不同种类蜜蜂对设施栽培百香果的授粉效果评价

胡 泊,庞春秀,王小媚,周大维,黄学华,蔡昭艳,邓 彪,檀业维,洪日新,陆宇明,周桂华

(1.广西农业科学院园艺研究所,南宁 530007;2.广西农业科学院亚热带作物研究所,南宁 530010;3.广西壮族自治区养蜂指导站,南宁 530022;4.广西农业科学院,南宁 530007;5.广西东方缘农业技术有限公司,南宁 537000)

【研究意义】百香果(PassifloraeduliaSims)是西番莲科(Passifloraceae)西番莲属(Passiflora)多年生常绿草质藤本植物,原产于澳大利亚及南美洲的巴西,在我国广西、福建、广东、海南、云南、贵州及台湾等地均有种植[1]。百香果果实多汁、香气浓郁,富含类黄酮、生物碱和SOD等生物活性成分,是一种颇具特色的水果[2-3]。近年来,随着百香果加工业及其产品出口对鲜果原料需求量的增加,我国百香果的种植效益明显提升,种植面积稳健增长,2018年达4.45×104hm2[4]。广西作为全国百香果种植第一大主产区,2019年种植面积达3.03×104hm2,产量3.128×105t[5]。已有研究表明,百香果是典型的异花虫媒植物,普遍存在自交不亲和现象,包括同株自交不亲和及异株授粉不亲和[6],通常依赖于昆虫授粉才能正常结果,极大影响百香果的授粉效果和产量。广西农业科学院园艺研究所联合多家单位育成的优良紫红种百香果新品种“金都百香3号”,其自交亲和性虽较好,但百香果独特的花器构型仍然是其自然授粉的外在障碍,在生产中仍然需要依靠蜜蜂等虫媒完成授粉或实施人工辅助授粉,才能提高其坐果率[7]。因此,解决百香果授粉问题仍然是当前发展优质高产高效百香果产业面临的重大课题,探究在晴天和降雨条件下不同种类蜜蜂对设施百香果的授粉效果,对完善规模化设施百香果蜜蜂授粉技术、促进百香果产业的健康发展具有重要意义。【前人研究进展】在昆虫授粉研究中,意大利蜜蜂(Apismelliferaligustica)(意蜂)和中华蜜蜂(Apiscerenacerana)(中蜂)已成为我国主要的授粉蜂种,并成功应用于西瓜、猕猴桃、荔枝、樱桃和温室草莓等作物[8-12]。地熊蜂(Bombusterrestris)是从欧洲引进的熊蜂(Bombusspp.),个体大,浑身绒毛,访花速度快,对花粉采集力强,授粉效率高,在我国也较早实现了人工驯养,并广泛应用于设施番茄、蓝莓和樱桃等农作物的商业化授粉[13-17]。百香果的花器构型奇特,花刚开放时雌雄蕊直立紧靠且存在高度差,随后雄蕊立即下垂,花药翻转背对雌蕊,最终雌蕊3个花柱的柱头与花药几乎错落地处于同一水平面,出现雌雄蕊位置交错现象,较难进行自然授粉,需借助虫媒或人工辅助授粉以提高坐果率和果实可食率[18-19]。传统人工授粉工作量大、成本高,易造成植株损伤或病毒感染[20],以蜜蜂为传粉媒介授粉已成为百香果实现辅助授粉的主要途径。然而在实际生产中,农业集约化、规模化种植不断扩大,百香果花期病虫害发生严重,露天种植常采用化学药物来防治病虫害,而药物的使用不利于蜜蜂活动和生存[21-22]。作物在开花时段遭遇降雨会影响花粉质量,导致无法完成授粉受精,严重影响作物的坐果率,而坐果率是决定作物产量的关键因素[23-24]。降雨会导致百香果坐果率下降,连续小雨或雷阵雨天气对百香果坐果率的降幅比小雨更大[25]。已有研究证实,中蜂授粉对提高设施百香果“台农一号”坐果率的效果比意蜂好,且比意蜂更适应降雨天气[18]。韩文素等[26]调查发现,大蜜蜂对百香果传粉效果优于中蜂,金翅木蜂传粉效果优于大蜜蜂,是最有效的传粉昆虫,但其种群数量非常少。此外,中蜂是否为百香果的有效传粉昆虫,目前仍存在很大争议。【本研究切入点】采用设施网室栽培百香果可减少或避免使用农药,保护授粉蜜蜂并实现百香果绿色安全生产。但百香果蜜蜂授粉受不同天气影响较明显,而目前利用蜜蜂对设施百香果进行授粉的研究相对较少,不同天气条件下不同蜂种授粉对设施百香果授粉效果、产量和品质影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以意蜂、中蜂和熊蜂为授粉蜂种,以“金都百香3号”百香果为试验材料,以人工授粉为对照,评价3种蜜蜂在晴天和降雨条件下授粉的百香果坐果率、单果种子数及其果实品质,筛选对天气适应性更强、授粉效果更好的授粉蜂种,为完善规模化设施百香果蜜蜂授粉技术及促进百香果产业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年3月至2022年4月在广西南宁市武鸣区里建四联农场百香果基地进行。基地连片面积7.33 hm2,单幢大棚约0.33 hm2。供试百香果品种为“金都百香3号”,由广西农业科学院园艺研究所联合多家单位育成,经前期试验其自然授粉率为0。种苗于2021年3月定植,株行距2.0 m×2.5 m,设施大棚采用64目网罩。意蜂和中蜂购自本地专业养蜂户,每箱意蜂和中蜂均为3脾,熊蜂购自中国农业科学院蜜蜂研究所,每箱约60头。

