高密度种植苹果园中影响花粉传播的因素

张旭凤 邵有全 译自《园艺科学》2001年第6卷第6期

虽然花粉传播不是一个引人注意的过程，但是却对野生和栽培植物的个体生态学和遗传学具有至关重要的作用。通过基因的传递，花粉的传播影响着植物近亲繁殖的程度和植物群体内、群体间的遗传多样性结构，以及对植物花形态和生活史进化的选择性调控。掌握花粉传播的知识同样也具有现实意义，因为这些知识对于作物生产和果园的设计是必不可少的，更好地对作物不同品种或同一品种进行配置和管理。尽管花粉传播在理论和应用研究的重要性已被人们所重视，但是，在过去的研究中花粉运动规律一直很难被量化，从而导致花粉传播的程度大小以及它的生态影响因素仍然知之甚少。

花粉传播和成功受精对于商业化果园具有重要而深远的意义。苹果是自交不育的品种，因此，结实必须通过品种间的花粉传递来实现。然而，使问题更加复杂的是，大多数果园都只种植有很少的几个品种，并且在果园内同一品种又是成片或者单行种植。由于相同品种间授粉导致的花粉损耗和果实产量、质量的下降，从而更加强调了在果园中准确掌握花粉传播规律的必要性。虽然苹果花粉传播已经得到了相当大的重视，然而大多数研究多基于表观花粉传播而非成功授粉的花粉传播研究，也有少量研究是基于花粉传播的影响因素而非成功授粉的花粉传播距离方面的研究。此外，也仅有少数研究是有关现代高密度果园种植方面的。在高密度种植的果园中，虽然为了早期产量和低树冠，苹果种植采用矮化砧木种植方式，但是果园内种植行距过窄，种植密度过高，致使传粉昆虫常会沿着果园内同一行果树采集花粉，而并不是以各行间穿梭飞行的采集方式来实现授粉。

本研究中，1998年和1999年5～9月，在两个种植密度接近或超过900棵树/公顷的苹果园内，为农夫杰克果园（约30000棵树，16个品种，行距4.75m）和矮生果园（约12000棵树，14个品种，行距4.9m），果树均沿主路垂直成行排列，果园中均有一些梨树，开花时，蜂群以0.5～1群蜂/公顷密度沿主路放置。通过亲本鉴定法来跟踪指定品种等位酶的运动，来研究花粉的传播方式和距离。经过前期等位酶的扫描，果园内“Idared”品种做为种子亲本分析时，其基因型较容易鉴定，因此，两个果园内所观察的授粉品种均为“Idared”，通过观察授精成功种子内独特的等位基因，来测定在果园中的其他果树品种上是否授精成功。农夫杰克果园（选取离21行采样方向最近的3行“Idared”授粉树）和矮生果园（选取离15行采样方向最近的4行“Idared”授粉树）。1998年，8月27日，在两个果园内收获来自授粉树和邻近授粉树同一方向的9行果树的成熟苹果，这 9 行为离“Idared”品种同一方向的第 1、2、3、5、7、9、12、15、18 行（包括“McIntosh”，“Mutsu”，“Delicious”，“Northernspy”，“Empire”五个品种），对苹果取样时，不同的分枝上对苹果进行编号，随机选取数字进行取样。

对至少30个苹果种子，尽可能包括每棵树上所收集的苹果。使用醋酸纤维素薄膜电泳法提取等位酶。每个种子将种皮除去，胚芽和子叶液氮冰冻后，放置在50 μL“Decodon”萃取缓冲液中，匀浆液离心8～12分种后放于冰箱，上清液加入醋酸纤维素凝胶，250V电压下，电泳45～60分钟，获取4种酶：6-磷酸葡萄糖脱氢酶（6PGD），天冬氨酸转氨酶（AAT），酸性磷酸酶（αACP），葡萄糖磷酸变位酶（PGM），通过“Idared”与四个品种“McIntosh”，“Delicious”，“Northernspy”，“Empire”杂交，来确定亲本关系，其中“Mutsu”为三倍体，无需与“I－dared”进行杂交，表 1。

