花蜜,高价出售。都是蜂蜜,只是产地不同,该如何辨别蜂蜜是否真的来自厂商所标识的那些生态产地?这时,我们的花粉DNA序列集方法就能派上用场了。

不过,这还不是全部。从一滴蜂蜜,窥见一座山谷一片森林,这本质上是生物多样性的体现。

青藏高原东麓山谷为东方蜜蜂提供了庇护所,摄于四川王朗国家级自然保护区

自然生态系统中的蜜源植物,经历了亿万年的演化与适应,每一朵花都努力创造着与众不同的营养美味、芬芳气息和缤纷色彩。而一滴蜂蜜当中,除了我们能尝到的、不计其数的香气和甜味的组合之外,还蕴含着陆地生态系统里的复杂的生命过程。

藉由“传粉”这个事件,成千上万种植物,以及种类更多的、以中蜂为代表的本土传粉昆虫彼此联系,构成了一张大网。这个网络是否健康,关系着植被能否正常演替更新,进而影响到获益于植被的各种生物——包括我们人类——的福祉。通过分析蜂蜜中的花粉,获得原产地植物多样性的信息,我们就能更合理地保护当地的植被和生物多样性。

青藏高原东南麓山地,亚热带湿润气候和巨大的海拔落差形成了复杂植被垂直带

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