意大利蜜蜂輔助綠豆不育系雜交授粉行為研究

周穎 李靈慧 寶雨欣 陳新 袁星星 吳然然 薛晨晨

摘要：綠豆為自花授粉作物，蜜蜂授粉可以大大減輕人工雜交授粉的勞動強(qiáng)度。為高效生產(chǎn)綠豆雜交種，研究意大利蜜蜂對于雄性不育綠豆材料的訪花行為以及設(shè)施對蜜蜂活動的影響。結(jié)果表明，蜜蜂采集花粉時將喙自綠豆花朵龍骨瓣前端探入，同時攜帶花粉進(jìn)行輔助授粉。蜜蜂進(jìn)行采集活動時，更喜歡沿著一列植株飛行采集花粉，異列飛行率僅為9.07%。蜜蜂對于可育花的單花訪花時間平均值為14.93 s，對于不育花的單花訪花時間平均值為20.38 s;1 min 內(nèi)，棚1可育花和不育花上進(jìn)行采集活動的蜜蜂數(shù)量平均值分別為4.7、13.65只，棚2可育花和不育花上蜜蜂數(shù)量平均值分別為3.9、11.2只?？梢钥闯鲆夥涓矚g綠豆不育植株的花朵且訪不育花單花時間更長。設(shè)施對蜜蜂活動的影響表現(xiàn)為，不覆蓋遮陽網(wǎng)棚下活動蜜蜂總量為覆蓋遮陽網(wǎng)時活動蜜蜂總量的5.7倍左右，兩者差異明顯。

關(guān)鍵詞：綠豆;意大利蜜蜂;雄性不育;輔助授粉;雜交授粉

中圖分類號：S522.035.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0053-05

收稿日期：2020-04-14

基金項目：國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系生物防治與綜合防控崗位科學(xué)家項目（編號：CARS-08-G15）;江蘇特糧特經(jīng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系集成創(chuàng)新中心項目（編號：JATS[2018]255）;江蘇省科技支撐計劃（編號：BE2016327）。

作者簡介：周穎（1995—），女，江蘇靖江人，碩士研究生，主要從事綠豆遺傳育種研究。E-mail：171117321@qq.com。

通信作者：薛晨晨，博士，助理研究員，主要從事豆類遺傳育種研究。E-mail：xuecc@jaas.ac.cn。

綠豆（Vigna radiate L.）作為我國的主要食用豆類作物之一，因含有豐富的維生素和礦物質(zhì)、膳食纖維[1]，而廣受大眾消費(fèi)者的喜愛;又由于綠豆可以通過其根部的根瘤菌進(jìn)行固氮，而十分有利于改善土壤的肥力[2]。綠豆是已知的自花授粉作物，因其閉花授粉所以導(dǎo)致天然異交率極低。綠豆花是蝶形花冠，而且柱頭盤曲，因此按常規(guī)雜交技術(shù)進(jìn)行雜交的結(jié)實率也相當(dāng)?shù)蚚3]。目前，雜種優(yōu)勢的利用是已知的提高作物產(chǎn)量的有效途徑，在自花傳粉的作物之中，水稻就很好地利用了雜種優(yōu)勢，雜交稻的產(chǎn)量比常規(guī)稻一般能夠增產(chǎn)10%～20%[4]。Chen 等用來自泰國的綠豆品種（KPS1和KPS2）和韓國的綠豆品種（Korea7）等為親本進(jìn)行人工授粉，發(fā)現(xiàn)在不同組合配制中，雜交種產(chǎn)量最高可高于40%的超親優(yōu)勢[5]。雜種優(yōu)勢確實不可低估，但由于近年來勞動力的成本成倍增長，人工授粉制種成本也隨之越來越高。因此當(dāng)前作物雜交制種的重要前提，就是通過降低作物制種成本來提高雜交制種的產(chǎn)量。在作物的雜交制種過程中，利用不育系作為親本的三系雜交更是省去了去雄過程，所以能夠很好地降低制種成本。但如果單純采用人工授粉方式進(jìn)行雜交制種，所生產(chǎn)的雜交種子成本仍然較高。而在非人工授粉方式中，蜂類是已知的一種很好的傳粉媒介，它們的食物源頭就是植物的花粉和花蜜。在作物雜交制種的過程中，已經(jīng)在瓜果蔬菜[6-9]、農(nóng)林作物[10-12]等授粉研究中開展了一定成效的應(yīng)用。