同时，并对授粉品种与其他品种的开花物候学进行了观测与记录，研究其花期重叠与花粉传播规律之间的关系。其他品种与授粉品种“Idared”的花期重叠有三种表示方法：（1）品种开花高峰之间的天数；（2）与“I－dared”花期重叠的百分数3）与“Idared”花期重叠的加权值，图 2、3。

表1 跨行基因流研究苹果品种的四个位点基因型

表2 农夫杰克果园和矮生果园内苹果品种的开花高峰期

表3 13个苹果品种与授粉品种“Idared”花期重叠百分比

该研究描述了花粉由单一授粉品种“Idared”向果园内18行其他主栽品种的传播规律，并首次将分子标记手段运用在苹果园中花粉传播规律的研究上，有超越传统研究方法的优越之处，例如标记花粉、监测蜜蜂行为活动，由于该手段技术简单，费用相对便宜，更重要的是，可实现授精成功的花粉传播的监测，图4。

表4 “Idared”花粉对五个苹果品种人工授粉后的结实率

如果花粉传播根本上是由昆虫采集花粉的行为和飞行方式所决定，那么花粉传播距离应该是有限的，研究中，矮生果园至少有15行（73.5m）果树，农夫杰克果园18行（86m）果树，但是44～80%授粉树的花粉传播均发生于3行（约为14.5m）之内。而且，成功授粉的几率随着距离的增加而呈下降趋势，超过50%的种子授精成功均是在邻近授粉树的4行果树内，然而，花粉传播距离的变化并无规律。

先前已有学者在苹果园中进行过类似花粉传播方面的研究，是基于考察单一成片种植果树对结实率的影响，而最近使用了形态学标记手段。例如：1995年，Milutinovic等人调查了单一成片种植的三个苹果品种的结实情况，这些品种均为野生砧木并且无任何辅助授粉手段。他们发现结实发生在距离授粉树35～80m范围内的果树品种上。有趣的是，在所研究的三个品种中，其中一个品种的结实量并未随着距离授粉树越远而下降。1984年，霍夫曼等人进行了一个品种的类似结实方面的研究。1991年Wertheim利用色素多态性标记一个苹果品种"Baskatong"，发现授粉作用来自所标记的花粉很少并且每年的结果并未表现出一致性，通过标记花粉，发现授精成功常发生在距离授粉树5～40m范围内的果树上。本研究中，最大花粉传播距离（农夫杰克果园86m，矮生果园73.5m）和平均花粉传播距离（农夫杰克果园15.8m，矮生果园30.4m）均远远大于大多数蜜蜂在果园中的飞行距离。据对授粉昆虫的观察确认授粉昆虫的大部分飞行活动多是在同一棵树的不同花之间，其次是同一行的邻近树之间或者是不同行的邻近树之间进行。遗传基因传播距离并无规律性变化。这种传播模式表明授粉昆虫的飞行距离并不是可靠的花粉传播的研究依据。

基于授粉昆虫飞行对花粉传播距离的研究经常会低估实际遗传基因传播的影响因素，因为考量花粉运动并未考虑到亲本间基因关系的影响，例如亲本可能会影响授精的成功与否，或者授粉昆虫携带过量花粉对花朵进行多次连续访问的程度影响传粉效果。研究中蜜蜂是两个果园中的主要传粉昆虫，蜜蜂的行为，也可能有助于解释成功授精的花粉和授粉昆虫的采集规律之间的关系。更重要的是，已经发现花粉的传播除了在树与树之间发生外，还发生在蜂房内花粉的转移。这种行为将会拓宽花粉传播距离的理解，甚至有时候也许会淡化距离的影响。但是，文中研究并未量化蜂房内花粉转移的重要性。

除了距离因素之外，授粉品种与主栽品种之间的相互作用也对授精成功与否有着极大的影响，虽然相互作用包含许多生态学和遗传学因素，研究发现主要有两个因素：花期重叠和遗传亲和性。在所研究的品种里，遗传亲和性有极大的变异，但是各品种的变异与“I－dared”品种授精成功与否并不存在正相关。品种间亲和性和授精成功之间无必然联系表明遗传亲和性的差别或者是太小而未被检测到，或者是授粉品种与主栽品种间基于单一授粉品种，使用遗传亲和性的常规手法并不能衡量出二者的相互作用。

