油棕授粉生物學(xué)的相關(guān)研究進(jìn)展及展望

楊蒙迪 趙慧 曹紅星

摘 要 油棕是世界上產(chǎn)油效率最高的作物之一。目前平均產(chǎn)量4.17 t/hm2，潛在產(chǎn)量12～18 t/hm2。授粉是油棕果實產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，也是制種的重要步驟。為了充分發(fā)揮油棕的產(chǎn)量潛力，培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種，對油棕授粉生物學(xué)的研究至關(guān)重要。本文綜述與油棕授粉生物學(xué)相關(guān)的花粉活力、柱頭可授性、花粉貯藏性、花粉萌發(fā)相關(guān)基因研究等進(jìn)展，并對進(jìn)一步研究方向進(jìn)行了展望，為提高油棕的產(chǎn)量和培育新品種提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 油棕 ；授粉 ；生物學(xué) ；展望

中圖分類號 S792.51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 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(chǎn)油效率最高的熱帶木本油料作物，有世界油王之美譽(yù)[1-2]。理論上，油棕的最大產(chǎn)油量可達(dá)18 t/hm2[3]，實際生產(chǎn)中個別優(yōu)異的品種產(chǎn)量可達(dá)12 t/hm2[4]，但我國油棕年產(chǎn)量僅5.25 t/hm2，優(yōu)質(zhì)田年產(chǎn)量為9 t/hm2[5]，油棕產(chǎn)量仍有較大的提升空間。我國棕櫚油消費量占食用油消費總量的23%左右且在逐年上升，棕仁油常用于制作高級奶油和化妝品，棕櫚油、棕仁油和油棕副產(chǎn)品在輕工業(yè)上的用途日益廣泛，大力發(fā)展我國油棕產(chǎn)業(yè)可以降低對外依存程度[6-9]。

授粉是果實和種子形成的關(guān)鍵步驟，柱頭與花粉是否親和、花粉活力和柱頭的可授性強(qiáng)弱、授粉時間、授粉方式是影響授粉成功率及果實和種子產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵性因素。授粉受精過程中花粉具有活力是必要條件，柱頭可授性則直接關(guān)系到受精過程能否順利完成[10]。雌雄花的性別比例分化的影響因素及相關(guān)基因和蛋白表達(dá)等，都是油棕傳粉生物學(xué)研究的重要組成部分，通過這些方面的研究可為提高果實產(chǎn)量和培育高產(chǎn)品種提供理論依據(jù)。

1 油棕花序

作為典型的熱帶作物，油棕幾乎全年開花結(jié)實，其花常表現(xiàn)為雌雄同株異序，也有少數(shù)一些幼齡樹會出現(xiàn)混合花序[8]。目前關(guān)于油棕花序的研究主要有以下內(nèi)容。

1.1 花序性別分化

楊靜等[11]發(fā)現(xiàn)，油棕從花原基分生組織形成到花序完全開放的過程至少需要2年。其發(fā)育進(jìn)程可人為分為雌雄未顯性期及雌雄顯性期，花序在80%的時間里處于未顯性期。雌雄顯性期之前花序還需經(jīng)歷指數(shù)增長期（EGSI）。此外，雌雄花分化過程有較大的不同：其一，雌花分化過程中會經(jīng)歷一個雌雄花共存的兩性期階段，之后雄花選擇性敗育，雌花成為單性花，此階段若雄花未完全敗育則會出現(xiàn)混合花序；而雄花在發(fā)育過程之中則從一開始即為單性雄花，不經(jīng)歷兩性階段；其二，為保證授粉成功，油棕雄花花序的單個小穗軸上花原基分生組織數(shù)量遠(yuǎn)多于雌花，差異懸殊。

1.2 花序形態(tài)觀察

佛焰苞裂開后油棕雌雄的花序形態(tài)有明顯的不同，形態(tài)觀察可直觀判斷油棕花所處花期，進(jìn)而確定適宜授粉時間；花的狀態(tài)也可反映出作物本身營養(yǎng)狀況，對果實發(fā)育具有重要的作用。

