油棕授粉生物学的相关研究进展及展望

杨蒙迪 赵慧 曹红星

摘 要 油棕是世界上产油效率最高的作物之一。目前平均产量4.17 t/hm2，潜在产量12～18 t/hm2。授粉是油棕果实产量形成的基础，也是制种的重要步骤。为了充分发挥油棕的产量潜力，培育出高产优质新品种，对油棕授粉生物学的研究至关重要。本文综述与油棕授粉生物学相关的花粉活力、柱头可授性、花粉贮藏性、花粉萌发相关基因研究等进展，并对进一步研究方向进行了展望，为提高油棕的产量和培育新品种提供理论基础。

关键词 油棕 ；授粉 ；生物学 ；展望

中图分类号 S792.51 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2019.02.010

Abstract Oil palm is one of the crops with the highest oil production efficiency in the world， and it currently yields 4.17 t / ha with a potential yield of 12-18 t/ha. Pollination is the basis for yield formation of oil palm fruit and an important step of seed production. Pollination biology of oil palm is essential to give full play to the potential of oil palm yield and to develop new varieties with high yield and excellent quality. The advances and prospects in researches of pollen vigor， stigma acceptability， pollen storage and pollen germination related genes that are concerned with pollination biology of oil palm were reviewed. This review provides the theoretical basis for increasing the yield and breeding new varieties of oil palm.

Keywords oil palm ； advances in pollination biology ； outlook

油棕（Oil Palm）是世界上產油效率最高的热带木本油料作物，有世界油王之美誉[1-2]。理论上，油棕的最大产油量可达18 t/hm2[3]，实际生产中个别优异的品种产量可达12 t/hm2[4]，但我国油棕年产量仅5.25 t/hm2，优质田年产量为9 t/hm2[5]，油棕产量仍有较大的提升空间。我国棕榈油消费量占食用油消费总量的23%左右且在逐年上升，棕仁油常用于制作高级奶油和化妆品，棕榈油、棕仁油和油棕副产品在轻工业上的用途日益广泛，大力发展我国油棕产业可以降低对外依存程度[6-9]。

授粉是果实和种子形成的关键步骤，柱头与花粉是否亲和、花粉活力和柱头的可授性强弱、授粉时间、授粉方式是影响授粉成功率及果实和种子产量与品质的关键性因素。授粉受精过程中花粉具有活力是必要条件，柱头可授性则直接关系到受精过程能否顺利完成[10]。雌雄花的性别比例分化的影响因素及相关基因和蛋白表达等，都是油棕传粉生物学研究的重要组成部分，通过这些方面的研究可为提高果实产量和培育高产品种提供理论依据。

1 油棕花序

作为典型的热带作物，油棕几乎全年开花结实，其花常表现为雌雄同株异序，也有少数一些幼龄树会出现混合花序[8]。目前关于油棕花序的研究主要有以下内容。

1.1 花序性别分化

杨静等[11]发现，油棕从花原基分生组织形成到花序完全开放的过程至少需要2年。其发育进程可人为分为雌雄未显性期及雌雄显性期，花序在80%的时间里处于未显性期。雌雄显性期之前花序还需经历指数增长期（EGSI）。此外，雌雄花分化过程有较大的不同：其一，雌花分化过程中会经历一个雌雄花共存的两性期阶段，之后雄花选择性败育，雌花成为单性花，此阶段若雄花未完全败育则会出现混合花序；而雄花在发育过程之中则从一开始即为单性雄花，不经历两性阶段；其二，为保证授粉成功，油棕雄花花序的单个小穗轴上花原基分生组织数量远多于雌花，差异悬殊。

1.2 花序形态观察

佛焰苞裂开后油棕雌雄的花序形态有明显的不同，形态观察可直观判断油棕花所处花期，进而确定适宜授粉时间；花的状态也可反映出作物本身营养状况，对果实发育具有重要的作用。

1.2.1 雌花形态特征

雌花序由许多小穗组成，单朵雌花在小穗轴的深凹穴里螺旋排列。每朵雌花有6个花瓣，2～3个小苞片，湿性柱头作3齿裂，也有极少数作4齿裂。Tandon 等[12]通过在显微镜下观察发现，每一柱头裂片中间有一个由乳突细胞组成的带状柱头沟，花柱中空，柱头沟和花柱管之间有一个果胶质层，花柱管最下端分为三叉状，分别通向子房的3个小室。李元元等[13]将雌花花序按其发育进程形态的变化划分为5个时期：第I期（显花期），开花前1～2 天心皮完全为花被所包裹；第II期（初花期），开花第1 天心皮露出，柱头三裂片微张；第III期（Y字期），开花第2～3天柱头开裂角度增大；第IV期（翻卷期），开花第4～5天裂片顶端出现翻卷；第V期（萎蔫期），心皮逐渐失水，由柱头沟开始颜色变褐。