主要仪器设备:全天摄像机(威信)、延时摄影机(威信)、温湿度计(AZ88160)、数显游标卡尺、电子天平和手持数量折光仪(MASTER-α,日本)等。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 选取4个种植条件一致的设施大棚作为4个试验区(4个处理),在试验开始前,随机选取其中3个试验区分别放入3种不同蜂群,分别记为意蜂授粉(MP)区、中蜂授粉(CP)区和熊蜂授粉(BP)区,另外1个试验区作为对照,记为人工授粉(AP)区,每个蜜蜂授粉区各放置2箱蜂。意蜂和中蜂的蜂箱放置在两面相对的网罩处,在紧贴网罩的蜂箱面往网罩外开一个巢门,朝向设施内的蜂箱巢门在百香果开花前进行关闭;熊蜂的蜂箱放置在网棚内离地40 cm处,巢门向南,不往网罩外开巢门。在各授粉区内安装自动记录温湿度计用于监测温湿度。

1.2.2 百香果开花行为观察及授粉试验 4个试验区分别安装摄像机监测系统,观察百香果开花行为。于2021年10月12—17日连续6 d进行授粉,每天8:00随机选取当天成熟开放花苞的花朵进行标记,用摄像头进行一对一录像,每个试验区记录3朵花的开花过程,重复3次,共获得随机9朵花的开花影像记录。观测开花行为及花器官的变化时间,记录内容包括单花的始花时间、开花时长、雄蕊的花药翻转时长和雌蕊的柱头下垂时长。

在授粉日期,分别放入不同蜂群,相应形成中蜂、意蜂和熊蜂授粉试验区,每天随机选取50朵将在当天开放的花朵,挂标签标记作为1个处理,中蜂、意蜂、熊蜂和人工授粉每处理6 d共标记300朵花。人工授粉由基地工人按日常技术操作规程进行,即早上开花前在人工授粉区随机取50个当天成熟尚未开放的花朵挂牌、套袋,当天14:00左右开袋进行人工授粉,授粉后套回网袋。

1.2.3 测定指标及方法 坐果率测定:于授粉日期内每天8:00分别在意蜂、中蜂和熊蜂授粉区中随机选取50朵当日开放的成熟花蕾使用标签进行标记,并根据所观察到花朵器官变化时间控制蜂箱在设施内巢门打开的时间;在当天17:30开始观察标记花朵柱头上花粉的附着情况,将肉眼观察到柱头上附着花粉的单花视为已授粉花。于授粉后的第5～10天(即10月17、18、19、20、21和22日),分别观测各授粉日期授粉花朵子房的变化情况,以子房处于膨大状态视为坐果,统计不同授粉区不同授粉日授粉花朵的坐果率。

果实外在品质测定:于2022年3月9日(百香果成熟日期),同时收获4个授粉区的试验果实,每个处理抽取10个果实,用数显游标卡尺测定横径和纵径,计算果形指数;用电子天平称取总重,计算单果重;剖开果实分离出果皮和可食部分,称取果皮重,计算可食率;计数单果种子数,作为花粉受精发育有效性指标。

果实内在品质测定:采用手持数显折光仪测定可溶性固形物含量;采用2,6-二氯靛酚滴定法测定维生素C(Vc)含量[27];全糖含量参照GB 5009.7—2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》的方法测定还原糖含量,换算单位后计算全糖含量;可滴定酸含量参照GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》的氢氧化钠滴定法进行测定。

