摘要:紫花苜蓿(Medicago sativa L.)品種間的花粉漂移,對(duì)苜蓿的制種具有重要影響;且其潛在的生態(tài)、進(jìn)化學(xué)效應(yīng)引起學(xué)者擔(dān)憂。本試驗(yàn)利用Rotorod花粉收集器探究不同天氣條件下不同蜂類驅(qū)動(dòng)的苜蓿花粉釋放和擴(kuò)散規(guī)律。結(jié)果表明:不論意大利蜜蜂或熊蜂,它們引起的花粉釋放模式為隨日時(shí)間變化花粉濃度先增后減,即從8:00(約30 pollens·m-3·h-1)到13:00(約1100 pollens·m-3·h-1)濃度逐漸增加(13:00達(dá)到峰值),之后降低;苜蓿花粉擴(kuò)散隨距離增加濃度減小且濃度大小具有方向性傾向。本試驗(yàn)條件下,苜?;ǚ圩畲髷U(kuò)散距離為18 m。相較于意蜂,熊蜂更能適應(yīng)不同天氣條件,尤其是高氣壓、強(qiáng)風(fēng)天氣。本研究結(jié)果有助于加深對(duì)苜?;ǚ劢閷?dǎo)的基因漂移的認(rèn)識(shí),為制定限制花粉漂移策略及科學(xué)利用蜂類授粉提供參考。
關(guān)鍵詞:紫花苜蓿;花粉擴(kuò)散;空氣動(dòng)力學(xué);意大利蜜蜂;熊蜂
中圖分類號(hào):S541.9""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A""""" 文章編號(hào):1007-0435(2024)12-3680-08
Pollen Release and Dispersal Patterns of Alfalfa (Medicago sativa L.) Driven
by Pollinating Bee under Different Weather Conditions
CHEN Min, WU Hui-Zhen, MIN Xue-yang, YAN Xue-bing, ZHANG Chuan-Jie*
(Department of Grassland Science, College of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu Province 225009, China)
Abstract:Pollen flow between alfalfa (Medicago sativa L.) cultivars has raised great concerns due to its potential impacts on alfalfa seed production and ecological and evolutionary effects. This study was conducted to explore the pollen release and dispersal patterns of alfalfa that was driven by pollinating bees under different weather conditions (buoyant turbulent or pressure-driven nonturbulent conditions) using the Rotorod pollen collector. The results showed that regardless of honeybee (Apis mellifera L.) or bumblebee (Bombus terrestris L.),the pollen release pattern of alfalfa driven by pollinating bees initially increased from the morning at 8:00 (about 30 pollens·m-3·h-1) to the noon at 13:00 (about 1100 pollens·m-3·h-1) (reaching the peak at 13:00),and decreased subsequently. The concentration of alfalfa pollen dispersed from the pollen source decreased with increasing the distance from the pollen source edge. The directional effect on pollen concentration out of the pollen source was showed. Under the present experimental conditions,the potential distance of pollen dispersal from pollen source was 18 m. Additionally,compared to honeybees,bumblebees are better adapted to the different weather conditions,especially the pressure-driven nonturbulent conditions. In summary,the results in this study would be helpful for better understanding the pollen-mediated pollen flow,developing strategies to limit the pollen flow,and thus providing the valuable reference for proper using of different pollinating bees in alfalfa.
