分 子植物育種 2021 年 第 19 卷 第 19 期 第 6551 6556 頁 Molecular Plant Breeding 2021 Vol 19 No 19 6551 6556 研究報告 Research Report 不同授粉方式對草莓生理和果實品質的影響 苑智華 烏蘭察布職業(yè)學院 烏蘭察布 012000 通信作者 k0588r 摘 要 動物授粉可以提高產(chǎn)量并提高果實品質 但昆蟲授粉對收獲前和收獲后果實生理和品質的影響在 很大程度上是未知的 本研究分析了自花授粉 開放授粉和人工授粉對草莓發(fā)育的生理反應和果實品質的 影響 研究顯示 自花授粉的草莓種子座果率低 31 3 植物激素生長素濃度降低 畸形果實較多 62 1 果實最小且最輕 但開放和人工授粉的草莓大小和重量無顯著差異 開放式和人工授粉的草莓的 IAA 濃度 顯著較高 自花授粉的果實表現(xiàn)出較高的糖 8 1 總可溶性固形物 和較低的可滴定酸濃度 0 7 較高的 pH 值 3 5 較高的糖酸比例 9 7 與開放授粉相比 7 5 和 0 8 人工授粉導致水果糖含量更低 6 8 酸含量更高 0 9 本研究認為 通過昆蟲授粉可改善草莓果實的植物激素表達 提高果實品質 有助于減 少作物損失 關鍵詞 草莓 自花授粉 人工授粉 開放授粉 昆蟲授粉 Effects of Different Pollination Methods on Physiology and Fruit Quality of Strawberry Fragaria ananassa Duch Yuan Zhihua Ulanqab Vocational College Ulanqab 012000 Corresponding author k0588r DOI 10 13271 j mpb 019 006551 Abstract Animal pollination can increase yield and improve fruit quality However the effect of insect pollination on the physiological and quality of fruits before and after harvest is largely unknown This study analyzed the effects of self pollination open pollination and artificial pollination on physiological responses and fruit quality of strawberry development Studies have shown that self pollinated strawberry seeds have a low fruit setting rate of 31 3 reduced phytohormone auxin concentrations more malformed fruits 62 1 and have the smallest and lightest fruits However there was no significant difference in the size and weight of open and artificially pollinated strawberries Open and artificially pollinated strawberries have significantly higher IAA concentrations Self pollinated fruits exhibited higher sugar 8 1 total soluble solids and lower titratable acid concentrations 0 7 higher pH values 3 5 higher sugar acid ratios 9 7 Compared with open pollination 7 5 and 0 8 artificial pollination resulted in a lower fruit sugar content 6 8 and a higher acid content 0 9 This study believes that insect pollination can improve the expression of phytohormones in strawberry fruit improve fruit quality and help reduce crop losses Keywords Strawberry Self pollination Artificial pollination Open pollination Insect pollination 本研究由內蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究項目 NJZY19331 資助 