番荔枝花粉特性及其授粉技术研究进展.pdf

江西农业学报 2023，35（06）：6268ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.06.009番荔枝花粉特性及其授粉技术研究进展孟富宣，段元杰，胡 祥，方海东，孙漫莹，阳世莹，孔维喜，刘海刚*（云南省农业科学院热区生态农业研究所/元谋干热河谷植物园，云南 元谋 651300）摘 要:综述了国内外番荔枝花粉、授粉技术研究进展、存在的问题，以及对番荔枝授粉技术未来发展的展望，以期为番荔枝产业的持续发展提供参考。关键词:番荔枝；花粉活力；柱头接受性；授粉技术；研究进展 中图分类号：S667.1 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）06-0062-07Research Progress in Pollen Characteristics and Pollination Technology of Annona squamosa MENGFu-xuan,DUANYuan-jie,HUXiang,FANGHai-dong,SUNMan-ying,YANGShi-ying,KONGWei-xi,LIUHai-gang*(InstituteofTropicalEco-agriculture,YunnanAcademyofAgriculturalSciences/YuanmouDry-hotValleyBotanicalGarden,Yuanmou651300,China)Abstract:BysummarizingtheresearchprogressandexistingproblemsofAnnona squamosapollenandpollinationtechnologyathomeandabroad,andlookingforwardtothefuturedevelopmentofAnnona squamosapollinationtechnology,itisexpectedtoprovideareferenceforthesustainabledevelopmentofAnnona squamosaindustry.Key words:Annona squamosa;Pollenvitality;Stigmareceptivity;Pollinationtechnology;Researchprogress番荔枝(Annona squamosa L.)属番荔枝科(Ann-onaceae)番荔枝属(Annona)植物，适宜在热带或亚热带地区种植，广泛分布于整个南美洲的热带地区，在非洲、澳大利亚、中国、印度、墨西哥、美国南部、菲律宾和泰国等地也有种植。番荔枝属植物具有典型的完全花，雌雄同体，但雌雄蕊异熟，雌蕊先熟，而且花朵颜色不鲜艳，缺乏香味和花蜜，前来授粉的昆虫种群数量较少，导致番荔枝坐果差1-2；由于受精胚珠的数量少和位置不均匀，最后结出的果实小而不对称。番荔枝花粉粒成团且具有黏性，风传粉也存在困难3。因此，授粉技术便成为番荔枝商业化生产的关键技术之一。在番荔枝生产中，要实现其品质优、产量高，就需要较高的授粉成功率和坐果率，有效授粉和坐果率的高低依赖于花粉的活力4，到达柱头的花粉数量5和授粉方法等6。本文综述了国内外番荔枝果树花粉和授粉技术研究进展，及所取得的成就，展望了番荔枝授粉技术的发展方向。1 番荔枝花器官的特性番荔枝具有典型的完全花，上位子房下位花；单体雄蕊，离生单雌蕊；全着药型花药，散粉方式为纵裂；短花丝，湿柱头，短花柱7-9。