1.2.1 雌花形態(tài)特征

雌花序由許多小穗組成，單朵雌花在小穗軸的深凹穴里螺旋排列。每朵雌花有6個花瓣，2～3個小苞片，濕性柱頭作3齒裂，也有極少數(shù)作4齒裂。Tandon 等[12]通過在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，每一柱頭裂片中間有一個由乳突細(xì)胞組成的帶狀柱頭溝，花柱中空，柱頭溝和花柱管之間有一個果膠質(zhì)層，花柱管最下端分為三叉狀，分別通向子房的3個小室。李元元等[13]將雌花花序按其發(fā)育進(jìn)程形態(tài)的變化劃分為5個時期：第I期（顯花期），開花前1～2 天心皮完全為花被所包裹；第II期（初花期），開花第1 天心皮露出，柱頭三裂片微張；第III期（Y字期），開花第2～3天柱頭開裂角度增大；第IV期（翻卷期），開花第4～5天裂片頂端出現(xiàn)翻卷；第V期（萎蔫期），心皮逐漸失水，由柱頭溝開始顏色變褐。

1.2.2 雄花形態(tài)特征

雄花序由繞中軸著生的指狀肉穗狀花序組成，為內(nèi)外佛焰苞包被，開花時內(nèi)佛焰苞先開裂隨后外佛焰苞開裂。倪書邦等[14]把雄花按照其發(fā)育進(jìn)程形態(tài)分為以下幾個時期：苞期，雄花發(fā)育早期呈苞狀物期；苞開期，佛焰花苞開裂花序暴露；開叉期，雄花穗由聚攏狀分散開，這一時期若油棕葉片與樹體空隙大小直接影響雄花穗散開程度；散粉期，雄花開花散粉，花穗上的雄花陸續(xù)開放，表面布滿花粉，吸引大量象鼻蟲；萎蔫期，雄花敗落，花粉漸漸失去活力。

2 授粉方式

油棕授粉方式主要有人工授粉、風(fēng)媒授粉與蟲媒授粉。而曹建華等[15]的研究表明，我國油棕授粉多為人工授粉或風(fēng)媒授粉。風(fēng)媒授粉易受自然環(huán)境條件影響，授粉不均勻，有部分雌花會因為不能很好地授粉而發(fā)生敗育，授粉效率較低；人工授粉效率雖然比風(fēng)媒略高，但易受樹體高度、勞動力及資金投入的限制；蟲媒授粉效率高成本低，但難以控制花粉來源和授粉時間。

目前發(fā)現(xiàn)的油棕授粉昆蟲多達(dá)30余種，其中最常見、最高效安全的昆蟲是象鼻蟲（Elaeidobius kamerunicus）[16-18]。早期油棕在很長一段時間內(nèi)被認(rèn)為主要是風(fēng)媒授粉[19]，后來研究人員Syed[20]在油棕的原產(chǎn)地喀麥隆發(fā)現(xiàn)了象鼻蟲。1980年7～10月間，象鼻蟲被引入到馬來西亞，經(jīng)農(nóng)業(yè)部嚴(yán)格檢疫后于1981年釋放到油棕園[21]。此后當(dāng)?shù)赜妥胤N植所需授粉費用急劇降低，而產(chǎn)量和品質(zhì)都有了極大的提升，隨后多個國家大量引入象鼻蟲取代人工授粉。象鼻蟲具有很高的繁殖能力，它們以失去活力的雄花花粉為食，雄花開放期間釋放出強(qiáng)烈大茴香氣味吸引象鼻蟲[22]，因而其攜帶大量有活性的花粉，雌花開放時釋放出與雄花相似的氣味香味，引誘它們造訪，且因其體型很小的緣故可以對內(nèi)層雌花授粉，授粉效率極高。研究表明，象鼻蟲授粉可以提高油棕座果率約20%[23-24]。

生產(chǎn)中依靠風(fēng)媒和蟲媒固然可以降低成本，但要實現(xiàn)控制雜交授粉和制種，還需依靠人工控制授粉，包括對授粉時間和花粉來源的控制。

3 雌花和雄花活力特性的研究

授粉是否成功，除外界環(huán)境的影響外，其雌雄花本身所處時期、花粉活力和柱頭可授性才是決定性因素，測定柱頭可授性和花粉活力便于控制授粉時間。

3.1 柱頭可授性變化

油棕雌花的最佳授粉時間為開放后1～3 d[25]，在此基礎(chǔ)上李元元等[12]采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法測定3種油棕的柱頭可授性強(qiáng)弱，結(jié)果表明，無殼種和薄殼種第III期上午授粉最為適宜；厚殼種則是第IV期下午授粉最為適宜。

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測定法、醋酸洋紅染色法和培養(yǎng)基萌發(fā)法等，魏麗萍等[26]通過不同方法對云南油棕花粉活力進(jìn)行了測定，對比發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基萌發(fā)法能準(zhǔn)確表現(xiàn)油棕各品種花粉活力。

