高密度種植蘋果園中影響花粉傳播的因素

張旭鳳 邵有全 譯自《園藝科學》2001年第6卷第6期

雖然花粉傳播不是一個引人注意的過程，但是卻對野生和栽培植物的個體生態學和遺傳學具有至關重要的作用。通過基因的傳遞，花粉的傳播影響著植物近親繁殖的程度和植物群體內、群體間的遺傳多樣性結構，以及對植物花形態和生活史進化的選擇性調控。掌握花粉傳播的知識同樣也具有現實意義，因為這些知識對于作物生產和果園的設計是必不可少的，更好地對作物不同品種或同一品種進行配置和管理。盡管花粉傳播在理論和應用研究的重要性已被人們所重視，但是，在過去的研究中花粉運動規律一直很難被量化，從而導致花粉傳播的程度大小以及它的生態影響因素仍然知之甚少。

花粉傳播和成功受精對于商業化果園具有重要而深遠的意義。蘋果是自交不育的品種，因此，結實必須通過品種間的花粉傳遞來實現。然而，使問題更加復雜的是，大多數果園都只種植有很少的幾個品種，并且在果園內同一品種又是成片或者單行種植。由于相同品種間授粉導致的花粉損耗和果實產量、質量的下降，從而更加強調了在果園中準確掌握花粉傳播規律的必要性。雖然蘋果花粉傳播已經得到了相當大的重視，然而大多數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，也僅有少數研究是有關現代高密度果園種植方面的。在高密度種植的果園中，雖然為了早期產量和低樹冠，蘋果種植采用矮化砧木種植方式，但是果園內種植行距過窄，種植密度過高，致使傳粉昆蟲常會沿著果園內同一行果樹采集花粉，而并不是以各行間穿梭飛行的采集方式來實現授粉。

本研究中，1998年和1999年5～9月，在兩個種植密度接近或超過900棵樹/公頃的蘋果園內，為農夫杰克果園（約30000棵樹，16個品種，行距4.75m）和矮生果園（約12000棵樹，14個品種，行距4.9m），果樹均沿主路垂直成行排列，果園中均有一些梨樹，開花時，蜂群以0.5～1群蜂/公頃密度沿主路放置。通過親本鑒定法來跟蹤指定品種等位酶的運動，來研究花粉的傳播方式和距離。經過前期等位酶的掃描，果園內“Idared”品種做為種子親本分析時，其基因型較容易鑒定，因此，兩個果園內所觀察的授粉品種均為“Idared”，通過觀察授精成功種子內獨特的等位基因，來測定在果園中的其他果樹品種上是否授精成功。農夫杰克果園（選取離21行采樣方向最近的3行“Idared”授粉樹）和矮生果園（選取離15行采樣方向最近的4行“Idared”授粉樹）。1998年，8月27日，在兩個果園內收獲來自授粉樹和鄰近授粉樹同一方向的9行果樹的成熟蘋果，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”五個品種），對蘋果取樣時，不同的分枝上對蘋果進行編號，隨機選取數字進行取樣。

對至少30個蘋果種子，盡可能包括每棵樹上所收集的蘋果。使用醋酸纖維素薄膜電泳法提取等位酶。每個種子將種皮除去，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），天冬氨酸轉氨酶（AAT），酸性磷酸酶（αACP），葡萄糖磷酸變位酶（PGM），通過“Idared”與四個品種“McIntosh”，“Delicious”，“Northernspy”，“Empire”雜交，來確定親本關系，其中“Mutsu”為三倍體，無需與“I－dared”進行雜交，表 1。

同時，并對授粉品種與其他品種的開花物候學進行了觀測與記錄，研究其花期重疊與花粉傳播規律之間的關系。其他品種與授粉品種“Idared”的花期重疊有三種表示方法：（1）品種開花高峰之間的天數；（2）與“I－dared”花期重疊的百分數3）與“Idared”花期重疊的加權值，圖 2、3。

表1 跨行基因流研究蘋果品種的四個位點基因型

表2 農夫杰克果園和矮生果園內蘋果品種的開花高峰期

表3 13個蘋果品種與授粉品種“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18行其他主栽品種的傳播規律，并首次將分子標記手段運用在蘋果園中花粉傳播規律的研究上，有超越傳統研究方法的優越之處，例如標記花粉、監測蜜蜂行為活動，由于該手段技術簡單，費用相對便宜，更重要的是，可實現授精成功的花粉傳播的監測，圖4。

