高密度種植蘋(píng)果園中影響花粉傳播的因素

張旭鳳 邵有全 譯自《園藝科學(xué)》2001年第6卷第6期

雖然花粉傳播不是一個(gè)引人注意的過(guò)程，但是卻對(duì)野生和栽培植物的個(gè)體生態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)具有至關(guān)重要的作用。通過(guò)基因的傳遞，花粉的傳播影響著植物近親繁殖的程度和植物群體內(nèi)、群體間的遺傳多樣性結(jié)構(gòu)，以及對(duì)植物花形態(tài)和生活史進(jìn)化的選擇性調(diào)控。掌握花粉傳播的知識(shí)同樣也具有現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)檫@些知識(shí)對(duì)于作物生產(chǎn)和果園的設(shè)計(jì)是必不可少的，更好地對(duì)作物不同品種或同一品種進(jìn)行配置和管理。盡管花粉傳播在理論和應(yīng)用研究的重要性已被人們所重視，但是，在過(guò)去的研究中花粉運(yùn)動(dòng)規(guī)律一直很難被量化，從而導(dǎo)致花粉傳播的程度大小以及它的生態(tài)影響因素仍然知之甚少。

花粉傳播和成功受精對(duì)于商業(yè)化果園具有重要而深遠(yuǎn)的意義。蘋(píng)果是自交不育的品種，因此，結(jié)實(shí)必須通過(guò)品種間的花粉傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，大多數(shù)果園都只種植有很少的幾個(gè)品種，并且在果園內(nèi)同一品種又是成片或者單行種植。由于相同品種間授粉導(dǎo)致的花粉損耗和果實(shí)產(chǎn)量、質(zhì)量的下降，從而更加強(qiáng)調(diào)了在果園中準(zhǔn)確掌握花粉傳播規(guī)律的必要性。雖然蘋(píng)果花粉傳播已經(jīng)得到了相當(dāng)大的重視，然而大多數(shù)研究多基于表觀花粉傳播而非成功授粉的花粉傳播研究，也有少量研究是基于花粉傳播的影響因素而非成功授粉的花粉傳播距離方面的研究。此外，也僅有少數(shù)研究是有關(guān)現(xiàn)代高密度果園種植方面的。在高密度種植的果園中，雖然為了早期產(chǎn)量和低樹(shù)冠，蘋(píng)果種植采用矮化砧木種植方式，但是果園內(nèi)種植行距過(guò)窄，種植密度過(guò)高，致使傳粉昆蟲(chóng)常會(huì)沿著果園內(nèi)同一行果樹(shù)采集花粉，而并不是以各行間穿梭飛行的采集方式來(lái)實(shí)現(xiàn)授粉。

本研究中，1998年和1999年5～9月，在兩個(gè)種植密度接近或超過(guò)900棵樹(shù)/公頃的蘋(píng)果園內(nèi)，為農(nóng)夫杰克果園（約30000棵樹(shù)，16個(gè)品種，行距4.75m）和矮生果園（約12000棵樹(shù)，14個(gè)品種，行距4.9m），果樹(shù)均沿主路垂直成行排列，果園中均有一些梨樹(shù)，開(kāi)花時(shí)，蜂群以0.5～1群蜂/公頃密度沿主路放置。通過(guò)親本鑒定法來(lái)跟蹤指定品種等位酶的運(yùn)動(dòng)，來(lái)研究花粉的傳播方式和距離。經(jīng)過(guò)前期等位酶的掃描，果園內(nèi)“Idared”品種做為種子親本分析時(shí)，其基因型較容易鑒定，因此，兩個(gè)果園內(nèi)所觀察的授粉品種均為“Idared”，通過(guò)觀察授精成功種子內(nèi)獨(dú)特的等位基因，來(lái)測(cè)定在果園中的其他果樹(shù)品種上是否授精成功。農(nóng)夫杰克果園（選取離21行采樣方向最近的3行“Idared”授粉樹(shù)）和矮生果園（選取離15行采樣方向最近的4行“Idared”授粉樹(shù)）。1998年，8月27日，在兩個(gè)果園內(nèi)收獲來(lái)自授粉樹(shù)和鄰近授粉樹(shù)同一方向的9行果樹(shù)的成熟蘋(píng)果，這 9 行為離“Idared”品種同一方向的第 1、2、3、5、7、9、12、15、18 行（包括“McIntosh”，“Mutsu”，“Delicious”，“Northernspy”，“Empire”五個(gè)品種），對(duì)蘋(píng)果取樣時(shí)，不同的分枝上對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行編號(hào)，隨機(jī)選取數(shù)字進(jìn)行取樣。