蜜蜂屬于高級社會性昆蟲，個體較小，但群體大且生命力強(qiáng)，進(jìn)化程度高，信息交流系統(tǒng)靈敏，在維持生物多樣性以及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力方面發(fā)揮著重要作用[13]。蜜蜂的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)十分特殊，除了周身密生絨毛外，絨毛還呈分叉狀更有利于其采蜜時黏附花粉粒;蜜蜂的足還具有花粉刷、花粉櫛、花粉耙和花粉筐等特殊花粉采集和攜帶結(jié)構(gòu)[14]。蜜蜂是社會性的群居昆蟲，個體小但總體數(shù)量龐大，其群體內(nèi)的合作與分工決定了它在雜交育種工作里不可被其他授粉昆蟲替代的地位。同時，蜜蜂的特性決定了它對于同種植物的授粉非常有利，因為蜜蜂在每次出巢時僅采集同一種植物的花粉及花蜜，因此在采集專一性上與別的授粉昆蟲相比更具有優(yōu)勢[15]。由此可見，蜜蜂是自然界中最理想的授粉昆蟲。人類飼養(yǎng)蜜蜂已有超過數(shù)千年的歷史，人工繁育技術(shù)已十分成熟，蜂箱、巢礎(chǔ)和分蜜機(jī)的發(fā)明也標(biāo)志養(yǎng)蜂業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代化，授粉蜂群的快速培育很好地滿足了大規(guī)模種植農(nóng)作物的授粉需求。蜜蜂授粉較人工授粉的優(yōu)勢是經(jīng)濟(jì)效益好，既可以節(jié)省勞動力，又能夠提高結(jié)莢數(shù)和產(chǎn)量。如果平時的管理較好，蜂群還可以繼續(xù)保存下來，并不影響其后期的生產(chǎn)生活。在現(xiàn)在的蜜蜂養(yǎng)殖條件下，蜜蜂的轉(zhuǎn)運(yùn)是一件很容易的事情，只需等蜜蜂歸巢了就可以把它裝運(yùn)到需要授粉的場地。意大利蜜蜂（Apis? millifera Ligustica Spinola）（以下簡稱為“意蜂”），自 20 世紀(jì)初引入我國，現(xiàn)已成為我國主要的飼養(yǎng)蜂種[16]。目前意蜂是我國應(yīng)用最為廣泛的蜂種，在我國的設(shè)施果菜授粉中也是應(yīng)用最早的蜂種。本研究于2019年6—9月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物科學(xué)基地進(jìn)行意大利蜜蜂輔助綠豆不育系雜交授粉行為的研究，探討意蜂在綠豆雜交授粉中的訪花行為以及活動特性，以期為將來蜜蜂輔助綠豆雜交授粉提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗于2019年4月15日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物科學(xué)基地溫室內(nèi)進(jìn)行。供試綠豆品種為中綠5號、冀綠7號以及綠豆雄性不育系品種（雌蕊可育、雄蕊敗育），均由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供;授粉蜜蜂為意大利蜜蜂（1脾/棚），由安徽省寧國市方塘鄉(xiāng)十組養(yǎng)蜂戶黃和福坊提供。