Key words:Alfalfa;Pollen dispersal;Aerodynamics;Italian bee;Bumblebee
收稿日期:2024-05-20;修回日期:2024-06-24
基金項(xiàng)目:揚(yáng)州大學(xué)研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYCX23_3615);國(guó)家自然科學(xué)基金面上(32171670)資助
作者簡(jiǎn)介:
陳敏(2000-),女,漢族,安徽廬江人,碩士研究生,主要從事牧草種質(zhì)評(píng)價(jià)與遺傳育種研究,E-mail:cmxzpaxl@163.com;*通信作者Author for correspondence,E-mail:chuanjiezhang@yzu.edu.cn
紫花苜蓿(Medicago sativa L.),多年生豆科牧草,因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等被用作世界范圍內(nèi)最優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)牧草之一[1]。盡管我國(guó)苜蓿種植面積大約占全球種植面積六分之一,然而隨著養(yǎng)殖業(yè)對(duì)苜蓿需求的逐年增加,國(guó)產(chǎn)苜蓿在數(shù)量、質(zhì)量上均無(wú)法滿足畜牧生產(chǎn)的消費(fèi)需要,因此進(jìn)口量逐年增加[2-3]。利用基因工程手段對(duì)現(xiàn)有苜蓿進(jìn)行分子水平改良,使其具有更優(yōu)異的基因和農(nóng)藝性狀,對(duì)推動(dòng)畜牧業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來(lái),我國(guó)在轉(zhuǎn)基因苜蓿品種研發(fā)方面也取得了一系列成就,如苜蓿遺傳轉(zhuǎn)化體系的優(yōu)化、改良苜蓿環(huán)境抗逆性,開(kāi)發(fā)抗病、蟲(chóng)、除草劑及改善營(yíng)養(yǎng)組分(低木質(zhì)素含量)等品種[4-7]。然而,轉(zhuǎn)基因植物可能通過(guò)基因漂移引發(fā)一系列生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)轉(zhuǎn)基因植物釋放需要非常謹(jǐn)慎,所以,在其釋放前必須對(duì)其進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)[8]。系統(tǒng)評(píng)估轉(zhuǎn)基因苜蓿環(huán)境生物安全,包括苜?;ǚ燮?、擴(kuò)散規(guī)律,轉(zhuǎn)基因苜蓿與非轉(zhuǎn)基因或近緣種雜交潛力等,是轉(zhuǎn)基因苜蓿環(huán)境釋放的先決條件。苜蓿屬于蟲(chóng)媒、異花授粉植物[9-10]。苜蓿的花器結(jié)構(gòu)不同于其他蟲(chóng)媒授粉植物(如油菜)。苜蓿的花朵需要依靠傳粉蜂類的“絆花”(tripping mechanism)才得以使其雌雄合蕊柱從龍骨瓣脫離,釋放花粉并沾到蜜蜂身上,通過(guò)昆蟲(chóng)在不同花朵間的訪花,完成授粉實(shí)現(xiàn)種子繁育[11-12]。苜蓿這種特殊的花器結(jié)構(gòu)和主要依靠蜜蜂傳粉的方式,決定了蟲(chóng)媒(主要是蜜蜂)在介導(dǎo)苜?;ǚ燮频闹卮笞饔茫?3]。
目前,我國(guó)學(xué)者主要對(duì)苜蓿開(kāi)花習(xí)性、傳粉現(xiàn)象及蜂類授粉對(duì)苜蓿種子增產(chǎn)效果方面進(jìn)行研究[14],而對(duì)苜?;ǚ燮婆c擴(kuò)散及影響花粉擴(kuò)散的環(huán)境、氣候因素等研究較少。蜜蜂屬和熊蜂屬蜂類是苜?;ㄆ谧顝V泛、有效的授粉蜂類[15-17]。研究表明,上述兩種蜂類由于授粉行為差異而產(chǎn)生不同的授粉效率[16]。本研究的假說(shuō)是:不同蜂類授粉效率的差異在一定程度上會(huì)引起苜?;ǚ壑饡r(shí)、逐日及花粉云強(qiáng)度的不同;而且由于蜂類的授粉活動(dòng)受不同天氣條件(如,風(fēng)向、風(fēng)速等)影響[18-19],氣候條件會(huì)通過(guò)影響授粉蜂類活動(dòng)而間接影響苜?;ǚ墼频男纬杉皵U(kuò)散等過(guò)程。因此,本試驗(yàn)利用Rotorod自旋式花粉收集儀對(duì)不同蜂類驅(qū)動(dòng)下紫花苜?;ǚ圻M(jìn)行收集,并對(duì)其逐時(shí)、逐日釋放模式進(jìn)行比較;探究不同天氣條件下(湍流天氣或非湍流天氣),氣候因素對(duì)授粉蜂類授粉行為及苜蓿花粉漂移、擴(kuò)散的影響;并比較在上述試驗(yàn)條件下,不同授粉蜂類驅(qū)動(dòng)苜?;ǚ燮坪蛿U(kuò)散規(guī)律。本研究有助于提高對(duì)苜?;ǚ哿鹘閷?dǎo)的基因漂移的認(rèn)識(shí),并為苜蓿育種中如何限制苜蓿品種間花粉漂移、保持純合苜蓿種質(zhì),及制定保護(hù)當(dāng)?shù)剀俎R吧N質(zhì)資源提供數(shù)據(jù)參考。該試驗(yàn)結(jié)果也可為轉(zhuǎn)基因苜蓿環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。
1" 材料與方法
1.1" 試驗(yàn)地點(diǎn)、材料和授粉蜂類