對(duì)至少30個(gè)蘋(píng)果種子，盡可能包括每棵樹(shù)上所收集的蘋(píng)果。使用醋酸纖維素薄膜電泳法提取等位酶。每個(gè)種子將種皮除去，胚芽和子葉液氮冰凍后，放置在50 μL“Decodon”萃取緩沖液中，勻漿液離心8～12分種后放于冰箱，上清液加入醋酸纖維素凝膠，250V電壓下，電泳45～60分鐘，獲取4種酶：6-磷酸葡萄糖脫氫酶（6PGD），天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶（AAT），酸性磷酸酶（αACP），葡萄糖磷酸變位酶（PGM），通過(guò)“Idared”與四個(gè)品種“McIntosh”，“Delicious”，“Northernspy”，“Empire”雜交，來(lái)確定親本關(guān)系，其中“Mutsu”為三倍體，無(wú)需與“I－dared”進(jìn)行雜交，表 1。

同時(shí)，并對(duì)授粉品種與其他品種的開(kāi)花物候?qū)W進(jìn)行了觀測(cè)與記錄，研究其花期重疊與花粉傳播規(guī)律之間的關(guān)系。其他品種與授粉品種“Idared”的花期重疊有三種表示方法：（1）品種開(kāi)花高峰之間的天數(shù)；（2）與“I－dared”花期重疊的百分?jǐn)?shù)3）與“Idared”花期重疊的加權(quán)值，圖 2、3。

表1 跨行基因流研究蘋(píng)果品種的四個(gè)位點(diǎn)基因型

表2 農(nóng)夫杰克果園和矮生果園內(nèi)蘋(píng)果品種的開(kāi)花高峰期

表3 13個(gè)蘋(píng)果品種與授粉品種“Idared”花期重疊百分比

該研究描述了花粉由單一授粉品種“Idared”向果園內(nèi)18行其他主栽品種的傳播規(guī)律，并首次將分子標(biāo)記手段運(yùn)用在蘋(píng)果園中花粉傳播規(guī)律的研究上，有超越傳統(tǒng)研究方法的優(yōu)越之處，例如標(biāo)記花粉、監(jiān)測(cè)蜜蜂行為活動(dòng)，由于該手段技術(shù)簡(jiǎn)單，費(fèi)用相對(duì)便宜，更重要的是，可實(shí)現(xiàn)授精成功的花粉傳播的監(jiān)測(cè)，圖4。

表4 “Idared”花粉對(duì)五個(gè)蘋(píng)果品種人工授粉后的結(jié)實(shí)率

如果花粉傳播根本上是由昆蟲(chóng)采集花粉的行為和飛行方式所決定，那么花粉傳播距離應(yīng)該是有限的，研究中，矮生果園至少有15行（73.5m）果樹(shù)，農(nóng)夫杰克果園18行（86m）果樹(shù)，但是44～80%授粉樹(shù)的花粉傳播均發(fā)生于3行（約為14.5m）之內(nèi)。而且，成功授粉的幾率隨著距離的增加而呈下降趨勢(shì)，超過(guò)50%的種子授精成功均是在鄰近授粉樹(shù)的4行果樹(shù)內(nèi)，然而，花粉傳播距離的變化并無(wú)規(guī)律。

先前已有學(xué)者在蘋(píng)果園中進(jìn)行過(guò)類(lèi)似花粉傳播方面的研究，是基于考察單一成片種植果樹(shù)對(duì)結(jié)實(shí)率的影響，而最近使用了形態(tài)學(xué)標(biāo)記手段。例如：1995年，Milutinovic等人調(diào)查了單一成片種植的三個(gè)蘋(píng)果品種的結(jié)實(shí)情況，這些品種均為野生砧木并且無(wú)任何輔助授粉手段。他們發(fā)現(xiàn)結(jié)實(shí)發(fā)生在距離授粉樹(shù)35～80m范圍內(nèi)的果樹(shù)品種上。有趣的是，在所研究的三個(gè)品種中，其中一個(gè)品種的結(jié)實(shí)量并未隨著距離授粉樹(shù)越遠(yuǎn)而下降。1984年，霍夫曼等人進(jìn)行了一個(gè)品種的類(lèi)似結(jié)實(shí)方面的研究。1991年Wertheim利用色素多態(tài)性標(biāo)記一個(gè)蘋(píng)果品種"Baskatong"，發(fā)現(xiàn)授粉作用來(lái)自所標(biāo)記的花粉很少并且每年的結(jié)果并未表現(xiàn)出一致性，通過(guò)標(biāo)記花粉，發(fā)現(xiàn)授精成功常發(fā)生在距離授粉樹(shù)5～40m范圍內(nèi)的果樹(shù)上。本研究中，最大花粉傳播距離（農(nóng)夫杰克果園86m，矮生果園73.5m）和平均花粉傳播距離（農(nóng)夫杰克果園15.8m，矮生果園30.4m）均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大多數(shù)蜜蜂在果園中的飛行距離。據(jù)對(duì)授粉昆蟲(chóng)的觀察確認(rèn)授粉昆蟲(chóng)的大部分飛行活動(dòng)多是在同一棵樹(shù)的不同花之間，其次是同一行的鄰近樹(shù)之間或者是不同行的鄰近樹(shù)之間進(jìn)行。遺傳基因傳播距離并無(wú)規(guī)律性變化。這種傳播模式表明授粉昆蟲(chóng)的飛行距離并不是可靠的花粉傳播的研究依據(jù)。