表4 “Idared”花粉對五個蘋果品種人工授粉后的結實率

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

先前已有學者在蘋果園中進行過類似花粉傳播方面的研究，是基于考察單一成片種植果樹對結實率的影響，而最近使用了形態學標記手段。例如：1995年，Milutinovic等人調查了單一成片種植的三個蘋果品種的結實情況，這些品種均為野生砧木并且無任何輔助授粉手段。他們發現結實發生在距離授粉樹35～80m范圍內的果樹品種上。有趣的是，在所研究的三個品種中，其中一個品種的結實量并未隨著距離授粉樹越遠而下降。1984年，霍夫曼等人進行了一個品種的類似結實方面的研究。1991年Wertheim利用色素多態性標記一個蘋果品種"Baskatong"，發現授粉作用來自所標記的花粉很少并且每年的結果并未表現出一致性，通過標記花粉，發現授精成功常發生在距離授粉樹5～40m范圍內的果樹上。本研究中，最大花粉傳播距離（農夫杰克果園86m，矮生果園73.5m）和平均花粉傳播距離（農夫杰克果園15.8m，矮生果園30.4m）均遠遠大于大多數蜜蜂在果園中的飛行距離。據對授粉昆蟲的觀察確認授粉昆蟲的大部分飛行活動多是在同一棵樹的不同花之間，其次是同一行的鄰近樹之間或者是不同行的鄰近樹之間進行。遺傳基因傳播距離并無規律性變化。這種傳播模式表明授粉昆蟲的飛行距離并不是可靠的花粉傳播的研究依據。

基于授粉昆蟲飛行對花粉傳播距離的研究經常會低估實際遺傳基因傳播的影響因素，因為考量花粉運動并未考慮到親本間基因關系的影響，例如親本可能會影響授精的成功與否，或者授粉昆蟲攜帶過量花粉對花朵進行多次連續訪問的程度影響傳粉效果。研究中蜜蜂是兩個果園中的主要傳粉昆蟲，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的采集規律之間的關系。更重要的是，已經發現花粉的傳播除了在樹與樹之間發生外，還發生在蜂房內花粉的轉移。這種行為將會拓寬花粉傳播距離的理解，甚至有時候也許會淡化距離的影響。但是，文中研究并未量化蜂房內花粉轉移的重要性。

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學和遺傳學因素，研究發現主要有兩個因素：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。品種間親和性和授精成功之間無必然聯系表明遺傳親和性的差別或者是太小而未被檢測到，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。結果表明，果園內主栽品種與授粉品種花期重疊天數越多，花粉授精成功數也越多。該結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，兩個花期較早開放的品種雖然在園內分隔較遠，在兩個品種的間隔行內無有效花粉，這樣可能會使蜜蜂在果樹間飛行更遠的距離，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主栽品種間衡量，而是要將所有鄰近的和潛在的競爭品種均同時考慮在內（加權值）。該結果表明，胚珠所接受的花粉和其他任何授粉品種間的競爭取決于整個授粉樹附近的競爭。

研究結果還對蘋果果園的設計具有指導作用。設計蘋果果園時最重要的考慮因素之一便是授粉。果園內品種的種類和空間分布應當能使所有的花朵，最大化有效利用花粉，同時要將維護和收獲時的成本降到最低。研究結果支持果園內花粉傳播是受限制的假設，因此，授粉品種與主栽品種之間的距離是一個重要依據，決定著蘋果主栽品種在果園內的分布。事實上，數據表明，授粉品種成功授精的能力超過三行果樹（14.5 m）便會迅速下降，花粉的可授性也會變得很難預測。這個結果與先前園藝學家的建議一致，即為實現充足的授粉，任何主栽品種距離最近的授粉品種距離都不能超過25～30m。對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。對于所研究的兩個果園，每個品種的三個重復中，盡管三棵果樹距離蜂箱的距離不同，花粉傳播并無明顯的差異。特別的是，并無趨勢表明授粉品種“Idared”，距離蜂箱越近，種子授精比例越高。該結果表明，在整個果園中花粉傳播并不受蜂箱的擺放位置所限制。兩個果園里均放置強群蜂。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果園內距離蜂箱的遠近與花粉傳播的關系有影響?？傊嘘P蘋果園中蜂群群勢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。

研究結果對果園內指定授粉品種的種植和布置具有重要的指導意義。結果表明：假定所有考慮即將種植的品種的親和性均處在一個基礎水平，比起異交親和性的細微差別，授粉品種的選擇應該更多考慮花期重疊的程度。傳統建議也是提倡選擇主栽品種和授粉品種時花期應當予以重視。在主栽品種花期到來時，授粉品種的合理分布才能使得授粉最有效。該研究結果也表明，盡管大多數授粉發生在相鄰行間，授粉品種授精可多達76%，但是相鄰行間果樹卻僅有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胚珠內。授粉品種花朵上的花粉過量沉積，表明花粉的浪費和如何使授粉效率最大化仍是一個問題。對指定授粉品種的授精成功的限制可能與附近其它潛在競爭授粉品種有關。研究表明，授精成功僅發生在品種組成和花期重疊合適的20行半徑內。但是果園的大小各異，建議采用"授粉鄰區"的概念，這對于設計果園，相鄰品種的構成和花期重疊，也許是一個有價值的參考。

該研究在蘋果園花粉傳播的研究上首次使用了分子標記手段。對花粉傳播和其生態學和遺傳決定因素提出了量化的深刻見解。該研究結果更有利于蘋果種植戶，尤其是當果園內大多數果樹已經結了過多的果實，獲得充足的果實必然重要，但是如果不能保證充足授粉，也不能保證蘋果具有高品質（大小和果型），果實多也無濟于事。掌握花粉是如何有效的傳播到可授品種上，應該配置多少授粉品種樹，花粉可以傳播多遠，以及果園中哪些因素決定了授精的成功與否（即品種配置，果樹密度，品種多樣性）。分子標記手段更有助于解釋這些問題。