Yuan Z H 2021 Effects of different pollination methods on physiology and fruit quality of strawberry Fragaria ananassa Duch Fenzi Zhiwu Yuzhong Molecular Plant Breeding 19 19 6551 6556 苑智華 2021 不同授粉方式對草莓生理和 果實品質的影響 分子植物育種 19 19 6551 6556 基金項目 引用格式 分 子植物育種 Molecular Plant Breeding 據(jù)報道 全球約 35 的作物通過動物授粉進行 開花結實 Klein et al 2007 世界人口的指數(shù)增長和 全球糧食需求的增加導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化 這帶 來了傳粉媒介的損失風險 Garibaldi and Daily 2011 昆蟲傳粉不足導致種子結實和作物產(chǎn)量降低 這些 產(chǎn)量損失主要來源于未發(fā)育的水果和果實形變 Svensson 2015 只有少數(shù)研究報道授粉效果可改 善作物質量參數(shù) 如授粉可增加甜瓜中的糖和酸含 量 增加油菜中含油量 降低葉綠素含量 改善蘋果 的大小和形狀 Yongetal 2007 Bommarcoetal 2012 Bartomeusetal 2014 Garratt et al 2014 以前草莓 Fragaria ananassa Duch 一直被用作 模型作物 用于測試授粉對作物數(shù)量和質量的影響 Bommarco et al 2012 且草莓在世界各地已被商業(yè) 化種植 Klatt 等 2014 報道 蜜蜂授粉對草莓品質和 存活率的改善貢獻了 14 4 億美元的盈利 這種影響 是由昆蟲授粉對果實的形狀和大小的改善引起的 昆蟲傳粉使草莓花朵的受精得到改善 從而增加了受精 瘦果的數(shù)量 Cherian et al 2014 昆蟲授粉除了大小 和形狀外 還可以增強果實的顏色 質地和酸度 Klatt etal 2014 這些質量方面在果實發(fā)育和成熟過程中會 發(fā)生顯著變化 并被認為是受植物激素的驅動 非躍變型草莓果實的生長和成熟過程主要由生 長素控制 如吲哚乙酸 IAA 赤霉酸 GA 脫落酸 ABA 油菜素內酯和乙烯等 Cherian et al 2014 據(jù) 推測 受精瘦果將 IAA 釋放到花托中 促進果實膨大 Symons et al 2012 當后期果實發(fā)育過程中 IAA 濃 度下降時 果實進入開始成熟過程 然后在果實發(fā)育 和成熟后期加速 ABA 和乙烯的合成 Cherian et al 2014 然而 授粉決定果實發(fā)育 植物激素表達和果 實生長和品質的機制迄今尚未知曉 草莓成熟的特點是紅色 花色甙形成 軟化和可 溶性糖 蔗糖 果糖和葡萄糖 和有機酸 檸檬酸 蘋果 酸和抗壞血酸 的積累 除了芳香化合物之外 糖和 酸之間的比例是影響草莓果實風味的重要質量參 數(shù) 果實的硬度有助于延長保質期和縮短成熟期 并 且主要受到細胞壁成分和含水量和膨化的影響 草 莓果實被列為高度易腐水果因為儲存能力非常有 限 果實的變形程度不同 這被認為是授粉限制的間 接指標 然而 授粉限制保存期限的效果尚未直接在 來自不同授粉處理的果實的儲存試驗中進行測試 因此 本研究分析了果實生長和成熟過程中昆 蟲授粉對植物激素驅動的草莓品質的影響 另外 還 研究了成熟果實的耐儲存性 適銷性和商業(yè)價值 為 了保證授粉成功 進行了 3 種授粉處理 自主自花授 粉 開放授粉和人工授粉 具有基因相同的花粉 將 自主 開放式和人工授粉的成熟果實接種草莓灰霉 菌 Botrytis cinerea 以在標準條件下分析授粉對果 實的直接作用 1 結果與分析 1 1 草莓座果率和畸形率 不同授粉處理之間座果率顯著不同 表 1 由自 花授粉產(chǎn)生的果實與由人工授粉和開放授粉產(chǎn)生的 果實相比 顯示出較低的座果率 與開放式授粉相 比 人工授粉更加高效 座果率高達 43 5 P 0 05 只考慮成熟的水果 人工授粉導致最好的果實形狀 最小畸形率 23 4 自花授粉導致 62 1 的畸形果 實 然后是開放式授粉 畸形率超過 50 從各個發(fā) 育階段的果實目視檢查發(fā)現(xiàn) 畸形在白色發(fā)育階段 是可見的 在紅色發(fā)育階段變得更明顯 而綠色果實 一般形狀正常 圖 1 此外 成熟果實的果實畸形與 座果率負相關 表 1 1 2 果實發(fā)育物理參數(shù) 果實的生長和成熟受到多種因素影響 自花授 粉的果實在所有發(fā)育階段都是最小和最輕的 圖 1 在白色和紅色的發(fā)展階段 尺寸和重量的差異尤其 明顯 但開放和人工授粉的草莓大小和重量無顯著 差異 果實顏色 數(shù)值 綠到紅的顏色強度 不僅受發(fā) 育階段的影響 授粉處理也影響著色 自花授粉產(chǎn)生 顏色最強烈的紅色果實 圖 1 然而 在早期的果實 表 1 