基于授粉昆蟲(chóng)飛行對(duì)花粉傳播距離的研究經(jīng)常會(huì)低估實(shí)際遺傳基因傳播的影響因素，因?yàn)榭剂炕ǚ圻\(yùn)動(dòng)并未考慮到親本間基因關(guān)系的影響，例如親本可能會(huì)影響授精的成功與否，或者授粉昆蟲(chóng)攜帶過(guò)量花粉對(duì)花朵進(jìn)行多次連續(xù)訪問(wèn)的程度影響傳粉效果。研究中蜜蜂是兩個(gè)果園中的主要傳粉昆蟲(chóng)，蜜蜂的行為，也可能有助于解釋成功授精的花粉和授粉昆蟲(chóng)的采集規(guī)律之間的關(guān)系。更重要的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)花粉的傳播除了在樹(shù)與樹(shù)之間發(fā)生外，還發(fā)生在蜂房?jī)?nèi)花粉的轉(zhuǎn)移。這種行為將會(huì)拓寬花粉傳播距離的理解，甚至有時(shí)候也許會(huì)淡化距離的影響。但是，文中研究并未量化蜂房?jī)?nèi)花粉轉(zhuǎn)移的重要性。

除了距離因素之外，授粉品種與主栽品種之間的相互作用也對(duì)授精成功與否有著極大的影響，雖然相互作用包含許多生態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)因素，研究發(fā)現(xiàn)主要有兩個(gè)因素：花期重疊和遺傳親和性。在所研究的品種里，遺傳親和性有極大的變異，但是各品種的變異與“I－dared”品種授精成功與否并不存在正相關(guān)。品種間親和性和授精成功之間無(wú)必然聯(lián)系表明遺傳親和性的差別或者是太小而未被檢測(cè)到，或者是授粉品種與主栽品種間基于單一授粉品種，使用遺傳親和性的常規(guī)手法并不能衡量出二者的相互作用。

表5 “Idared”授精成功百分比與4個(gè)變量的多元回歸方程分析

與此相反，花期重疊解釋在品種間的授精成功的大量變化。結(jié)果表明，果園內(nèi)主栽品種與授粉品種花期重疊天數(shù)越多，花粉授精成功數(shù)也越多。該結(jié)果在一定程度上解釋了為何授精成功并不是距離的單一作用。例如，兩個(gè)花期較早開(kāi)放的品種雖然在園內(nèi)分隔較遠(yuǎn)，在兩個(gè)品種的間隔行內(nèi)無(wú)有效花粉，這樣可能會(huì)使蜜蜂在果樹(shù)間飛行更遠(yuǎn)的距離，從而使花粉得以傳播。授精成功與否并不能從授粉品種與單個(gè)主栽品種間衡量，而是要將所有鄰近的和潛在的競(jìng)爭(zhēng)品種均同時(shí)考慮在內(nèi)（加權(quán)值）。該結(jié)果表明，胚珠所接受的花粉和其他任何授粉品種間的競(jìng)爭(zhēng)取決于整個(gè)授粉樹(shù)附近的競(jìng)爭(zhēng)。