1.2.2 雄花形态特征

雄花序由绕中轴着生的指状肉穗状花序组成，为内外佛焰苞包被，开花时内佛焰苞先开裂随后外佛焰苞开裂。倪书邦等[14]把雄花按照其发育进程形态分为以下几个时期：苞期，雄花发育早期呈苞状物期；苞开期，佛焰花苞开裂花序暴露；开叉期，雄花穗由聚拢状分散开，这一时期若油棕叶片与树体空隙大小直接影响雄花穗散开程度；散粉期，雄花开花散粉，花穗上的雄花陆续开放，表面布满花粉，吸引大量象鼻虫；萎蔫期，雄花败落，花粉渐渐失去活力。

2 授粉方式

油棕授粉方式主要有人工授粉、风媒授粉与虫媒授粉。而曹建华等[15]的研究表明，我国油棕授粉多为人工授粉或风媒授粉。风媒授粉易受自然环境条件影响，授粉不均匀，有部分雌花会因为不能很好地授粉而发生败育，授粉效率较低；人工授粉效率虽然比风媒略高，但易受树体高度、劳动力及资金投入的限制；虫媒授粉效率高成本低，但难以控制花粉来源和授粉时间。

目前发现的油棕授粉昆虫多达30余种，其中最常见、最高效安全的昆虫是象鼻虫（Elaeidobius kamerunicus）[16-18]。早期油棕在很长一段时间内被认为主要是风媒授粉[19]，后来研究人员Syed[20]在油棕的原产地喀麦隆发现了象鼻虫。1980年7～10月间，象鼻虫被引入到马来西亚，经农业部严格检疫后于1981年释放到油棕园[21]。此后当地油棕种植所需授粉费用急剧降低，而产量和品质都有了极大的提升，随后多个国家大量引入象鼻虫取代人工授粉。象鼻虫具有很高的繁殖能力，它们以失去活力的雄花花粉为食，雄花开放期间释放出强烈大茴香气味吸引象鼻虫[22]，因而其携带大量有活性的花粉，雌花开放时释放出与雄花相似的气味香味，引诱它们造访，且因其体型很小的缘故可以对内层雌花授粉，授粉效率极高。研究表明，象鼻虫授粉可以提高油棕座果率约20%[23-24]。

生产中依靠风媒和虫媒固然可以降低成本，但要实现控制杂交授粉和制种，还需依靠人工控制授粉，包括对授粉时间和花粉来源的控制。

3 雌花和雄花活力特性的研究

授粉是否成功，除外界环境的影响外，其雌雄花本身所处时期、花粉活力和柱头可授性才是决定性因素，测定柱头可授性和花粉活力便于控制授粉时间。

3.1 柱头可授性变化

油棕雌花的最佳授粉时间为开放后1～3 d[25]，在此基础上李元元等[12]采用联苯胺-过氧化氢法测定3种油棕的柱头可授性强弱，结果表明，无壳种和薄壳种第III期上午授粉最为适宜；厚壳种则是第IV期下午授粉最为适宜。

3.2 花粉研究

常用的花粉活力研究方法主要有I-IK染色法、TTC染色法、FCR测定法、醋酸洋红染色法和培养基萌发法等，魏丽萍等[26]通过不同方法对云南油棕花粉活力进行了测定，对比发现培养基萌发法能准确表现油棕各品种花粉活力。

经油棕花粉萌发的影响因素试验，沈雁等[27]发现，培养基蔗糖浓度为5%时的效果最好；硼酸的存在是必要条件，低浓度情况下可促进花粉的萌发和花粉管的伸长，而高浓度则抑制；最适培养温度为35℃。

李元元[13]经过对中国热带农业科学院椰子研究所油棕研究基地的3种果壳类型油棕的花粉活力变化的鉴定，得出以下结论：无壳种花粉活力第4天最强；薄壳种第2天最强；厚壳种第3天最强。在完全散粉当天，薄壳种和厚壳种油棕的花粉在一天内的变化不明显，但无壳种的花粉活力下午高于上午，且在14时最强而10时最弱。厚壳种和薄壳种花粉活力强于无壳种。