不同授粉類型的草莓座果率和畸形率 Table 1 Percentage of fertile fruit and deformity rate in different pollination types of strawberry 授粉類型 Pollination type 自花授粉 Self pollination 開放授粉 Open pollination 人工授粉 Artificial pollination 座果率 Fruit setting rate 31 3 3 2 c 37 6 2 9 b 43 5 3 7 a 畸形率 Deformity rate 62 1 6 3 a 53 5 4 9 b 23 4 4 2 c 注 不同小寫字母表示差異顯著 P 0 05 Note Different lowercase letters indicate significant difference P 0 05 6552 發(fā) 育中 自花授粉導致最低強度的綠色 然而 不同 授粉處理對果實硬度無顯著影響 圖 1 1 3 果實植物激素含量 與自花授粉相比 開放式和人工授粉的草莓的 IAA 濃度顯著較高 成熟果實中 IAA 含量沒有顯著 差異 IAA 濃度在開放和人工授粉的果實發(fā)育過程 中下降 而在自花授粉的果實中其 IAA 濃度始終較 低 成熟 紅色 果實中 ABA 濃度顯著增加 觀察時沒 圖 2 草莓吲哚乙酸 IAA 和脫落酸 ABA 含量 注 S 自花授粉 O 開放授粉 A 人工授粉 G 綠色 R 紅色 W 白色 不同小寫字母表示差異顯著 P 0 05 Figure 2 The content of indoliacetic acid IAA and abscisic acid ABA in strawberry Note S Self pollination O Open pollination A Artificial pollination G Green R Red W White Different lowercase letters indi cate significant difference P 0 05 不同授粉方式對草莓生理和果實品質的影響 Effects of Different Pollination Methods on Physiology and Fruit Quality of Strawberry Fragaria ananassa Duch 有發(fā)現(xiàn)不同授粉方式對 ABA 含量的影響 圖 2 1 4 成熟草莓的風味參數(shù) 授粉處理顯著影響成熟果實的糖和酸濃度 圖 3 自花授粉的果實表現(xiàn)出較高的糖 8 1 總可 溶性固形物 和較低的可滴定酸濃度 0 7 較高的 pH 值 3 5 因此顯著高于糖酸比例 9 7 與開放授 粉相比 7 5 和 0 8 人工授粉導致水果糖含量更 低 6 8 酸含量更高 0 9 圖 1 不同生長階段和授粉方式的草莓物理參數(shù) 注 S 自花授粉 O 開放授粉 A 人工授粉 G 綠色 R 紅色 W 白色 不同小寫字母表示差異顯著 P 0 05 Figure 1 Physical parameters of strawberry in different growth stages and pollination ways Note S Self pollination O Open pollination A Artificial pollination G Green R Red W White Different lowercase letters indi cate significant difference P 0 05 6553 分 子植物育種 Molecular Plant Breeding 2 討論 本研究顯示 開放和人工授粉可提高植物激素 吲哚乙酸的產(chǎn)量 并且提高水果外觀和風味品質 由 于開放授粉的效應可以認為主要是由昆蟲驅動的 Klatt et al 2014 我們認為昆蟲授粉對于植物激素 促進果實產(chǎn)量的提高是至關重要的 值得指出的是 花粉粒在所有接受柱頭上的均勻分布對定期的果實 發(fā)育至關重要 因此質量和產(chǎn)量增加 昆蟲授粉對油 菜 甜瓜 蘋果等田間作物的產(chǎn)量和品質的正面影響 也得到了證實 Yong et al 2007 Bommarco et al 2012 Bartomeus et al 2014 Garratt et al 2014 在人工授粉和相同的花粉導致種子結實增加的 情況下 開放授粉不能排除來自其他花粉的異花授 粉的影響 然而 人工授粉比開放授粉更有效的趨勢 可以解釋為測試花期開花期間缺乏蜜蜂活動 導致 花粉授粉不足 推測蜜蜂授粉對開放授粉花的座果 影響比風具有更強的作用 Klatt et al 2014 花粉粒 在整個接受柱頭上的分布對果實發(fā)育非常重要 從 而防止果實畸形 除花粉分布均勻外 Winfree 等 2011 發(fā)現(xiàn) 在西瓜生長過程中 每個柱頭的花粉粒 數(shù)量對座果是非常重要的 因此 果實中的畸形可以 通過花粉分布的均勻性和滿足花粉粒 