不同番荔枝品种间的花瓣大小、花瓣厚度、花药形态、花期均存在差异；番荔枝单朵花完全开放需7d左右，花瓣经过开始裂缝(雌蕊成熟，柱头具容受性)、半张开(柱头仍有容受性)、完全张开(散粉但柱头失去容受性)3个阶段10，而半开期是其授粉的最佳时期。田间番荔枝的开花过程主要包括6个阶段：第1朵花准备开放，花瓣之间开始出现裂缝，处于雌蕊成熟前期；花瓣呈半开状态，雌蕊已经成熟，柱头具有容受性；约30%的花朵处于半张开状态，即雌蕊成熟期；花瓣完全张开，至少50%的花朵处于完全张开状态，即雄蕊成熟期，柱头容受性已丧失；花瓣出现萎蔫，即末花期11。收稿日期：2023-03-27基金项目：楚雄州“兴楚产业技术领军人才”培养项目；云南省科技厅乡村振兴科技专项计划项目“科技特派员”。作者简介：孟富宣（1989），女，助理研究员，主要从事果树分子生物学及生理生化研究。*通信作者：刘海刚。6 期孟富宣等：番荔枝花粉特性及其授粉技术研究进展63番荔枝花的花蕾内，雌蕊群聚组成一圆锥体，雄蕊众多，层叠环绕于锥体下方，排列整齐而紧密。番荔枝花花朵越大，圆锥体就越大，雄蕊数也就越多，不同品种的花朵的雄蕊数为2001000枚。番荔枝的花药含4个药室，花药壁发育为基本型，腺质绒毡层。小孢子母细胞减数分裂时胞质分裂为连续型，形成左右对称形的小孢子四分体。成熟花粉粒多以四合花粉形式存在。子房多室，每室具有1枚倒生胚珠。边缘胎座，双珠被，厚珠心。大孢子四分体以直线形为主，胚囊发育为寥型。花粉为辐射对称型，外壁具穴状纹孔，无萌发孔，赤道面观见12条沟，而极面观察则为4条。赤道面观近椭圆形，极面观圆形或椭圆形，表面光滑或具有小颗粒。番荔枝雌雄蕊异熟，同一朵花的雌雄蕊之间不能实现传粉受精，自然结果率很低，自花授粉和异花授粉后，1224h内花粉管便可进入胚囊完成双受精，坐果率均较高。而在实际生产中，大多采用人工授粉来提高结果率12。果实的形状和大小取决于受精卵的数量及位置，而有效的授粉和坐果在很大程度上依赖于花粉的活性4和到达柱头花粉的质量5以及花粉管达到的位置13等。2 番荔枝花粉与柱头的接受性2.1 影响花粉萌发的因素番荔枝花粉萌发和花粉管生长受诸多外部因素和内部因素14的影响。研究发现，花粉采集时间、开花季节、地域差异、品种差异均能使得番荔枝花粉的体外萌发率不同。新采集的花粉粒的体外发芽率为19%37%15-16。早上6：00采集的花粉发芽率最高，随着时间的推移，花粉发芽率呈下降趋势，下午14：00采集的花粉不萌发，这可能是花粉干燥后丧失活力所导致的。Balanagar番荔枝(Annona squamosaL.cv.Balanagar)和秘鲁(毛叶)番荔枝(Annona cherimola Miller)的花粉寿命均较短暂，裂开后无法长时间存活。上午7:0012:00之间采集的花粉粒的平均发芽率为50.2%17。在M(5%蔗糖+100mg/kg硼酸)培养基中，早上8：00采集的花粉的花粉管伸长值较高(69.73pm,18)，而在早上6：00(41.83pm,32.5)和中午12：00(18.32pm,32.5)的花粉管伸长值较小。上午8：00采集的花粉的花粉管伸长最大，可能是由于当时的温度有利于绒毡层发挥其正常功能，因而花粉离体的萌发和花粉管的生长最好，有助于提高番荔枝的坐果率。雨季和旱季收集的番荔枝花粉的发芽率分别为25.0%和37.6%15，有籽番荔枝和无籽番荔枝的花粉活力分别为38.5%和52.5%4。非洲骄傲(Annona atemoyaHort.etWest.cv.Africanpride)和凤梨释迦(Annona cherimola Mill.A.squamosaL.)自交和杂交后花粉在柱头上均能萌发，但这2个品种间的萌发速度存在差异，授粉后1h，花粉管均开始萌发，但数量有差异，凤梨释迦自交和杂交已经大量萌发，而非洲骄傲自交和杂交的则在14h后才大量萌发，授粉24h后花粉管均进入子房，凤梨释迦授粉后花粉管48h后到达胚囊17。