低温、低湿、高二氧化碳低氧等条件有利于花粉保存。林以运[28]通过对比低温保存、超低温保存、气体保存、有机溶剂保存这四种方法，综合成本、可行性以及保存效果，认为低温保存的方法最为适宜。在花粉保藏步骤，最为便捷经济的操作为于38℃条件下干燥处理36 h，其后置于-20℃环境中，此种处理下花粉活力所受影响最小。

4 授粉后相关研究

4.1 授粉后花粉管伸长

Tandon等[12]对非洲Tenera品种的雌蕊进行研究，发现授粉会促使柱头沟与花柱管之间的果胶质层降解；花粉粒萌发后，花粉管在乳突细胞表面生长并进入柱头沟，后沿柱头沟进入花柱管，最终进入子房，授粉后 8～20 h胚珠可见花粉管。

4.2 花粉萌发及授粉前后相关基因的表达情况

大量研究表明，一些植物激素在花粉萌发和花粉管生长中有着重要作用，其中吲哚-3-乙酸（IAA）有促进作用[29]，乙烯抑制花粉管萌发[30]，Wang等[31]经对比发现，EgNDL和eIF基因在其中发挥了重要作用。

林以运[28]以“看家”基因Actin作为内参基因，利用实时荧光定量PCR方法详细分析了油棕花粉萌发相关的OP_Pollen-1、OP_Pollen-2、OP_Pollen-3和OP_Pollen-4这4个基因在油棕花粉萌发前后的变化趋势以及相对内参基因表达量的变化，认为厚壳种、薄壳种、无壳种的油棕花其花粉间可能有着基因型差异，但这一推断的正确性还需更多关于花粉萌发基因萌发前后表达量的差异研究来进行验证。

李元元[32]采用荧光检测对比了GPI基因（控制糖基磷脂酰肌醇合成）、MYB轉录因子等部分基因在授粉前后表达的差异。实验结果表明，即使是同一种基因，在不同品种的油棕花粉中表达情况也不尽相同。在其他类型的基因表达过程中是否亦有此种现象仍需进行更多相关实验。

5 展望

目前关于油棕授粉生物学的研究主要集中在授粉技术、授粉工具[33]、授粉昆虫种类的调查、花形态观察、花序分化中雌雄花的差异、花粉形态观察、柱头可授性强弱、花粉活力强弱与贮藏性这些方面，也有少数关于花粉萌发的激素及相关基因、授粉前后相关基因表达差异性等方面的研究，而对授粉后花粉在柱头上的萌发状况、花粉管生长速度、自交是否亲和以及生理生化的变化的报道较少。Rajinder Singh等[34]完成了非洲油棕和南美洲油棕的基因组测序，为研究授粉后相关基因、蛋白和代谢组学的变化奠定了基础，同时这些也成为了今后研究重点和方向。

参考文献

[1] Okoye M N， Okwuagwu C O. Variability of bunch yield among the D × T inter-population progenies of the NIFOR second cycle oil palm （Elaeis guineensis Jacq.） breeding programme.[J]. Journal of Agricultural & Biological Science， 2008， 3（3）： 38-44.

[2] Konan K E， Durandgasselin T， Kouadio Y J， et al. In vitro conservation of oil palm somatic embryos for 20 years on a hormone-free culture medium： characteristics of the embryogenic cultures， derived plantlets and adult palms[J]. Plant Cell Reports， 2010， 29（1）： 1-13.

[3] Ltd T R I. Oil Palm–Achievements and Potential[J]. Plant Production Science， 2005， 8（3）： 288-297.

[4] 曹建華，林位夫，张以山，等. 油棕的产量潜力及其影响因子探析[J]. 中国热带农业，2009（6）：48-50.

[5] 操 戈，邓卫哲. 海南加快发展木本油料产业.[EB/OL].[2016-06-06]. http：//politics.people.com.cn/n/2015/0616/c70731-27159234.html.

[6] 蔡东宏，李渊林. 世界棕油产销历史与现状[J]. 世界农业，1998（19）：25-28.

[7] 熊惠波，李 瑞，李希娟，等. 油棕产业调查分析及中国发展油棕产业的建议[J]. 中国农学通报，2009，25（24）：114-117.

[8] 雷新涛，曹红星. 油棕[M]. 北京：中国农业出版社， 2013.

[9] 赵松林，董志国，曹红星，等. 中国主要热带油料植物开发利用现状及存在问题[C]. 中国作物协会油料作物专业委员会第七次会员代表大会暨学术年会综述与摘要集，2013： 51-57.

[10] 王 卫，杨水平，崔广林，等. 青蒿花粉活力及柱头可授性研究[J]. 西南大学学报（自然科学版），2015， 37（2）： 1-7.