1.3 统计分析

采用R 4.20和GraphPad Prism 8.02进行数据分析和制图。

2 结果与分析

2.1 晴天和降雨条件对百香果开花行为的影响

从图1可看出,各授粉区晴天的平均温度均为25 ℃左右,出现降雨时,平均温度均下降到约20 ℃;在降雨天气下,各授粉区的相对湿度均比晴天高25.0%～ 45.0%。

由表1可知,百香果开花开始时间、花药翻转开始时间及柱头下垂耗时受天气影响均较明显。其中,晴天开花开始时间在12:11—12:27,开花较集中整齐;雨天开花开始时间在12:45—13:04,较晴天延迟34.00～37.00 min(平均延迟约36.00 min),整齐度较晴天略低;开花平均耗时在晴天为9.66～11.67 min,在雨天为9.33～14.00 min,差异不显著(P>0.05,下同);雨量增大时,花药开始翻转时间明显晚于晴天和小雨天;10月14日的花药全部翻转朝下耗时为55.67 min,显著长于其他日期的耗时(P<0.05,下同),其他授粉日期的花药翻转耗时无显著差异;柱头完全下垂耗时(94.33～142.33 min)在不同天气条件下也存在差异,其中10月14日的柱头完全下垂耗时平均为142.33 min,极显著长于其他5 d柱头完全下垂耗时(P<0.01,下同)。

图1 授粉日期内授粉区的温度和湿度变化情况

本研究观察到百香果花朵盛开后3个柱头均呈分离状态,并逐渐下垂。由表1可知,在全部6个授粉日,柱头下垂开始时间与开花完成时间均衔接一致;柱头下垂平均耗时在晴天为94.33～110.33 min,快慢相差16.00 min,比较整齐,而柱头下垂平均耗时在雨天为115.00～142.33 min,快慢相差27.33 min,比较分散,且比晴天平均耗时增加20.67～32.00 min;花药开始翻转时间约在花朵盛开后(也是花柱开始下垂后)约20.00 min,比柱头下垂迟但耗时短,花药翻转过程平均耗时14.67～55.67 min。因此,从开花完成的时间点算起,花药完成翻转时间为在花朵盛开34.67 min后,即20.00 min + 14.67 min,或最迟在开花75.67 min后,即20.00 min+55.67 min,花药完成翻转时间早于柱头完成下垂时间59.66 min(94.33 min-34.67 min)～34.66 min(110.33 min-75.67 min)。

表1 不同天气条件下百香果开花及柱头与雄蕊的变化时间

图2 未黏花粉柱头和黏花粉柱头的雌蕊形态对比

未黏附花粉的百香果雌蕊柱头如图2-A所示,黏附花粉的百香果雌蕊柱头如图2-B所示。蜜蜂授粉后通过肉眼观察虽可见花粉散落在柱头上,但不能准确统计授粉率。

2.2 晴天和降雨条件下4种授粉方式对百香果单果种子数的影响

由表2可知,在晴天,意蜂授粉处理的平均单果种子数为193.91粒,分别比中蜂和人工授粉处理多16.24和8.97粒,分别提高9.1%和4.9%,但差异不显著,比熊蜂授粉处理多19.74粒,极显著提高11.3%;在降雨天,意蜂授粉处理的平均单果种子数为181.93粒,比中蜂授粉处理多27.35粒,极显著提高17.7%,比人工授粉多1.32粒(提高0.7%),差异不显著,而熊蜂在降雨天的3个授粉日不出巢或极少出巢,单果平均种子数为0粒。可见,意蜂比中蜂更适应在降雨天授粉,熊蜂不适应在降雨天授粉。

2.3 晴天和降雨条件下4种授粉方式对百香果坐果率的影响

由表3可知,在晴天授粉与在雨天授粉,4种授粉方式的平均坐果率存在明显差异,表现为雨天较低,晴天较高。其中,在晴天,意蜂、中蜂和人工授粉处理的平均坐果率均在99.0%以上,相互间无显著差异;熊蜂授粉处理的平均坐果率仅65.33%,极显著低于意蜂、中蜂和人工授粉处理;在雨天,意蜂授粉处理的平均坐果率为93.33%,分别比中蜂和熊蜂授粉处理高29.63%和154.60%,且差异极显著,但与人工授粉处理无显著差异。可见,意蜂对晴天和降雨天气的适应性均较强。