1.2試驗方法

在同一基地的溫室內(nèi)選擇長勢一致、生長狀態(tài)良好的中綠5號、冀綠7號植株以及不育系品種植株，分別將其移栽到2個溫室內(nèi)，一個溫室加蓋遮陽網(wǎng)，另一溫室不加遮陽網(wǎng)，每個溫室分為2個大小一致的小區(qū)（分別為棚1、棚2、棚3、棚4，其中棚1與棚2是重復(fù)，棚3與棚4是重復(fù)），每個小區(qū)用尼龍網(wǎng)隔開，避免外界昆蟲進(jìn)入。小區(qū)長16 m、寬4 m、高4 m，溫室內(nèi)綠豆栽培采用起壟栽培，每個小區(qū)中間種植不育系品種綠豆20株，兩側(cè)種植中綠5號和冀綠7號，每個小區(qū)80株。蜂箱放置在中間壟上，重復(fù)2次。試驗期間不打任何農(nóng)藥且不采取其他授粉方式。

1.3測定項目及方法

1.3.1蜜蜂訪花行為訪花路線：蜜蜂由一株飛向下一株記1次訪花路線次數(shù)，分別在08：00、12：00、18：00時隨機(jī)選定1只正在采集活動中的蜜蜂，并觀察它之后的20次蜜蜂訪花路線中異列訪花的次數(shù)。

訪花時間：即訪花持續(xù)時間，是指落在一朵花上至離開的時間。任選處于采集活動中的單只蜜蜂，從其落定到花上開始用計時器計時，至該蜜蜂離開花朵時停止計時。

1.3.2可育花與不育花對蜜蜂的吸引度在對蜜蜂的吸引度用1 min內(nèi)蜜蜂數(shù)量表示。用計時器計時，于觀察到第1只蜜蜂時開始計時，分別在同一時間觀察1 min內(nèi)所有可育株與不育株上的蜜蜂數(shù)量。

1.3.3設(shè)施對蜜蜂活動的影響分別記錄1周時間內(nèi)在 08：00、18：00時覆蓋遮陽網(wǎng)棚與不覆蓋遮陽網(wǎng)棚中活動蜜蜂的總數(shù)。當(dāng)蜜蜂較多時采用抽樣法計算蜜蜂活動總數(shù)，隨機(jī)選取5個1 m2的小區(qū)，觀察每個小區(qū)中的蜜蜂數(shù)量，最后總數(shù)乘以12得出每個棚的蜜蜂活動總數(shù)（試驗面積均為60 m2）。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2結(jié)果與分析

2.1蜜蜂訪花行為

每次隨機(jī)統(tǒng)計20次蜜蜂飛行路線中異列飛行的次數(shù)見表1，從試驗結(jié)果來看，在隨機(jī)的時間與地點(diǎn)下統(tǒng)計的蜜蜂的訪花路線均很少出現(xiàn)異列訪花的行為，蜜蜂更喜歡沿著一列種植的綠豆植株飛行進(jìn)行采集活動，總體來看蜜蜂飛行路線出現(xiàn)異列訪花行為的概率為10.56%。

表1蜜蜂訪花路線

處理時間異列飛行次數(shù)重復(fù)1重復(fù)2重復(fù)3棚1（無遮陽）08：0021212：0043118：00031棚2（無遮陽）08：0042312：0020118：00524棚3（遮陽）08：0015212：0031418：00221棚4（遮陽）08：0021212：0031118：00221

由圖1可以看出，蜜蜂對于可育花和不育花的訪花時間存在較大差異。通過訪花的平均時間可以知道，蜜蜂對不育花的訪花平均時間為 20.38 s，而蜜蜂對于可育花的平均訪花時間只有14.93 s，蜜蜂對于不育花的訪花時間明顯更長。蜜蜂對于不育花的訪花時間最大值明顯高于可育花的訪花時間的最大值，蜜蜂對于不育花的訪花時間最大值為53 s，蜜蜂對于可育花的訪花時間最大僅為31 s。由圖1可知，蜜蜂對可育花和不育花的單花訪花時間均為10～20 s區(qū)間內(nèi)占比最大，均超過了總數(shù)的40%，由此可知，蜜蜂在采集活動中更加偏愛不育花。在觀察蜜蜂對于花粉采集過程中，蜜蜂表現(xiàn)出較強(qiáng)的“掠奪式”采集，對單花采食的專一性較差，但是更有利于花粉的傳播，提高授粉成功率;在試驗過程中還觀察到，由于綠豆花朵的嚴(yán)密包合結(jié)構(gòu)，蜜蜂只能伸出前面的喙，通過綠豆龍骨瓣前端試圖采集花粉。