研究还发现，凤梨释迦的离体花粉萌发率较低，在巴西凤梨释迦花粉的体外萌发率为5.9%19.7%4,15。番荔枝花粉粒的萌发率主要取决于环境温度、湿度、花粉含水量、花粉成熟度、贮藏温度、持续时间及其各因素之间的相互作用19。番荔枝花粉的最佳体外萌发温度为2025，在2030的范围内，番荔枝属植物的花粉萌发率较高(35%47%)；在30以上或15以下的条件下，花粉的萌发率显著降低16。关于番荔枝花粉贮藏在秘鲁番荔枝20-21、普通番荔枝(Annona squamosaL.)和凤梨释迦15等品种中也有研究，发现在花季开始时收集并在适当条件下储存的花粉可用于整个花期内的授粉21。Balanagar番荔枝的花粉用无水硅胶脱水，然后在-196下贮藏，开始贮藏时的发芽率为51.5%，2个月后的花粉能在体外萌发，但随着贮藏期的延长，其萌发率和花粉管伸长的长度将会降低。在持续90d后，离体花粉的萌发率急剧下降。显微镜检查显示，花粉在低温下储存后会发生变形或皱缩(形态损伤)，进而导致花粉体外萌发不良22。红释迦(Annona spinescens)雄花期和雌花期傍晚采集的花粉的最高离体萌发率分别为26.5%和23.0%，均低于LessardThai番荔枝(Annona squamosaLessardThai)，LessardThai番荔枝和凤梨释迦的花粉能分别储存24、48h，凤梨释迦雌花期傍晚收集的花粉贮藏72h后不萌发12。因此，种植番荔枝必须从种植区的气候环境条件出发，选择适宜的品种，研究其雌蕊、雄蕊的成熟特性，以确定花粉的最佳采集和授粉时间。2.2 花粉活力番荔枝科是真核生物比较古老的一个科，该科花粉的发育和形成具有高度的多样性，花粉形态多样，从单体到多体不等，花粉结合机制也不同23。江 西 农 业 学 报35 卷64凤梨释迦在花药开裂时同时存在二合体和三合体花粉，2种花粉的比例受温度、水分等环境条件的影响。在不断变化的环境条件下，2种花粉可以为物种提供一种适应性优势，保持花粉进入胚珠的时间变化，以确保一些花粉管在适当的发育时间到达卵细胞24。2种类型的花粉均能萌发，三合体花粉寿命较短，但可以快速萌发；二合体花粉花粉管的生长是双向的，初始阶段的自养生长缓慢，异养生长阶段的花粉管会产生胼胝质栓；然而，三合体花粉从萌发开始就依赖于外源营养物质。三合体花粉的传播方式通常是风和水，温度稍微升高，花粉则快速萌发，这会加速雌性发育和整个生殖过程25。二合体和三合体之间的平衡关系能为具有雌雄同体的切里莫拉等物种提供适应性优势。一方面，二合体花粉可以存活到第2天，然后在雌性阶段通过传粉昆虫转移到花朵上26；另一方面，当柱头在短时间内仍能接受时，三合体花粉可以在花药开裂时快速萌发。因此，2种花粉同时存在可增加受精的机会27。但如何在某些促进花粉快速萌发的环境条件下，选择有利于固定产生三合体花粉的性状还有待进一步研究。花粉活力的变化可能会干扰受精，进而影响果实的产量。花粉活力的降低可能是受生殖器官发育过程中环境条件的直接影响，如温度、水分胁迫和营养养分的可用性28。尽管不同物种对这些因素的耐受范围差异很大，但生殖组织生长发育期间温度的轻微升高则可能会加速或延迟开花29，从而影响雄性和雌性生殖系统发育的同步性，并导致配子体产生缺陷30。尤其是高温可能会影响花粉粒的形态、化学成分和代谢31以及花粉生产力和性能15，进而影响种子的生长和结果12。开花前，温度可能会改变花粉活力，并影响成熟过程中淀粉的积累和能量的储备，而花粉通常是自养萌发的32。