研究結(jié)果還對(duì)蘋(píng)果果園的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。設(shè)計(jì)蘋(píng)果果園時(shí)最重要的考慮因素之一便是授粉。果園內(nèi)品種的種類(lèi)和空間分布應(yīng)當(dāng)能使所有的花朵，最大化有效利用花粉，同時(shí)要將維護(hù)和收獲時(shí)的成本降到最低。研究結(jié)果支持果園內(nèi)花粉傳播是受限制的假設(shè)，因此，授粉品種與主栽品種之間的距離是一個(gè)重要依據(jù)，決定著蘋(píng)果主栽品種在果園內(nèi)的分布。事實(shí)上，數(shù)據(jù)表明，授粉品種成功授精的能力超過(guò)三行果樹(shù)（14.5 m）便會(huì)迅速下降，花粉的可授性也會(huì)變得很難預(yù)測(cè)。這個(gè)結(jié)果與先前園藝學(xué)家的建議一致，即為實(shí)現(xiàn)充足的授粉，任何主栽品種距離最近的授粉品種距離都不能超過(guò)25～30m。對(duì)于典型的高密度種植果園，這些建議意味著四行單一品種種植在一起，至少要配置一行授粉樹(shù)。對(duì)于所研究的兩個(gè)果園，每個(gè)品種的三個(gè)重復(fù)中，盡管三棵果樹(shù)距離蜂箱的距離不同，花粉傳播并無(wú)明顯的差異。特別的是，并無(wú)趨勢(shì)表明授粉品種“Idared”，距離蜂箱越近，種子授精比例越高。該結(jié)果表明，在整個(gè)果園中花粉傳播并不受蜂箱的擺放位置所限制。兩個(gè)果園里均放置強(qiáng)群蜂。然而并未注意到在所研究的果園附近除了蜜蜂以外還有其他野生蜜蜂蜂群，在矮生果園中觀察到一些野生蜜蜂，這些野生蜜蜂的存在可能對(duì)果園內(nèi)距離蜂箱的遠(yuǎn)近與花粉傳播的關(guān)系有影響?？傊?，有關(guān)蘋(píng)果園中蜂群群勢(shì)的影響和野生蜂在花粉傳播中的作用的研究，仍需深入探討和研究。

研究結(jié)果對(duì)果園內(nèi)指定授粉品種的種植和布置具有重要的指導(dǎo)意義。結(jié)果表明：假定所有考慮即將種植的品種的親和性均處在一個(gè)基礎(chǔ)水平，比起異交親和性的細(xì)微差別，授粉品種的選擇應(yīng)該更多考慮花期重疊的程度。傳統(tǒng)建議也是提倡選擇主栽品種和授粉品種時(shí)花期應(yīng)當(dāng)予以重視。在主栽品種花期到來(lái)時(shí)，授粉品種的合理分布才能使得授粉最有效。該研究結(jié)果也表明，盡管大多數(shù)授粉發(fā)生在相鄰行間，授粉品種授精可多達(dá)76%，但是相鄰行間果樹(shù)卻僅有23%的胚珠授精成功。表明靠近授粉品種并不能保證花粉從授粉品種上成功授精到大多數(shù)胚珠內(nèi)。授粉品種花朵上的花粉過(guò)量沉積，表明花粉的浪費(fèi)和如何使授粉效率最大化仍是一個(gè)問(wèn)題。對(duì)指定授粉品種的授精成功的限制可能與附近其它潛在競(jìng)爭(zhēng)授粉品種有關(guān)。研究表明，授精成功僅發(fā)生在品種組成和花期重疊合適的20行半徑內(nèi)。但是果園的大小各異，建議采用"授粉鄰區(qū)"的概念，這對(duì)于設(shè)計(jì)果園，相鄰品種的構(gòu)成和花期重疊，也許是一個(gè)有價(jià)值的參考。

該研究在蘋(píng)果園花粉傳播的研究上首次使用了分子標(biāo)記手段。對(duì)花粉傳播和其生態(tài)學(xué)和遺傳決定因素提出了量化的深刻見(jiàn)解。該研究結(jié)果更有利于蘋(píng)果種植戶(hù)，尤其是當(dāng)果園內(nèi)大多數(shù)果樹(shù)已經(jīng)結(jié)了過(guò)多的果實(shí)，獲得充足的果實(shí)必然重要，但是如果不能保證充足授粉，也不能保證蘋(píng)果具有高品質(zhì)（大小和果型），果實(shí)多也無(wú)濟(jì)于事。掌握花粉是如何有效的傳播到可授品種上，應(yīng)該配置多少授粉品種樹(shù)，花粉可以傳播多遠(yuǎn)，以及果園中哪些因素決定了授精的成功與否（即品種配置，果樹(shù)密度，品種多樣性）。分子標(biāo)記手段更有助于解釋這些問(wèn)題。