2.2遮陽網(wǎng)對蜜蜂活動的影響

由表2可以看出，是否遮蓋遮陽網(wǎng)對蜜蜂的活動存在明顯影響，通過對08：00和18：00統(tǒng)計的4個棚中活動蜜蜂的總數(shù)情況來看，無遮陽網(wǎng)棚內(nèi)活動蜜蜂的總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有遮陽網(wǎng)的活動蜜蜂數(shù)量。在無遮陽的情況下，08：00的單棚活動蜜蜂總數(shù)平均值為34.07只，18：00的單棚活動蜜蜂總數(shù)平均值為34.50只;而在遮陰情況下，08：00的單棚活動蜜蜂總數(shù)平均值為5.64只，18：00單棚活動蜜蜂總數(shù)為6.36只。不覆蓋遮陽網(wǎng)棚下活動蜜蜂總量為遮陰處理下的5.7倍左右，兩者差異明顯。表2活動蜜蜂總數(shù)統(tǒng)計

處理活動蜜蜂數(shù)量（只）星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期日8：0018：00 8：0018：008：0018：008：0018：008：0018：008：0018：008：0018：00棚12127366036274836272660602324棚22436233621233636363060362626棚347511107357868114棚4752133452336775

2.3可育花和不育花對蜜蜂的吸引度

由試驗結(jié)果可以看出，不育花相對于可育花更加吸引蜜蜂進(jìn)行采集活動，本試驗統(tǒng)計了每天 08：00 時1 min內(nèi)所有可育花和不育花上進(jìn)行采集活動的蜜蜂總數(shù)，并以此為標(biāo)準(zhǔn)表示可育花和不育花對蜜蜂的吸引度。棚1為無遮陽條件下所調(diào)查的不育株和可育株1 min內(nèi)蜜蜂數(shù)量，從圖2可以明顯看出，不育花上的蜜蜂數(shù)量高于可育花上的蜜蜂數(shù)量，可育花1 min內(nèi)蜜蜂數(shù)量平均值為4.7只，而不育花 1 min 內(nèi)蜜蜂數(shù)量平均值為13.65只。

棚2為相同條件下所做重復(fù)試驗，從圖3可以看出棚2與棚1的結(jié)果類似，棚2中可育花1 min內(nèi)蜜蜂數(shù)量平均值為3.9只，不育花1 min內(nèi)蜜蜂數(shù)量平均值為11.2只，同樣說明不育花相對于可育花更能吸引蜜蜂進(jìn)行采集活動。

3討論與結(jié)論

3.1蜜蜂輔助綠豆授粉的可行性

蜜蜂輔助綠豆授粉目前尚未有明確的文獻(xiàn)報道，由于綠豆的蝶形花冠和盤曲的柱頭等特點(diǎn)，使得常規(guī)的去雄、授粉的雜交結(jié)實率相當(dāng)?shù)蚚3]。本試驗在觀察蜜蜂授粉的時候發(fā)現(xiàn)綠豆花朵對于蜜蜂有一定吸引力，且蜜蜂授粉相對于人工雜交的優(yōu)勢在于不會破壞綠豆花朵的完整性與微環(huán)境，雜交成功率會有相應(yīng)的提高。但由于綠豆花朵嚴(yán)密的花結(jié)構(gòu)，蜜蜂采集活動非常受限，但目前筆者所在課題組已發(fā)現(xiàn)綠豆花開張的變異品種[17]，結(jié)合雄性不育的特性，在以后蜜蜂輔助綠豆的雜交授粉非常具有可行性，并且可以大大節(jié)省勞動力。