整個(gè)大田試驗(yàn)在江蘇省揚(yáng)州市揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)草業(yè)科學(xué)研究基地進(jìn)行。試驗(yàn)田經(jīng)緯度為32°20′N,119°23′E,平均海拔10 m。該試驗(yàn)區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)氣候,每年6月中旬至7月底為梅雨季節(jié)。過(guò)去30年(1981—2010)氣象數(shù)據(jù)顯示:該地區(qū)年平均氣溫和降雨量分別為15.7℃和 1043 mm。試驗(yàn)田土質(zhì)為沙壤土,試驗(yàn)期間土壤平均pH值約為5.8~6.1,土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為14.8 g·kg- 1。本試驗(yàn)中用于花粉供體苜蓿材料為大田定植的一年齡‘淮陰’紫花苜蓿。在該試驗(yàn)區(qū)域,‘淮陰’紫花苜蓿整個(gè)花期大約1.5月(始花期為4月中旬;末花期為5月底),盛花期大約2周(4月底到5月中旬)。由于紫花苜?;ǚ坩尫判枰诜鄯漕惖摹敖O花”協(xié)助,因此,本試驗(yàn)采用意大利蜜蜂(Apis mellifera L.)和熊蜂(Bombus terrestris L.)作為‘淮陰’紫花苜蓿的授粉蜂類,并以此比較其對(duì)紫花苜蓿花粉釋放及擴(kuò)散的影響。
1.2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集
1.2.1" 大田花粉收集試驗(yàn)布局" ‘淮陰’紫花苜?;ǚ凼占囼?yàn)在上述試驗(yàn)田2個(gè)獨(dú)立的直徑為10 m的盛花期圓形苜蓿區(qū)塊進(jìn)行(圖1)。采用試驗(yàn)者先前構(gòu)建的Rotorod花粉收集器進(jìn)行花粉收集(詳見(jiàn)下面敘述)。兩個(gè)苜蓿區(qū)塊間隔距離大約50 m。區(qū)塊內(nèi)苜蓿行、株距約為0.3 m。苜蓿始花期前,將上述兩個(gè)圓形苜蓿區(qū)塊用白色的防蟲(chóng)網(wǎng)(網(wǎng)眼大小=2 mm)罩住,以防止其他昆蟲(chóng)進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)。盛花期前,將意大利蜜蜂或熊蜂各一箱放入上述兩個(gè)罩網(wǎng)的苜蓿區(qū)塊中。依據(jù)苜蓿授粉農(nóng)藝經(jīng)驗(yàn),引入的意大利蜜蜂蜂群總數(shù)量約為10 000只,其中工蜂(worker bees)數(shù)量約為總數(shù)量的1/5~1/4(2000~2500只);引入的熊蜂蜂群中,工蜂數(shù)量約為100~150只(常州尚蜂生物科技有限公司,常州,江蘇?。?。引入蜜蜂2天后(蜜蜂對(duì)所處環(huán)境熟悉后),開(kāi)始進(jìn)行花粉收集。Rotorod花粉收集器高度大約0.5 m (與苜蓿高度基本相當(dāng))。其構(gòu)成如圖1左側(cè)圖所示:該收集器由直流電池驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)收集棒(rod)在空氣中以恒定速度旋轉(zhuǎn)?;ǚ凼占?,在收集棒迎風(fēng)面均勻涂抹動(dòng)物脂肪,在花粉收集過(guò)程中,旋轉(zhuǎn)的收集棒會(huì)捕捉懸浮在空氣中的苜蓿花粉。各花粉收集點(diǎn)如圖1中十字形圖標(biāo)(代表Rotorod花粉收集器所處位置)所示:苜蓿花粉源內(nèi)共有9個(gè)花粉收集點(diǎn)(源中心一個(gè),沿四個(gè)主方向距源中心5 m和10 m各一個(gè)),該9個(gè)收集點(diǎn)用于揭示苜?;ǚ壑饡r(shí)、逐日釋放模式與規(guī)律;源外沿四個(gè)主方向距花粉源邊緣1~36 m各6個(gè)收集點(diǎn)(圖中未畫(huà)出),該收集點(diǎn)用于揭示苜?;ǚ巯蚧ǚ墼赐獾臄U(kuò)散距離。
(=10 m) driven by honeybees or bumblebees using Rotorod pollen collector during the peak of anthesis in 2019—2020
1.2.2" 苜?;ǚ墼磧?nèi)、外花粉收集及花粉定量" 苜?;ǚ墼磧?nèi)、外收集在1.2.1試驗(yàn)條件下,分別于2019和2020年‘淮陰’紫花苜蓿盛花期間進(jìn)行。在花粉收集過(guò)程中,依據(jù)氣象預(yù)報(bào)及收集花粉當(dāng)天氣象條件(如風(fēng)向、風(fēng)速等),我們區(qū)分與定義兩種不同花粉收集天氣條件:湍流天氣和非湍流天氣。湍流天氣代表有浮力湍流的輕風(fēng)天氣條件,具體包括:2019年5月1、5月3日和5月9日,以及2020年5月3日、5月6日和5月16日。非湍流天氣代表受氣壓影響的強(qiáng)風(fēng)天氣條件,具體包括:2019年4月28日和5月5日,以及2020年4月29日、5月4日、5月7日和5月8日。上述收集日期的風(fēng)向和風(fēng)速信息見(jiàn)表1。花粉收集在上述收集日每天上午8點(diǎn)至下午5點(diǎn)間進(jìn)行?;ǚ凼占裘啃r(shí)更換一次并保管于防塵盒內(nèi)待后續(xù)試驗(yàn)室花粉定量。花粉定量之前,為排除收集棒上的灰塵干擾物,利用1%醋酸洋紅對(duì)苜?;ǚ圻M(jìn)行染色,然后再進(jìn)行顯微鏡定量。定量過(guò)程中,選擇收集棒上任意面積區(qū)域作為花粉定量區(qū)域,得到10個(gè)視野的花粉平均值,然后依據(jù)下列公式(1)對(duì)該收集棒所處的花粉位點(diǎn)濃度(pollen·m-3·h-1)進(jìn)行計(jì)算:
Nx=N10——×SrodSt×Vair(1)
該公式中,Nx代表收集棒所處任意位置的花粉濃度;N10——代表10個(gè)視野的平均花粉數(shù)量;St和Srod分別代表所選10個(gè)視野的平均檢測(cè)面積和整個(gè)收集棒的面積;Vair代表在單位時(shí)間該收集棒所排開(kāi)的空氣體積,其值約為0.65 m-3·h-1。據(jù)此,對(duì)所有花粉收集棒進(jìn)行定量并做進(jìn)一步分析。試驗(yàn)中的氣象數(shù)據(jù),包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等由揚(yáng)州市氣象局提供。
1.3" 數(shù)據(jù)分析
數(shù)據(jù)分析前,依據(jù)公式(1)將所有得到的花粉數(shù)量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)均符合Shapiro-Wilk正態(tài)殘差分析檢測(cè)和Leven方差齊性檢測(cè)。為揭示意大利蜜蜂或熊蜂驅(qū)動(dòng)苜蓿在不同天氣條件下的散粉動(dòng)態(tài),將2年內(nèi)所有在非湍流天氣或湍流天氣從上午8點(diǎn)到下午5點(diǎn)單位時(shí)間得到的花粉濃度值進(jìn)行平均,以顯示不同授粉蜂種對(duì)苜蓿逐時(shí)、逐日散粉的影響。對(duì)于源外花粉的擴(kuò)散與漂移,我們利用苜?;ǚ鄯逯禃r(shí)段(11:00—13:00)數(shù)據(jù)評(píng)估當(dāng)前試驗(yàn)條件下苜?;ǚ巯蛟赐獠煌嚯x和方向的最大潛在擴(kuò)散。通過(guò)計(jì)算得到峰值花粉在四個(gè)主方向距離花粉邊緣不同距離的花粉濃度(2年平均值),并對(duì)四個(gè)主方向距離花粉邊緣相同的花粉濃度均值進(jìn)行比較(Fish’s LSD,P ≤ 0.05)。對(duì)于苜?;ǚ墼磧?nèi)花粉逐時(shí)、逐日釋放模式,以箱式圖配以均值進(jìn)行展示;源外花粉擴(kuò)散濃度及擴(kuò)散距離以均值配以比較顯著性進(jìn)行展示。所有數(shù)據(jù)均為連續(xù)兩年花粉收集的平均值。采用R 3.2.4進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
2" 結(jié)果與分析
2.1" 試驗(yàn)期間氣象情況
整個(gè)花粉收集試驗(yàn)于2019—2020年苜蓿盛花期間(4月和5月)進(jìn)行。該試驗(yàn)時(shí)期,4月份在兩年中的平均溫度分別為16.2℃(2019年)和14.9℃(2020年),其與30年(1981—2010)的平均溫度值基本相當(dāng)(15.2℃)。2019和2020年5月份平均溫度分別為21.8和22.7℃,其與30年平均值(20.9℃)也基本相似。對(duì)于月平均累積降雨而言,2個(gè)年份中4月平均降雨量分別為41.5和4.4 mm,比30年均值稍低(70.3 mm)。兩年中5月份平均降雨量(31.4和52.9 mm)比30年均值(82.3 mm)也稍低??傮w而言,該試驗(yàn)期間氣象條件穩(wěn)定,沒(méi)有極端天氣,如暴雨、干旱等出現(xiàn)。該試驗(yàn)期間的氣象條件有利于苜蓿的生長(zhǎng)、開(kāi)花及授粉蜂類的授粉活動(dòng)等。花粉收集期間平均風(fēng)速、風(fēng)向及大氣濕度數(shù)據(jù)如表1所示。如前述,2019年5月1、5月3日和5月9日,以及2020年5月3日、5月6日和5月16日代表湍流天氣。這些日期的平均風(fēng)速約0.5~1.6 m·s-1。相比較而言,非湍流天氣,包括2019年4月28日和5月5日,以及2020年4月29日、5月4日、5月7日和5月8日,因受氣壓影響其風(fēng)速均高于2.5 m·s-1(表1)。
2.2" 不同授粉蜂類驅(qū)動(dòng)下苜?;ǚ墼诓煌鞖鈼l件下花粉釋放比較
圖2呈現(xiàn)了湍流與非湍流天氣條件下,在意大利蜜蜂或熊蜂驅(qū)動(dòng)下‘淮陰’紫花苜蓿花粉逐時(shí)、逐日散粉動(dòng)態(tài)。由圖可知,意大利蜜蜂或熊蜂在上述兩種不同天氣條件下所引起的苜蓿花粉散粉量總趨勢(shì)為隨時(shí)間變化,花粉濃度先升高后降低。以熊蜂為例,在非湍流天氣條件下早上8:00—9:00期間,空氣中苜?;ǚ蹪舛葹?6 pollens·m-3·h-1。而9:00—10:00期間,花粉濃度上升至315 pollens·m-3·h-1。11:00—13:00期間,苜蓿花粉濃度達(dá)到峰值約為1100 pollens·m-3·h-1。而后,隨時(shí)間增加,14:00—15:00空氣中花粉濃度降至340 pollens·m-3·h-1左右,到17點(diǎn),空氣中基本檢測(cè)不到苜?;ǚ郏? pollens·m-3·h-1)。意大利蜜蜂驅(qū)動(dòng)的苜?;ǚ壑饡r(shí)、逐日釋放量也呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)(圖2)。
在湍流天氣條件下,對(duì)于相同的蜂種,雖然其驅(qū)動(dòng)形成的苜蓿花粉云濃度有差異,但是苜蓿的逐時(shí)、逐日散粉動(dòng)態(tài)與其在非湍流天氣條件下呈現(xiàn)的趨勢(shì)基本一致。以意大利蜜蜂引起的苜?;ǚ圩兓癁槔衔?:00—9:00期間,湍流天氣條件下顯示空氣中苜?;ǚ蹪舛葹?6 pollens·m-3·h-1,而此時(shí)非湍流天氣條件下苜?;ǚ蹪舛葹?6 pollens·m-3·h-1;隨時(shí)間增加,在上述兩種天氣條件下空氣中苜?;ǚ蹪舛染仙⑶以?1:00—13:00期間達(dá)到峰值(湍流條件約為1000 pollens·m-3·h-1;非湍流條件約為850 pollens·m-3·h-1);而后,花粉濃度均降低至最低水平。