Lora等33观察到番荔枝的淀粉分解和花粉萌发受开花前温度的影响，当花朵在25或15下储存2d时，花粉中的淀粉在开花前迅速流失。碳水化合物积累的变化可能会导致能量物质的可用性和碳水化合物的渗透力降低34。干旱地区的气候季节性影响了番荔枝花粉粒的发育。旱季，在花粉粒的发育过程中，检测到花粉粒的营养成分减少，相比之下，雨季更有利于花粉粒的发育，花粉活力和花粉管长度均较好。通过人工授粉，旱季和雨季的番荔枝平均坐果率均超过了70%，但雨季授粉的果实种子数量更多、鲜果重量更大、果肉和种子质量更高35。根据区域气候条件，在实际生产中，通常采用修剪整形、水肥管理等田间技术调整番荔枝的花期来避开授粉、受精的不利因素，以获得更高的坐果率。2.3 柱头的接受性花粉发育并不是唯一敏感的过程，高温也可以同时影响花粉和柱头的发育。番荔枝的柱头是一种湿柱头，柱头可接受性的时间长短受环境因素的影响，高温缩短，高湿则延长。番荔枝的生殖周期为2d，在花周期的第1天柱头是可接受的，第2天则急剧下降。在花周期的第1天和第2天早上，人工授粉后，坐果良好。第2天下午授粉，坐果率急剧下降。此时，在花的雌性阶段，柱头分泌量减少，柱头开始干燥。在这个接受期，白天温度或湿度的变化对坐果率没有显著的影响，但会影响雌性期最后几个小时柱头接受性的持续时间。一方面，较高的相对湿度可以延长柱头的接受性，使柱头分泌功能在转雄性期后还能保持数小时，从而促进同一朵花的自花授粉；另一方面，较高的温度推迟了雌花在花期第1天的开放时间，也增加了花期第2天柱头干燥的速度，然后才转变为雄花期，缩短了柱头的接受期36。在田间自然条件下，虽然雨季的平均温度较高，但相对湿度也高于旱季，而低湿度会影响番荔枝柱头的接受性，从而导致受精胚珠数量减少，因此种子的数量和产量降低。当相对湿度从95%降低到72%时，番荔枝柱头的接受性下降，当柱头表面没有分泌物时，柱头的接受性显著降低，直至丧失27,29。番荔枝在授粉过程中，根据花的开放时间，收集优质花粉，并在柱头最佳接受期内及时授粉，以获得更高的授粉成功率。3 番荔枝授粉技术研究的现状3.1 花粉的数量和来源花粉的数量和来源都是限制番荔枝产量的潜在因素。花粉数量限制了果实的产量，到达可接受柱头表面的花粉粒数量决定了可以受精产生种子的胚珠数量，授粉不充分会导致花果比降低。花粉质量会影响最终的果实产量，但花粉的活力、与母体植物的亲和性因其来源而异。花粉数量和质量也可能相互影响，并决定着果实的最终质量。果实形状与花内正在发育的种子数量和位置分布有关。每一个核果都源于一个成功授粉的雌蕊。成功授粉的单个雌蕊的数量和位置决定了发育中种子6 期孟富宣等：番荔枝花粉特性及其授粉技术研究进展65位置和果实的外形，并最终决定了聚合果实的对称性。自主授粉的果实比较小、成熟数量少，含有的种子数也很少。番荔枝的花药数量仅有300400粒，远低于苹果和梨37，是目前已知花药数量最少的热带果树，但由于花粉数量多，因而花朵的花粉数量并不比这些果树的少。番荔枝果实质量和对称性受成熟情况和种子数量的影响。不同花粉源人工授粉处理后果实质量和对称性存在差异。在HillaryWhite番荔枝(Annona squamosaA.cherimola)cv.Hillary White 果园中，它的自然授粉率低，结果少且果形差，用HillaryWhite或非洲骄傲的花粉进行人工授粉，均能显著提高果树的总产量和果实品质。然而，花粉来源于非洲骄傲的果实明显比HillaryWhite的总种子数更多、更大、更对称38。种子数量的差异可能是由于合子前或合子后的败育，导致发育果实中受精胚珠总数减少。当使用跨品种花粉人工授粉，而不是自花花粉时，果实质量更高。因此，对于番荔枝果实品质和对称性而言，为确保每朵花中授粉成功的胚珠数最多，应该提供大量高质量的花粉。