花柱的閾值的 相互作用來解釋 自花授粉果實的生長最低可能是內源生長素濃 度的差異造成的 Nakamura 等 1998 用合成生長素 2 4 二氯苯氧乙酸 處理草莓的細胞懸液 發(fā)現(xiàn)較低 的生長素濃度高度抑制了細胞生長 基于這一發(fā)現(xiàn) Klatt 等 2014 認為開放授粉的高座果率和相關的生 長素濃度增加導致較果實的成熟 然而 本研究無法 明確驗證授粉對果實成熟度的影響 特別是在果實 成熟時 與自花授粉相比 與傳粉處理有關的果實外觀 形狀 重量 大小和顏色 的差異可以解釋為在人工 授粉后早期果實發(fā)育期間內源 IAA 濃度的升高 一 般來說 IAA 濃度在果實發(fā)育過程中下降 較低的座 果率可以解釋自花授粉的 IAA 濃度始終較低的原 因 如果不是草莓果實的所有瘦果都被授粉 授粉限 制將導致果實畸形 Symons et al 2012 因此 授粉 驅動的 IAA 濃度差異主要是由自花授粉引起的畸形 果實比例較高所致 除了酚類物質和香氣特定的揮發(fā)物之外 已知 糖和酸的濃度對于草莓風味和品質是必不可少的 授粉處理顯著影響糖和酸濃度 在之前的實驗中已 經(jīng)觀察到自花授粉果實的較高糖酸比例 Klatt et al 2014 人工授粉的果實與開放式授粉相比 更低的 糖和更高的酸含量可能源于授粉驅動的果實成熟過 程中的變化 因為人工授粉的果實達到了受精瘦果 的最高數(shù)量 表現(xiàn)出平衡的糖酸比例的果實通常受 到消費者的青睞 草莓果實的糖含量最好在 7 10 之間 pH 值應低于 3 7 糖酸比為 7 1 左右 參照這些 指導水平 自花授粉的果實會表現(xiàn)出最好的香味 然 而 考慮到糖和酸的平均含量 人工和開放式授粉所 產(chǎn)生的果實會接近定義的糖酸比 盡管如此 來自手 工和開放授粉的果實可能會比自我授粉所產(chǎn)生的果 實更能夠滿足消費者的期望 當然 這應該通過感官 測試來驗證 總之 授粉類型對草莓果實中座果率和植物激 素 IAA 水平有直接影響 開放授粉和人工授粉改善 水果的外觀是由 IAA 濃度增加所致 因此 通過授粉 圖 3 成熟紅草莓的風味參數(shù) 注 不同小寫字母表示差異顯著 P 0 05 Figure 3 Flavor parameters of mature red strawberry Note Different lowercase letters indicate significant difference P 0 05 6554 昆 蟲可改善草莓果實的植物激素表達和風味 授粉 方式對果實發(fā)育的生理影響是至關重要的 農(nóng)業(yè)系 統(tǒng)中的自然授粉不僅對果實產(chǎn)量至關重要 而且對 于果實發(fā)育 果實品質和生理過程也是必不可少的 昆蟲授粉對作物產(chǎn)量和品質具有正面影響 綜上 農(nóng) 業(yè)系統(tǒng)中的昆蟲授粉可以有助于減少作物損失 并 有助于滿足全球糧食需求 3 材料與方法 3 1 實驗方法 本研究在本單位附近的一個開放的草莓田進 行 2014 年 該地種植了 童子一號 草莓 50 行 行距 約 80 cm 2017 年未受精 此外 授粉動物為意大利 蜜蜂 2017 年 3 月至 7 月期間進行了田間工作 殺菌 劑應用 授粉處理 傳粉者評估和采樣等 將自主自花授粉 人工授粉和開放授粉 3 種授 粉處理應用于實驗草莓植株 為了使自花授粉和人工 授粉能夠進行 花蕾用 Osmolux 塑料袋覆蓋 塑料袋 可以透過水蒸氣進行小氣候交換 同時可以防止風 媒和異花授粉 此外 在開花期間用相同花粉進行人 工授粉 使用刷子 在所有柱頭不能接受花粉后取出 塑料袋 開放授粉的植物不進行套袋處理以允許通 過昆蟲和風進行異花授粉 授粉處理分 3 個種植小 區(qū)進行 這些種植小區(qū)位于一個中心行 彼此之間距 離為 20 m 距離種植地邊緣最小距離為 15 m 另外 種植小區(qū)與種植地邊緣的距離至少為 15 m 以避免 邊緣效應 小區(qū)長度分別為 6m 并在每個小區(qū)相互隔 開 1 m 每種授粉處理 50 株植物并貼上標簽和注 明花期 共計 450 株草莓 采集未發(fā)生真菌感染的 草莓果實 并收獲 3 個發(fā)育階段 綠色 白色和紅 色 的果實 3 2 果實物理參數(shù) 分別隨機選取 30 株草莓在盛花期統(tǒng)計每枝上 的花量 落花后半個月后統(tǒng)計座果數(shù)量 每隔 1 周統(tǒng) 計 1 次 直到果實成熟為止 并計算不同時期座果數(shù) 量 在收獲期間或收獲后 8 h 內測果實的大小 重量 和顏色 水果大小由游標卡尺確定 在沒有花梗和萼 片的情況下測量鮮重 對于果實顏色 用 CR 410 便 攜式比色計 Konica Minolta 記錄顏色 采用質構儀 TxT2 英國 SMS 公司 測量果實的硬度 該測試儀配 備了一個 25 kg 的壓縮室和一個直徑 5 mm 的探頭 并配有 4 mm 的水果穿透深度 3 3 果實生理參數(shù) 在每組中隨機取 10 個成熟果實中測定總可溶 性固體 糖 