相較于意大利蜜蜂,無(wú)論在湍流或非湍流天氣條件下,熊蜂均引起了較高的苜蓿逐時(shí)、逐日散粉量。如圖2所示,以非湍流天氣條件下熊蜂或意大利蜜蜂驅(qū)動(dòng)苜蓿散粉為例,雖然兩種蜂類在8:00—9:00所驅(qū)動(dòng)形成的苜蓿花粉濃度差別不大,然而隨時(shí)間增加,熊蜂引起了較高的苜蓿花粉濃度。在11:00—13:00期間,熊蜂所引起的苜?;ǚ蹪舛茸罡咧?200 pollens·m-3·h-1(均值約為1140 pollens·m-3·h-1),而此時(shí)段,意大利蜜蜂引起的花粉濃度顯著低于熊蜂,僅為860 pollens·m-3·h-1。雖然二者所引起花粉濃度隨時(shí)間增加而降低,在13:00—15:00期間,相較于意大利蜜蜂,熊蜂仍然引起較高的苜?;ǚ蹪舛龋ㄐ芊浼s為500 pollens·m-3·h-1;意大利蜜蜂約為370 pollens·m-3·h-1)。湍流條件下熊蜂或意大利蜜蜂引起苜蓿逐時(shí)、逐日散粉量與規(guī)律和湍流條件下變化趨勢(shì)相似。
通過(guò)比較熊蜂和意大利蜜蜂在不同天氣條件下引起的苜?;ǚ蹪舛瓤梢钥闯觯盒芊湎噍^于意大利蜜蜂,更能適應(yīng)不同的天氣條件。如圖2所示,對(duì)于熊蜂而言,在非湍流天氣條件下早上9:00—10:00,熊蜂所引起的苜蓿濃度大約為315 pollens·m-3·h-1,其稍低于在湍流天氣條件下相同時(shí)段測(cè)得的苜蓿濃度(370 pollens·m-3·h-1);10:00—11:00時(shí)段熊蜂在湍流天氣條件下引起的苜?;ǚ蹪舛龋?01 pollens·m-3·h-1)與其在非湍流天氣條件下引起的花粉濃度(798 pollens·m-3·h-1)基本相當(dāng);自此至13:00空氣中苜?;ǚ蹪舛冗_(dá)到峰值時(shí)段,雖苜蓿花粉在上述兩種天氣條件下有差異,但其濃度均值差異較?。ǚ峭牧魈鞖鉃?140 pollens·m-3·h-1;湍流天氣為1168 pollens·m-3·h-1)。苜蓿花粉濃度在兩種不同天氣條件的較小差異表明熊蜂對(duì)湍流天氣條件的較高適應(yīng)性。反觀意大利蜜蜂,雖然早期8:00—10:00時(shí)段,其引起的花粉濃度在上述兩種天氣條件下相差不大,而在苜蓿花粉濃度達(dá)到峰值時(shí)段,其在湍流天氣條件下引起的苜?;ǚ蹪舛龋?000 pollens·m-3·h-1)明顯高于非湍流天氣條件(860 pollens·m-3·h-1)。非湍流天氣條件下較低的苜?;ǚ蹪舛日f(shuō)明該天氣條件對(duì)意大利蜜蜂授粉活動(dòng)的較大影響。
2.3" 苜蓿花粉擴(kuò)散模式與規(guī)律
苜?;ǚ墼诓煌鞖鈼l件下花粉擴(kuò)散模式與規(guī)律為:苜?;ǚ蹪舛仍谠赐怆S距花粉源邊距的增加而減小,且在源外四個(gè)主方向的相同距離其濃度大小與方向相關(guān)(圖3)。以非湍流天氣條件下熊蜂引起的苜?;ǚ蹟U(kuò)散為例,雖然熊蜂在此天氣條件下能在花粉源內(nèi)引起1000 pollens·m-3·h-1左右的花粉濃度(圖2),但在距花粉源邊緣1 m處花粉濃度約為203~388 pollens·m-3·h-1(四個(gè)方向的濃度范圍),隨距離增加在3 m處花粉濃度繼續(xù)降至108~171 pollens·m-3·h-1,9 m處32~73 pollens·m-3·h-1,到18 m處花粉濃度在四個(gè)方向均低于25 pollens·m-3·h-1,而當(dāng)距離超過(guò)18 m時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到任何苜?;ǚ郏▓D3A)。該擴(kuò)散模式與熊蜂在湍流天氣條件下驅(qū)動(dòng)形成的苜?;ǚ蹟U(kuò)散相似(圖3B)。對(duì)于意大利蜜蜂而言,雖然其在源外相同距離引起的苜?;ǚ蹪舛扰c熊蜂有差異,其花粉從源內(nèi)向源外擴(kuò)散模式,不論在非湍流或湍流天氣條件下其與熊蜂引起的花粉擴(kuò)散相似,即隨與花粉源邊緣距離增加其花粉濃度逐漸降低(圖3C和3D)。
此外,苜?;ǚ墼诰嗷ǚ墼催吘壊煌嚯x上的花粉濃度表現(xiàn)出一定方向性,即在距離苜?;ǚ墼催吘壪嗤嚯x的北方位花粉濃度高于其他方向。該現(xiàn)象在熊蜂引起的源外花粉擴(kuò)散尤為明顯。如圖3B所示,在距離花粉源邊緣1 m的北方位苜蓿花粉濃度最大約423 pollens·m-3·h-1,明顯高于相同距離的南方位(187 pollens·m-3·h-1)、西方位(323 pollens·m-3·h-1)和東方位(212 pollens·m-3·h-1);在3 m處北方位的苜?;ǚ蹪舛龋?21 pollens·m-3·h-1)仍然高于其他三個(gè)方位(南方位為96 pollens·m-3·h-1;西方位為192 pollens·m-3·h-1;東方位為85 pollens·m-3·h-1);在北方位其他位置(9 m和18 m),苜?;ǚ蹪舛热匀惠^高。對(duì)意大利蜜蜂而言,除了其在非湍流(圖3C)或湍流(圖3D)天氣條件下距花粉源邊緣9 m處北方位花粉濃度低于西方位,其他位置北方位的花粉源濃度均高于其他三個(gè)方位。
3" 討論