3.2不同蜂種的選擇對雜交授粉的影響

不同的蜂種對蜜源的要求和利用有所差異，所以不同雜交授粉也應(yīng)選擇最佳的蜂種。唐茜等發(fā)現(xiàn)，藍(lán)莓雜交授粉選擇熊蜂比較好，熊蜂的出巢溫度、起始訪花溫度顯著低于蜜蜂，訪花效率及平均日工作時間顯著高于蜜蜂，熊蜂授粉后的藍(lán)莓單果質(zhì)量及縱橫徑均顯著高于蜜蜂授粉后的果實[18]。而在棉花雜交授粉中，吳翠翠等發(fā)現(xiàn)更應(yīng)該選擇蜜蜂，壁蜂授粉的空果枝數(shù)高于蜜蜂授粉，蜜蜂授粉在鈴數(shù)上高于壁蜂授粉[19]。目前國內(nèi)人工飼養(yǎng)的蜜蜂品種主要為意大利蜜蜂和中華蜜蜂，意大利蜜蜂群勢強(qiáng)、個體大，對地勢平緩的大宗蜜粉源表現(xiàn)出較強(qiáng)的采集力;而中華蜜蜂個體稍小、飛翔快、嗅覺靈敏、出巢勤奮，能有效地利用小宗蜜粉源。并且在出勤時間上，中華蜜蜂較意大利蜜蜂出勤早，中華蜜蜂大量出勤時間在09：00 左右，意大利蜜蜂約晚1 h，在10：00 左右[20]。黑龍江省蠶蜂技術(shù)指導(dǎo)站研究表明，利用意大利蜜蜂授粉能有效提升大豆產(chǎn)量，增加大豆百粒質(zhì)量[21]。李卓航等的研究結(jié)果表明，在30 ℃左右意大利蜜蜂出巢、歸巢達(dá)到高峰，說明該溫度下蜜蜂活動積極，持續(xù)高溫會對意蜂出巢活動造成抑制，表現(xiàn)為14：00—15：00 意大利蜜蜂出巢數(shù)量急劇下降，已出巢意蜂也開始大量歸巢，說明設(shè)施內(nèi)持續(xù)高溫不適合意大利蜜蜂出巢活動[22]。而綠豆人工授粉則最好在06：00—09：00，父本適宜采粉的花較多，花粉質(zhì)量好[23]。因此本研究涉及的試驗測量均為早晚蜜蜂活動情況。本試驗所采用的為意大利蜜蜂，從雜交授粉結(jié)果來看，成功率不是非常理想。而在一些其他作物如蘋果上關(guān)于蜜蜂的輔助雜交授粉的結(jié)果來看，中華蜜蜂與意大利蜜蜂相比較，意大利蜜蜂授粉坐果率略低于中華蜜蜂，果實糖度低 0.1[24]。因此在未來的綠豆雜交蜜蜂輔助授粉上對于蜂種的選擇應(yīng)該繼續(xù)做進(jìn)一步的研究。

3.3設(shè)施因素對于意大利蜜蜂活動的影響

本試驗是在塑料溫室內(nèi)加蓋遮陽網(wǎng)進(jìn)行的，設(shè)施環(huán)境對于蜜蜂的活動將會產(chǎn)生一定的影響，李卓航等發(fā)現(xiàn)設(shè)施溫度、濕度、光照均對蜜蜂出歸巢采集活動造成影響，其中，溫度影響最大，其次是濕度，光照對蜜蜂出巢影響最小，且溫度越高蜜蜂活動量越大，濕度越高蜜蜂活動量越小[22]。因此，可以在溫室內(nèi)安裝調(diào)節(jié)溫濕度的儀器，提高蜜蜂的活動量，增加蜜蜂授粉的概率。

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