表5 “Idared”授精成功百分比与4个变量的多元回归方程分析

与此相反，花期重叠解释在品种间的授精成功的大量变化。结果表明，果园内主栽品种与授粉品种花期重叠天数越多，花粉授精成功数也越多。该结果在一定程度上解释了为何授精成功并不是距离的单一作用。例如，两个花期较早开放的品种虽然在园内分隔较远，在两个品种的间隔行内无有效花粉，这样可能会使蜜蜂在果树间飞行更远的距离，从而使花粉得以传播。授精成功与否并不能从授粉品种与单个主栽品种间衡量，而是要将所有邻近的和潜在的竞争品种均同时考虑在内（加权值）。该结果表明，胚珠所接受的花粉和其他任何授粉品种间的竞争取决于整个授粉树附近的竞争。

研究结果还对苹果果园的设计具有指导作用。设计苹果果园时最重要的考虑因素之一便是授粉。果园内品种的种类和空间分布应当能使所有的花朵，最大化有效利用花粉，同时要将维护和收获时的成本降到最低。研究结果支持果园内花粉传播是受限制的假设，因此，授粉品种与主栽品种之间的距离是一个重要依据，决定着苹果主栽品种在果园内的分布。事实上，数据表明，授粉品种成功授精的能力超过三行果树（14.5 m）便会迅速下降，花粉的可授性也会变得很难预测。这个结果与先前园艺学家的建议一致，即为实现充足的授粉，任何主栽品种距离最近的授粉品种距离都不能超过25～30m。对于典型的高密度种植果园，这些建议意味着四行单一品种种植在一起，至少要配置一行授粉树。对于所研究的两个果园，每个品种的三个重复中，尽管三棵果树距离蜂箱的距离不同，花粉传播并无明显的差异。特别的是，并无趋势表明授粉品种“Idared”，距离蜂箱越近，种子授精比例越高。该结果表明，在整个果园中花粉传播并不受蜂箱的摆放位置所限制。两个果园里均放置强群蜂。然而并未注意到在所研究的果园附近除了蜜蜂以外还有其他野生蜜蜂蜂群，在矮生果园中观察到一些野生蜜蜂，这些野生蜜蜂的存在可能对果园内距离蜂箱的远近与花粉传播的关系有影响。总之，有关苹果园中蜂群群势的影响和野生蜂在花粉传播中的作用的研究，仍需深入探讨和研究。

研究结果对果园内指定授粉品种的种植和布置具有重要的指导意义。结果表明：假定所有考虑即将种植的品种的亲和性均处在一个基础水平，比起异交亲和性的细微差别，授粉品种的选择应该更多考虑花期重叠的程度。传统建议也是提倡选择主栽品种和授粉品种时花期应当予以重视。在主栽品种花期到来时，授粉品种的合理分布才能使得授粉最有效。该研究结果也表明，尽管大多数授粉发生在相邻行间，授粉品种授精可多达76%，但是相邻行间果树却仅有23%的胚珠授精成功。表明靠近授粉品种并不能保证花粉从授粉品种上成功授精到大多数胚珠内。授粉品种花朵上的花粉过量沉积，表明花粉的浪费和如何使授粉效率最大化仍是一个问题。对指定授粉品种的授精成功的限制可能与附近其它潜在竞争授粉品种有关。研究表明，授精成功仅发生在品种组成和花期重叠合适的20行半径内。但是果园的大小各异，建议采用"授粉邻区"的概念，这对于设计果园，相邻品种的构成和花期重叠，也许是一个有价值的参考。

该研究在苹果园花粉传播的研究上首次使用了分子标记手段。对花粉传播和其生态学和遗传决定因素提出了量化的深刻见解。该研究结果更有利于苹果种植户，尤其是当果园内大多数果树已经结了过多的果实，获得充足的果实必然重要，但是如果不能保证充足授粉，也不能保证苹果具有高品质（大小和果型），果实多也无济于事。掌握花粉是如何有效的传播到可授品种上，应该配置多少授粉品种树，花粉可以传播多远，以及果园中哪些因素决定了授精的成功与否（即品种配置，果树密度，品种多样性）。分子标记手段更有助于解释这些问题。