由于苜蓿特殊的花器結(jié)構(gòu)及需要授粉昆蟲(chóng)“絆花”的特性決定了授粉蜂類在驅(qū)動(dòng)與形成苜?;ǚ墼泼芏鹊闹匾饔茫?4,20]。本研究中,意大利蜜蜂和熊蜂均能驅(qū)動(dòng)形成一定強(qiáng)度的苜?;ǚ墼?,盡管二者引起的苜?;ǚ蹪舛扔胁町?,但其濃度隨日時(shí)間變化均呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律(圖2)。該濃度趨勢(shì)變化規(guī)律與上述二種蜂類的活躍程度息息相關(guān)[21-22]。如前所述,蜜蜂對(duì)苜蓿的“絆花”是其釋放花粉的先決條件。不管意大利蜜蜂或熊蜂,其授粉活躍程度均隨日時(shí)間而變化,即:自早晨開(kāi)始進(jìn)行授粉活動(dòng),之后至中午時(shí)分其授粉活躍程度逐漸增加,而后直至下午時(shí)分其活躍程度不斷減小。授粉蜂類對(duì)植物的授粉特點(diǎn)暗示了一天中參與授粉蜂類的活躍程度和數(shù)量隨日變化先增后減的趨勢(shì),最終導(dǎo)致了苜蓿在一天中釋放花粉呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。利用該特性,尤其是轉(zhuǎn)基因苜蓿栽培生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)人工干擾或減少授粉蜂類進(jìn)入苜蓿田的數(shù)量(如設(shè)立緩沖區(qū)、其他吸引蜜蜂的蜜源植物等),進(jìn)而減少轉(zhuǎn)基因苜蓿花粉釋放與擴(kuò)散。另外,需要指出的是,雖然苜蓿的散粉特性與油菜、水稻等其他開(kāi)花植物相似[23-24],但苜蓿散粉被授粉蜂類驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)使其散粉量、散粉強(qiáng)度及后續(xù)的花粉擴(kuò)散與其他植物有明顯差異。我們可以推斷在授粉蜂類數(shù)量和苜蓿花粉源面積增加的情況下,苜蓿散粉雖然會(huì)遵循本研究揭示先增后減的規(guī)律,但其在相同時(shí)段在空氣中形成的花粉濃度一定會(huì)有所差異,而這也勢(shì)必會(huì)影響苜?;ǚ巯蛟赐獾臄U(kuò)散程度與距離。
本試驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示意大利蜜蜂和熊蜂對(duì)不同天氣條件適應(yīng)能力的差異。相較于意大利蜜蜂,熊蜂在湍流天氣或非湍流天氣條件下引起的苜?;ǚ蹪舛茸兓^小,這表明了熊蜂在授粉過(guò)程中較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。如試驗(yàn)結(jié)果所示,熊蜂更能適應(yīng)較為惡劣的非湍流天氣,即高氣壓強(qiáng)風(fēng)為主的天氣。在該天氣條件下,熊蜂依然能夠?qū)W⒂谠L花與授粉,并驅(qū)動(dòng)形成與湍流天氣條件下相似的苜?;ǚ蹪舛取Ec之相比,意大利蜜蜂在此天氣條件下,其驅(qū)動(dòng)形成的苜?;ǚ蹪舛冗h(yuǎn)小于湍流天氣(輕風(fēng)、溫和的天氣狀況)。先前研究報(bào)道了熊蜂具有較高的授粉效率及環(huán)境適應(yīng)能力[25-26]。本研究雖沒(méi)有對(duì)兩種蜂類的“絆花效率”(即蜂類單位時(shí)間內(nèi)打開(kāi)苜蓿花朵,釋放其性器的數(shù)量)進(jìn)行調(diào)查,但推測(cè)“絆花效率”的差異對(duì)二者驅(qū)動(dòng)形成的苜?;ǚ蹪舛扔兄苯佑绊?。郭媛等[27]發(fā)現(xiàn)地熊蜂與意大利蜜蜂相比,擁有較高的訪花頻率和較短的單花訪問(wèn)時(shí)間,這可能使地熊蜂較高的“絆花效率”,因而驅(qū)動(dòng)形成空氣中較高的苜?;ǚ蹪舛取_@就解釋了本試驗(yàn)中盡管只有較少的熊蜂存在,但其驅(qū)動(dòng)形成的苜蓿花粉濃度高于數(shù)量居多的意大利蜜蜂所形成的花粉濃度。
與其他植物,如水稻、玉米花粉擴(kuò)散模式相似[28-30],苜蓿向源外擴(kuò)散的花粉濃度與擴(kuò)散距離成反比,即距離花粉邊緣越近花粉濃度越高,反之亦然。在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下,苜蓿源外花粉擴(kuò)散最大距離為18 m。我們還發(fā)現(xiàn)在距離苜?;ǚ墼催吘壪嗤恢玫谋狈轿卉俎;ǚ蹪舛戎低ǔ8哂谄渌齻€(gè)方位(圖3)。推測(cè)這主要與試驗(yàn)期間該地區(qū)主要盛行東南-東到東南(southeast-east to southeast)風(fēng)向相關(guān)(表1)。盛行風(fēng)向被定義為在本地區(qū)試驗(yàn)期間出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向。在該風(fēng)向助推下,上述兩種蜂類驅(qū)動(dòng)形成的苜蓿花粉云更多向北或西北方向移動(dòng),于是導(dǎo)致了上述兩個(gè)方位的苜蓿花粉濃度大于東和南方位花粉濃度。通過(guò)上面的討論,我們可以推測(cè)如果引入較多的授粉蜂類或增加苜?;ǘ鋽?shù)量(即種植面積),苜蓿花粉向源外的擴(kuò)散距離將會(huì)增加。所以,進(jìn)一步探索授粉蜂類的數(shù)量變化以及苜蓿種植面積大小對(duì)苜?;ǚ墼茝?qiáng)度的形成及影響將加強(qiáng)對(duì)苜?;ǚ凵飳W(xué)的認(rèn)識(shí)。另外,需要指出的是,我們通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌蚨繙y(cè)定苜?;ǚ墼丛诳諝庵行纬绍俎;ǚ墼茝?qiáng)度。然而,該花粉數(shù)量能否對(duì)其他接受花粉的苜蓿產(chǎn)生影響,以及這些苜蓿成功授粉所需要的花粉閾值濃度是多少,這些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究與探索。