[11] 杨 静，李 哲，曾宪海，等. 油棕花序性别分化过程观察[J]. 南方农业学报，2016，47（9）：1 533-1 541.

[12] Tandon R， Manohara T N， Nijalingappa B H M， et al. Pollination and Pollen-pistil Interaction in Oil Palm， Elaeis guineensis[J]. Annals of Botany， 2001， 87（6）： 831-838.

[13] 李元元，曹红星，李新国. 3种果壳类型油棕花粉活力及柱头可授性的比较[J]. 热带作物学报，2018， 39（3）： 459-464.

[14] 倪书邦，刘世红，魏丽萍. 油棕雄花发育时期功能叶生理生化特性及叶绿素荧光基础研究[J]. 中国农学通报，2011，27（19）：244-250.

[15] 曹建华，李晓波，林位夫. 油棕人工授粉与风媒授粉比较研究[J]. 热带作物学报，2010，31（3）： 339-344.

[16] 岳建军，严 珍，陈泽坦，等. 简述油棕授粉昆虫种类[J]. 农业科技通讯，2012（12）：227-229.

[17] Caudwell R W. Insect pollination of oil palm- time to evaluate the long-term viability and sustainability of Elaeidobius kamerunicus[J]. The Planter， Kuala Lumpur， 2001， 77（901）： 181-190.

[18] Ponnamma K N. Diurnal variation in the population of Elaeidobius kamerunicus on the anthesising male inflorescences of oil palm[J]. The Planter， Kuala Lumpur， 1999， 75（881）： 405-410.

[19] Hartley C W S. The Oil Palm（Elaeis guineensis Jacq.）. Long—man Scientific&Technica1， 1988： 761.

[20] Syed R A. Studies on oil palm pollination by insects[J]. Bulletin of Entomological Research， 1979， 69（2）： 213-224.

[21] Kong S M， Karim Z A. Quarantine aspect of the introduction into Malaysia of an oil palm insect pollination[J]. In Proceedings of International Conference of Plant Protection in the Tropics. Malaysian Plant Protection Society Kuala Lumpr. 1982.

[22] Opute F I. Identification of p. methoxyallybenzene in the pollen of the oil palm Elaeis guineensis Jacq[J]. Journal of Experimental Botany， 1975， 26（93）： 619-623.

[23] 曹建华，林位夫，张以山，等. 油棕授粉技术比较[J]. 中国热带农业， 2010（2）： 46-48.

[24] 曹建华，林位夫，张以山，等. 油棕授粉昆虫——象鼻虫[J]. 中国热带农业，2010（3）：47-50.

[25] Hartley C W S. 中国热带作物学会译校. 油棕[M]. 海口： 海南省華侨农场管理局翻印， 1986： 130-137， 332-333.

[26] 魏丽萍，刘世红，倪书邦. 油棕花粉活力快速有效测定方法及品种问花粉活力比较[J]. 广东农业科学， 2011（08）： 47-48.

[27] 沈 雁，陈卫军，陆 晨，等. 油棕花粉活力和贮藏性研究[J]. 热带农业科学， 2016， 36（10）： 24-27.

[28] 林以运. 油棕花粉萌发及相关基因表达验证研究[D]. 海口： 海南大学， 2017.

[29] Wu J Z， Lin Y， Zhang X L， et al. IAA stimulates pollen tube growth and mediates the modification of its wall composition and structure in Torenia fournieri[J]. Journal of Experimental Botany， 2008， 59（9）： 2 529-2 543.

[30] Li Q We， Wen Y X， Zhu Y D， et al. Genome-scale analysis and comparison of gene expression profiles in developing and germinated pollen in Oryza sativa[J]. BMC Genomics， 2010， 11（1）： 338.

[31] Wang Y， Yin M H， Ihase L O， et al. Pollen germination genes differentially expressed in different pollens from Dura， Pisifera and Tenera oil palm （Elaeis guineensis， jacq.）[J]. Scientia Horticulturae， 2018， 235：32-38.

[32] 李元元. 油棕授粉生物学特性及其相关基因的表达分析[D]. 海口： 海南大学， 2018.

[33] Bonneau L， Eli D， Vovola P， et al. Comparing pollination bag types for micro-environmental parameters influencing seed production in oil palm[J]. Journal of Oil Palm Research， 2017， 29（2）： 168-179.

[34] Singh R， Ongabdullah M， Low E et al. Oil palm genome sequence reveals divergence of interfertile species in Old and New Worlds[J]. Nature， 2013， 500（7462）： 335-339.