表2 晴天和降雨条件下蜜蜂和人工授粉百香果的单果种子数

表3 晴天和降雨条件下蜜蜂和人工授粉对百香果坐果率的影响

2.4 晴天和降雨条件下4种授粉方式对百香果果实品质的影响

2.4.1 对外在品质的影响 从图3可看出,在晴天和雨天,意蜂授粉处理的平均单果重均高于其他授粉处理,且除10月14和17日外,其余4个授粉日的平均单果重均显著或极显著高于中蜂、熊蜂和人工授粉处理;4种授粉方式对百香果平均果形指数和平均可食率的影响均不显著。

由表4可知,在晴天和雨天,意蜂授粉处理的平均单果重分别为107.71和104.78 g,人工授粉处理的单果重分别为83.23和85.09 g,中蜂授粉处理的单果重分别为85.12和78.88 g,其中,在晴天,意蜂授粉处理的平均单果重分别较人工和中蜂授粉处理增加24.48和22.59 g(分别极显著提高29.4%和26.5%);在雨天,意蜂授粉处理的平均单果重分别比人工和中蜂授粉处理增加19.69和25.90 g(分别极显著提高23.1%和32.8%);在晴天,中蜂授粉处理的平均单果重比人工授粉处理增加1.89 g(提高2.3%),差异不显著;在雨天,中蜂授粉处理的平均单果重比人工授粉处理减少6.21 g(降低7.3%),差异不显著;在晴天,熊蜂授粉处理的平均单果重为83.03 g,与晴天人工授粉和中蜂授粉处理均无显著差异,但较晴天意蜂授粉处理减少24.68 g(极显著降低29.7%);在雨天,熊蜂不出巢授粉。

同一授粉日期图柱上*表示差异显著,**表示差异极显著,下同。

表4 晴天和降雨条件下不同授粉处理百香果的单果重、果形指数和可食率比较

图4 不同授粉日不同授粉处理百香果果实的Vc、可溶性固形物、总糖和总酸含量比较

2.4.2 对内在品质的影响 从图4可看出,4个授粉处理设施百香果果实间的平均Vc、可溶性固形物、总糖和总酸含量均存在一定差异。其中,人工授粉处理除在10月14日的中雨天气条件外,在其他授粉日天气条件下其果实的平均Vc含量均极显著高于其他授粉处理。由表5可知,在晴天,人工授粉处理的平均Vc含量达15.76 mg/100 mL,分别极显著高于意蜂授粉处理和显著高于中蜂授粉处理;在雨天,人工授粉处理的平均Vc含量为14.38 mg/100 mL,分别显著高于意蜂授粉处理和显著高于中蜂授粉处理,说明蜜蜂授粉对提高百香果果实Vc含量没有优势。

表5 晴天和降雨条件下不同授粉处理百香果果实的Vc、总酸、总糖和可溶性固形物含量比较

由表5可知,在晴天和降雨条件下,意蜂授粉处理的果实平均可溶性固形物含量为15.21%和14.87%,均明显高于相应的中蜂和人工授粉处理。从图4可看出,10月15日意蜂授粉处理的果实平均可溶性固形物含量显著高于中蜂授粉处理,极显著高于人工授粉和熊蜂授粉处理;10月16日意蜂授粉处理的果实平均可溶性固形物含量显著高于人工授粉处理;10月17日意蜂授粉处理的果实平均可溶性固形物含量极显著高于熊蜂授粉处理;除10月17日外,各授粉日不同授粉处理果实的平均总糖含量均无显著差异,但意蜂授粉果实的平均总糖含量在全部6个授粉日授粉的果实中均最高,且10月17日意蜂授粉处理的果实平均总糖含量极显著高于人工授粉和熊蜂授粉处理,说明总体上意蜂授粉具有提高百香果总糖含量的趋向和优势;除在10月13日小雨条件下意蜂和中蜂授粉处理果实的平均总酸含量显著高于人工授粉处理外,其他处理均无显著差异,但各授粉日意蜂授粉处理果实的平均总酸含量均低于中蜂授粉处理,有3个授粉日授粉处理果实的平均总酸含量略高于或与人工授粉处理持平。