花粉的来源会影响番荔枝的坐果率，即使采用人工授粉来改善坐果不良，提高坐果率和单株果实产量，也需要选择优质、有效的花粉源才能生产更多优质的果实39。番荔枝品种Bays(A.cherimolaMill.cv.Bays)、Reretai(A.cherimolaMill.cv.Reretai)、Pain(A.cherimolaMill.cv.Pain)和White(A.cherimolaMill.cv.White)采用自花花粉进行人工授粉，坐果率为84%96%，而采用4个品种的混合花粉授粉坐果率为38%69%40；用非洲骄傲花粉在凤梨释迦上授粉，坐果率为80.5%39。ArkaSahan(A.cherimolaA.squamosa)A.squamosa 番荔枝花授以普通番荔枝的花粉的坐果率大于91%，果实单果重大于600g；授以牛心番荔枝(Annona reticulataL.)的花粉和自花花粉的坐果率中等，为31%86%；采用凤梨释迦和秘鲁番荔枝花粉的结实率为4%13%，而自然结实率只有2%41。因此，父本和母本均能影响番荔枝的坐果率。番荔枝因其花粉直感效应，结实、形态和质量与选择的花粉亲本有关42。番荔枝自花授粉结实较少，形状和大小不一，而大多数可食用的番荔枝属能相互授粉结实，一些特定的组合表现良好，F0代具有果实大、果形佳、品质优等特点43。测定Balady(Annona squamosaL.cv.Balady)、AbdElRazik(Annona squamosaL.cv.ElRazik)和Finny(Annona squamosa L.cv.Finny)3个品种花粉的育性，发现Balady的可育花粉比例最高。以Balady作为花粉源，能增加AbdElRazik和Finny品种的结实率和种子数量，果实品质也有所提升44。3.2 授粉技术3.2.1 自然授粉 自然授粉是借助风、虫、水、鸟等外界条件而使物种授粉结实。但由于番荔枝的品种特性，自然授粉结实率低，外观品质不均匀。经过长期的科学研究，人们也发现一些特殊品种，其自然坐果率相对较高，比如在澳大利亚热带地区，粉红巨物(Annona squamosaA.cherimola)的芽变种KJPinks(Annona squamosaA.cherimola)cv.KJ Pinks，其自然坐果率超过40%，而粉红巨物和另一个芽变种HillaryWhite的平均坐果率都不到3%45。另外，通过对环境条件的调节也可促进番荔枝的自花授粉。番荔枝花粉含有二合体、三合体和四合体，而温度会影响二合体(长生活力)和三合体(短生活力)花粉的比率，环境温度的变化会影响2种花粉的比例，同时可能会影响番荔枝花周期的同步性和柱头的可接受性。高温会加重番荔枝花的雌雄异熟性，缩短柱头接受期，此时三合体花粉的存活率更高46；反之，低温可延长柱头的可接受性和增加二合体花粉的释放，从而促进自花授粉。3.2.2 人工授粉 番荔枝雌雄同体异熟阻碍了自花授粉42；而且花朵颜色不鲜艳，缺乏香味和花蜜，限制了昆虫传粉1-2，由于花粉粒成团且具有黏性，因此风传粉也存在困难3。番荔枝还含有大量不可存活的低活力花粉，是坐果不良的原因之一16。有研究显示，番荔枝通常含有大量的二分体和四分体花粉，使得花粉粒总体活力下降，其中四分体比例较高则会导致番荔枝结实不良，因为四分体不能在番荔枝的柱头表面发芽47。而且番荔枝授粉受精不足会导致心皮发育不均、坐果率低、畸形果实。因此，番荔枝需进行人工授粉以确保授粉成功率和良好的果实形状。人工授粉可以通过以下2种方式进行：一是早上从完全开放的花朵(雄性阶段)采集花粉，然后立即人工授粉；二是雌性阶段晚上采完全开放的花朵，然后放在纸袋中，置于室温下，第2天早上用浅托盘或纸摇晃花朵，收集花粉，再转移到小容器中，使用小刷子或手动吹风机进行人工授粉。