可滴定酸 pH 值和受精瘦果數(shù) 種子結 實 并用 Taurus Robot 300 浸入式攪拌器 Braun 進 行均質化 隨后 將子樣品以 7000r min 離心 10min 測定上清液 pH 值 糖和酸濃度 糖濃度 通過 HRO 32 手持式折射計 Kr ss 測定 通過德國 WTW Inolab pH level 1 酸堿度計分析上清液的 pH 值 根 據(jù) Caner 等 2008 的方法確定酸濃度 用 20 mL 蒸餾 水稀釋 3mL 上清液 酸濃度 是用 0 1 N NaOH 通 過 TitroLine 96 自動滴定儀 Schott 基于滴定開始至 滴定終點 pH 值 8 1 后的檸檬酸的毫當量因子 meq 0 064 meq 計算的 糖酸比通過用糖濃度除糖來計 算 然后 子樣品 包括沉淀物和上清液 重新統(tǒng)一以 確定受精瘦果的數(shù)量 受精瘦果由于不同的沉淀能 力而從未受精的瘦果中分離出來 可用自動化的種 子計數(shù)器計數(shù) Pfeuffer 3 4 激素 在對不同發(fā)育階段 自花授粉 123 果實 人工授 粉 157 果實 開放授粉 142 果實 的果實進行顏色 大小 重量和硬度的評估后 樣品儲存于 80 直至 冷凍干燥和研磨 對于植物激素分析 IAA 和 ABA 將 0 8 mL 提取溶液 20 甲醇 79 蒸餾水和 1 乙 酸 加入到 50 mg 研磨樣品中 將提取物渦旋并振 蕩 45min 加入 0 8 mL 乙醚后 將樣品在冰上振蕩 30 min 通過離心 13 000 r min 5 min 分離上乙醚相 并重復用乙醚萃取 合并有機級分 真空蒸發(fā)至干燥 30 下 30 min 并將殘余物儲存于 20 在分析 之前 將樣品溶于含有 200 L 7 mmol L 乙酸的甲醇 水 1 1 溶液中 并以 12000r min 離心 5min 以除去 未溶解的物質 將植物激素在 40 的反相柱 Po laris C18 Ether 100 2 mm 3 m Agilent 上分離 其 用水 甲醇梯度洗脫 流速為 0 2 mL min 在負離子模 式下電噴霧電離后 使用 LC1 200 三重四極桿質譜 儀 Varian Darmstadt 對植物激素進行定量分析 對于 統(tǒng)計分析 低于定量限的 IAA 濃度被視為定量限 LOQ 的一半 低于檢測限 LOD 的濃度設置為零 IAA 的 LOQ 和 LOD 分別為 30 和 20 ng g 干物質 ABA 的 LOQ 和 LOD 分別為 10 和 5 ng g 干物質 3 5 統(tǒng)計分析 采用 SPSS 17 0 軟件進行統(tǒng)計分析 結果以平均 值 標準差表示 組間比較采用單因素方差分析 LSD 檢驗 P 0 05 表示差異具有統(tǒng)計學意義 不同授粉方式對草莓生理和果實品質的影響 Effects of Different Pollination Methods on Physiology and Fruit Quality of Strawberry Fragaria ananassa Duch 6555 分 子植物育種 Molecular Plant Breeding 作者貢獻 苑智華是本研究的實驗設計者和實驗研究的執(zhí) 行人 數(shù)據(jù)分析 論文初稿的寫作與修改 作者已閱 讀并同意最終的文本 致謝 本研究由內蒙古自治區(qū)高等學校科學研究項目 NJZY19331 資助 參考文獻 Bartomeus I Potts S G Steffandewenter I Vaissi re B E Woyciechowski M Krewenka K M Tscheulin T Roberts S P Szentgy觟rgyi H Westphal C and Bommarco R 2014 Contribution of insect pollinators to crop yield and quality varies with agricultural intensification PeerJ 2 2 e328 Bommarco R Marini L and Vaissi re B E 2012 Insect polli nation enhances seed yield quality and market value in oilseed rape Oecologia 169 4 1025 1032 Caner C Aday M S and Demir M 2008 Extending the quality of fresh strawberries by equilibrium modified atmosphere packaging Eur Food Res Tech 227 6 1575 1583 Cherian S Figueroa C R and Nair H 2014 Movers and shak ers in the regulation of 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