由苜?;ǚ燮埔鸬姆N內(nèi)和種間雜交給苜蓿的制種及培育造成了很大影響;轉(zhuǎn)基因苜蓿的推廣種植過(guò)程,特異性基因(如抗草甘膦、耐干旱)向傳統(tǒng)非轉(zhuǎn)基因苜蓿的基因漂移/滲入不可避免。通過(guò)對(duì)苜?;ǚ坩尫艅?dòng)態(tài)、花粉擴(kuò)散規(guī)律及影響苜?;ǚ墼茝?qiáng)度形成機(jī)制的研究對(duì)于限制或減緩苜蓿種內(nèi)、間花粉擴(kuò)散、評(píng)估轉(zhuǎn)基因苜蓿生態(tài)安全及制定規(guī)范轉(zhuǎn)基因苜蓿種植法律法規(guī)具有重要參考價(jià)值。
4 "結(jié)論
本試驗(yàn)結(jié)果表明,不論是意大利蜜蜂或熊蜂,在不同天氣條件下,由授粉蜂類驅(qū)動(dòng)形成的苜?;ǚ坩尫拍J骄鶠殡S日時(shí)間變化花粉濃度先增后減;且花粉源外擴(kuò)散濃度與距花粉源邊緣距離成反比。熊蜂相較于意大利蜜蜂,表現(xiàn)出更能適應(yīng)不同天氣變化的能力。需要說(shuō)明的是,在本試驗(yàn)條件下(較小的花粉源面積和授粉蜜蜂數(shù)量),苜蓿花粉向源外的最大傳播距離為距花粉源邊緣18 m??梢酝茰y(cè),隨著花粉源面積的擴(kuò)大以及授粉蜂類數(shù)量的增加,形成的花粉濃度及花粉向源外擴(kuò)散的距離也會(huì)隨之增加。所以,將來(lái)的研究將探究影響苜?;ǚ墼茝?qiáng)度的形成因素及評(píng)估花粉濃度對(duì)受體苜蓿雜交潛力的影響。另外,除了研究風(fēng)媒介導(dǎo)的苜?;ǚ燮仆?,授粉蜂類作為花粉攜帶者和傳輸體同樣可以引起基因漂移,所以研究授粉蜂類授粉行為及其關(guān)聯(lián)的花粉漂移也會(huì)加深對(duì)苜蓿傳粉生物學(xué)的理解。
參考文獻(xiàn)
[1]" 賈先巖. 轉(zhuǎn)基因紫花苜??鼓嫘匝芯窟M(jìn)展[J]. 青海農(nóng)林科技,2018(3):60-63
[2]nbsp; 智研咨詢. 2025-2031年中國(guó)苜蓿草行業(yè)市場(chǎng)專項(xiàng)調(diào)研及發(fā)展策略分析報(bào)告[EB/OL]. https://www.chyxx.com/research/202110/977337.html,2024-12-05/2024-12-06
[3]" 孫啟忠,玉柱,徐春城. 我國(guó)苜蓿產(chǎn)業(yè)亟待振興[J]. 草業(yè)科學(xué),2012,29(2):314-319
[4]" YI D X,MA L,LIN M,et al. Development of glyphosate-resistant alfalfa (Medicago sativa L.) upon transformation with the GR79Ms gene encoding 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase[J]. Planta,2018,248(1):211-219
[5]" 金太成,劉雨晴,許亞男,等. 農(nóng)桿菌介導(dǎo)的苜蓿遺傳轉(zhuǎn)化及PDH45轉(zhuǎn)基因苜蓿耐鹽性[J].分子植物育種,2018,16(10):3190-3195
[6]" 王之杰,李明序,張萬(wàn)軍. 根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的紫花苜蓿遺傳轉(zhuǎn)化體系的優(yōu)化[J]. 草地學(xué)報(bào),2024,32(6):1665-1671
[7]" 匡倩,宗亞倩,楊文,等. 空間誘變對(duì)‘德欽’紫花苜蓿農(nóng)藝性狀和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響[J]. 草地學(xué)報(bào),2024,32(6):1962-1967
[8]" ANDOW D A,ZWAHLEN C. Assessing environmental risks of transgenic plants[J]. Ecology Letters,2006,9(2):196-214
[9]" CARON D M. Insect pollination of cultivated crop plants[J]. Bulletin of the Entomological Society of America,1977,23(1):104
[10]PALMER-JONES T,F(xiàn)ORSTER I W. Observations on the pollination of lucerne (Medicago sativa L.)[J]. New Zealand Journal of Agricultural Research,1965,8(2):340-349
[11]宋卓琴,郭媛,高磊,等. 不同蜂種為紫花苜蓿授粉的行為與效果研究[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,45(11):1856-1858
[12]武敏,張旭鳳,張?jiān)埔?,? 意大利蜜蜂和苜蓿切葉蜂為紫花苜蓿授粉訪花行為比較[J]. 中國(guó)蜂業(yè),2020,71(12):72-74