3 讨 论

本研究在晴天条件下意蜂授粉的平均坐果率在99.00%以上,与中蜂授粉的平均坐果率接近,在降雨条件下意蜂授粉的平均坐果率仍达93.33%,极显著高于中蜂授粉的坐果率,明显高于黄仁才等[18]中蜂和意蜂授粉的百香果坐果率,可能与本研究的设施栽培环境、地域及百香果品种不同有关。因此,在应用蜜蜂进行设施百香果授粉时,需根据百香果品种、种植季节和当地气候等实际情况综合考虑适配性高的蜂种。已有研究认为,熊蜂对高湿环境不适应,雨水较多、湿度较大的天气会使熊蜂出现较高的死亡率[25]。本研究也发现类似现象,在降雨天熊蜂对百香果授粉效果较差,可能是由于降雨所形成的高湿环境对熊蜂产生了不利影响;在晴天授粉日熊蜂授粉的平均坐果率仅为65.33%,极显著低于其他3个授粉处理晴天授粉的平均坐果率,说明熊蜂在晴天授粉其平均坐果率也较低,可能与本研究使用的熊蜂是从北方购进有关,长时间的运输与天气因素调适不充分可能影响了熊蜂对百香果的授粉效率。近年来我国蜂群数量总体上呈上升趋势[28],但使用本土饲养的熊蜂对设施百香果进行授粉其效果是否会更好,有待探究。

已有文献报道,百香果开花期的最适温度为20～25 ℃[29]。本研究中各授粉处理区晴天平均气温通常在25 ℃左右,降雨天平均气温降至20 ℃左右,此时的气温变化不是影响设施百香果授粉率的决定性因素,而降雨不仅影响百香果花朵的花药翻转和柱头下弯时间,还通过影响蜂群的采粉行为影响百香果的有效授粉和坐果率,对果实发育和风味形成产生不利影响。百香果花朵器官构型比较特殊,当3个雌蕊花柱与5枚雄蕊花药接近并几乎处于同一平面时,是人工控制蜂群进行授粉的最佳时机。根据本研究结果推算,在晴天最佳授粉时间点约为一天中的14:00,而在降雨天最佳授粉时间点比晴天延迟约1 h(15:00);在连续雨天的情况下,柱头下垂耗时增加,最佳授粉时间延迟至16:20左右。

本研究在设施大棚内使用双开门蜂箱,通过人工操作对蜂箱巢门进行适时控制,使蜂群在花朵柱头下弯与花药处于同一水平后同步进入授粉活动高峰,结果发现,蜂群授粉活动高峰时段中的1～2 h,天气条件对百香果的授粉效果至关重要。其中,10月16日天气为中雨,但在花朵盛开前由雨转晴,持续超过1 h,此时在柱头下弯接近花药时将蜂箱巢门打开为花朵进行授粉,除熊蜂外,其他蜂群的授粉效果与晴天的授粉效果无明显差异,表明降雨的后效应主要是雨后的高湿效应,对群势较大的意蜂和中蜂访花授粉行为无明显影响,存在授粉天气“窗口”,但雨后的高湿效应可能对熊蜂授粉产生严重影响,是熊蜂授粉效果不佳的主要原因。

通常情况下,果实中的种子数量与子房具有的胚珠数量相对应,胚珠获得相应数量的花粉后形成受精卵发育成为相应数量的种子。可见,检测百香果果实中的种子数量能直接追溯该花朵的有效授粉情况,即一颗种子相对应的是一粒花粉发生了有效授粉。Serrano和Guerra-Sanz[30]对甜椒的研究也得出相似结论。据此,本研究采用单果种子数作为百香果授粉效果的表征,为类似研究提供了简单便捷检测授粉效果的方法。

不管在晴天还是降雨天,意蜂授粉处理对提高百香果单果重的效果均优于另外3个授粉处理,能极显著增加单果重,表明意蜂授粉更有利于百香果果实生长发育。此外,不同授粉处理对百香果主要品质成分含量的影响不同。糖酸比是衡量果实品质的重要指标,果实成熟时糖酸比增高可使果实风味得到改善[31]。本研究中,无论授粉日是晴天还是降雨天,意蜂授粉处理果实的总糖含量均高于其他3个授粉处理,总酸含量低于中蜂授粉处理。由于意蜂授粉果实的可溶性固形物和总糖含量较高,因此意蜂授粉的果实较中蜂授粉果实酸中偏甜,比人工授粉果实酸甜度略高、口感略显厚重。可见,意蜂授粉的百香果果实品质总体表现优于其他授粉方式,品质风味更佳。人工授粉处理百香果果实的Vc含量明显高于3种蜜蜂授粉处理,原因需进一步探究。

4 结 论

在晴天和降雨天进行设施“金都百香3号”百香果授粉,意蜂较中蜂、熊蜂和人工授粉更能提高授粉效率和促进果实生长发育,有利于坐果和提高果实品质,对降雨天气具有更强的适应性,可在规模化设施百香果生产中推广应用。