花粉可以保存在冰箱江 西 农 业 学 报35 卷66中以备第2天早上使用48。番荔枝人工授粉成功率和产量取决于花粉量5、花粉活力4以及人工授粉的方法和时间。因此，要求生产者必须确定所种植品种的最佳授粉时间和花粉贮藏期，以优化坐果率和品质。对于红番荔枝和LessardThai番荔枝而言，人工授粉的最佳条件是使用从雄花期采集的新鲜花粉，然后立即进行人工授粉，或者使用从傍晚采集的雌花期花粉，并在18h内进行人工授粉。凤梨释迦的最佳授粉程序是傍晚从雌花期采集花粉，并在18h内使用授粉，获得的凤梨释迦的果实质量较高。当使用的花粉在冰箱中储存24和48h时，果实质量显著降低。在不加温的温室中生长的HillaryWhite和凤梨释迦，6月中旬进行人工授粉，其果实较大，含糖量比6月上旬和下旬高。可见人工授粉的最佳时间是初花后2周左右的6月中旬。使用冰箱中储存24和48h的花粉给凤梨释迦进行人工授粉时，其果实结实率较高，但果实品质显著降低。因此，凤梨释迦的最佳过程是使用傍晚从雌花上采集的花粉，并在18h内授粉12。坐果不良和结果不稳定是限制番荔枝产业发展的主要因素，现阶段番荔枝要获得丰产、稳产，必须采取人工授粉。3.2.3 昆虫授粉 番荔枝的授粉昆虫主要是甲虫，但访问花朵的甲虫数量少则会导致自然授粉率低。若将甲虫聚集在花朵周围或用信息素引诱更多甲虫到果园以增加传粉媒介丰度，可提高授粉率49。虽然人工授粉是增加番荔枝坐果率最有效的方法39，但这需要投入大量的人力且成本高。因此，研究者使用通用蛾类诱捕器和各种食物引诱剂配合使用，引诱甲虫前来授粉。2种诱饵对甲虫的引诱有协同效应，再添加食物引诱剂能增加被诱捕甲虫的数量，食物引诱剂是诱捕甲虫的关键因素；使用甲虫诱饵和食物引诱剂能吸引各种潜在的传粉者来到番荔枝果园，也增加了番荔枝的坐果率。而甲虫的花粉传递系统不完善，它们携带和传递花粉的能力很差6。因此，甲虫的授粉效率较低，无法满足商业生产的需求。4 番荔枝授粉技术存在的问题大多数被子植物在花药开裂时以单体形式释放花粉50，由于环境温度和湿度的变化影响了番荔枝花粉的聚合形式，可以聚合为二合体、三合体、四合体或多聚体，但单体和四合体花粉粒在番荔枝属中最常见51。番荔枝雌雄异熟，雌蕊先熟，当雄蕊成熟花药裂开时，柱头的接受性便显著降低。离体花粉不耐贮藏，在4下第4天几乎完全失去活力，这也可能与大部分花粉粒以四合体的形式存在有关。几种花粉的活力和萌发特性不一样，花粉源也影响番荔枝的坐果率。此外，即使采用人工授粉的方法进行授粉，凤梨释迦也因授粉不均而导致大量的畸形果存在。有关番荔枝授粉器授粉和液体授粉的研究很少，效果也不稳定，番荔枝花粉悬浮液的储运浓缩技术研究还尚未开展。5 番荔枝授粉技术的展望番荔枝花小，花粉量偏少，采集困难，人工授粉需要投入大量的劳动力。液体授粉技术不仅授粉速度快，节约花粉，节省人工，还能够增加柱头的养分，延长授粉受精时间52。研发番荔枝授粉器、开展液体授粉技术和花粉悬浮液的储运浓缩技术就显得非常迫切。现阶段乃至今后的种植业均以绿色生态、可持续发展为导向，消费者对优质安全精品农产品消费需求也不断增加，虫媒授粉在农业生产中的重要性越发突出。虫媒授粉能够有效减少人工授粉所带来的授粉不均、畸果率大、果品口感不佳等问题，因此可继续研究寻找番荔枝授粉昆虫，并加大新品种选育力度。参考文献：1 高爱平,陈业渊,李建国,等.番荔枝属果树栽培研究进展 J.热带作物学报,2003,24(2)：91-97.2 刘世彪,杨敬华,谢江辉.番荔枝品种选育和栽培生理研究进展 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