經(jīng)油棕花粉萌發(fā)的影響因素試驗，沈雁等[27]發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基蔗糖濃度為5%時的效果最好；硼酸的存在是必要條件，低濃度情況下可促進(jìn)花粉的萌發(fā)和花粉管的伸長，而高濃度則抑制；最適培養(yǎng)溫度為35℃。

李元元[13]經(jīng)過對中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院椰子研究所油棕研究基地的3種果殼類型油棕的花粉活力變化的鑒定，得出以下結(jié)論：無殼種花粉活力第4天最強(qiáng)；薄殼種第2天最強(qiáng)；厚殼種第3天最強(qiáng)。在完全散粉當(dāng)天，薄殼種和厚殼種油棕的花粉在一天內(nèi)的變化不明顯，但無殼種的花粉活力下午高于上午，且在14時最強(qiáng)而10時最弱。厚殼種和薄殼種花粉活力強(qiáng)于無殼種。

低溫、低濕、高二氧化碳低氧等條件有利于花粉保存。林以運(yùn)[28]通過對比低溫保存、超低溫保存、氣體保存、有機(jī)溶劑保存這四種方法，綜合成本、可行性以及保存效果，認(rèn)為低溫保存的方法最為適宜。在花粉保藏步驟，最為便捷經(jīng)濟(jì)的操作為于38℃條件下干燥處理36 h，其后置于-20℃環(huán)境中，此種處理下花粉活力所受影響最小。

4 授粉后相關(guān)研究

4.1 授粉后花粉管伸長

Tandon等[12]對非洲Tenera品種的雌蕊進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)授粉會促使柱頭溝與花柱管之間的果膠質(zhì)層降解；花粉粒萌發(fā)后，花粉管在乳突細(xì)胞表面生長并進(jìn)入柱頭溝，后沿柱頭溝進(jìn)入花柱管，最終進(jìn)入子房，授粉后 8～20 h胚珠可見花粉管。

4.2 花粉萌發(fā)及授粉前后相關(guān)基因的表達(dá)情況

大量研究表明，一些植物激素在花粉萌發(fā)和花粉管生長中有著重要作用，其中吲哚-3-乙酸（IAA）有促進(jìn)作用[29]，乙烯抑制花粉管萌發(fā)[30]，Wang等[31]經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，EgNDL和eIF基因在其中發(fā)揮了重要作用。

林以運(yùn)[28]以“看家”基因Actin作為內(nèi)參基因，利用實時熒光定量PCR方法詳細(xì)分析了油棕花粉萌發(fā)相關(guān)的OP_Pollen-1、OP_Pollen-2、OP_Pollen-3和OP_Pollen-4這4個基因在油棕花粉萌發(fā)前后的變化趨勢以及相對內(nèi)參基因表達(dá)量的變化，認(rèn)為厚殼種、薄殼種、無殼種的油棕花其花粉間可能有著基因型差異，但這一推斷的正確性還需更多關(guān)于花粉萌發(fā)基因萌發(fā)前后表達(dá)量的差異研究來進(jìn)行驗證。

李元元[32]采用熒光檢測對比了GPI基因（控制糖基磷脂酰肌醇合成）、MYB轉(zhuǎn)錄因子等部分基因在授粉前后表達(dá)的差異。實驗結(jié)果表明，即使是同一種基因，在不同品種的油棕花粉中表達(dá)情況也不盡相同。在其他類型的基因表達(dá)過程中是否亦有此種現(xiàn)象仍需進(jìn)行更多相關(guān)實驗。

5 展望

目前關(guān)于油棕授粉生物學(xué)的研究主要集中在授粉技術(shù)、授粉工具[33]、授粉昆蟲種類的調(diào)查、花形態(tài)觀察、花序分化中雌雄花的差異、花粉形態(tài)觀察、柱頭可授性強(qiáng)弱、花粉活力強(qiáng)弱與貯藏性這些方面，也有少數(shù)關(guān)于花粉萌發(fā)的激素及相關(guān)基因、授粉前后相關(guān)基因表達(dá)差異性等方面的研究，而對授粉后花粉在柱頭上的萌發(fā)狀況、花粉管生長速度、自交是否親和以及生理生化的變化的報道較少。Rajinder Singh等[34]完成了非洲油棕和南美洲油棕的基因組測序，為研究授粉后相關(guān)基因、蛋白和代謝組學(xué)的變化奠定了基礎(chǔ)，同時這些也成為了今后研究重點和方向。

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