[13]ZHANG C J,GAO Y,KIM D S,et al. Bumblebees are more efficient than honeybees to facilitate wind-blown pollen dispersal of alfalfa (Medicago sativa L.)[J]. Agriculture,Ecosystems and Environment,2022,340:108161
[14]劉紅平,金樑,王曉娟. 苜蓿與傳粉昆蟲(chóng)的互作[J]. 草業(yè)科學(xué),2008,25(3):56-60
[15]HAEDO J P,MARTNEZ L C,GRAFFIGNA S,et al. Managed and wild bees contribute to alfalfa (Medicago sativa) pollination[J]. Agriculture,Ecosystems and Environment,2022,324:107711
[16]RAUF A,SAEED S,ALI M,et al. Comparative efficiency of native insect pollinators in reproductive performance of Medicago sativa L. in Pakistan[J]. Insects,2021,12(11):1029
[17]侯建榮,李天銀,郭長(zhǎng)輝,等. 玉門(mén)地區(qū)紫花苜蓿種子田傳粉昆蟲(chóng)種類調(diào)查研究[J]. 草學(xué),2021(2):45-50
[18]TAHA E A,AL-ABDULSALAM M,AL-KAHTANI S. Insect pollinators and foraging behavior of honey bees on alfalfa (Medicago sativa L.) in Saudi Arabia[J]. Journal of the Kansas Entomological Society,2016,89(1):92-99
[19]BRUNET J,STEWART C M. Impact of bee species and plant density on alfalfa pollination and potential for gene flow[J]. Psyche:A Journal of Entomology,2010,2010:201858
[20]SANTA-MARTINEZ E,CARDOSO CASTRO C C,F(xiàn)LICK A,et al. Bee species visiting Medicago sativa differ in pollen deposition curves with consequences for gene flow[J]. American Journal of Botany,2021,108(6):1016-1028
[21]ZHANG C J,YOOK M J,PARK H R,et al. Evaluation of maximum potential gene flow from herbicide resistant Brassica napus to its male sterile relatives under open and wind pollination conditions[J]. Science of the Total Environment,2018,634:821-830
[22]ZHANG C J,YOOK M J,PARK H R,et al. Assessment of potential environmental risks of transgene flow in smallholder farming systems in Asia:Brassica napus as a case study in Korea[J]. Science of the Total Environment,2018,640-641:688-695
[23]HOYLE M,HAYTER K,CRESSWELL J E. Effect of pollinator abundance on self-fertilization and gene flow:application to GM canola[J]. Ecological Applications,2007,17:2123-2135
[24]RONG J,LU B R,SONG Z P. Dramatic reduction of crop-to-crop gene flow within a short distance from transgenic rice fields[J]. New Phytologist,2007,173(2):346-353
[25]吳光安,尹園園,陳浩,等. 地熊蜂和意大利蜜蜂為設(shè)施藍(lán)莓授粉效果比較研究[J]. 中國(guó)蜂業(yè),2019,70(9):68-70
[26]黃訓(xùn)兵,李輝,陳浩,等. 熊蜂授粉對(duì)北方冬季溫室不同品種番茄品質(zhì)的影響[J]. 北方園藝,2022(4):56-61
[27]郭媛,宋卓琴,張旭鳳,等. 西方蜜蜂和地熊蜂為紫花苜蓿授粉效果比較[J]. 應(yīng)用昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),2017,54(6):1008-1014
[28]GOGGI A S,LOPEZ-SANCHEZ H,CARAGEA P,et al. Gene flow in maize fields with different local pollen densities[J]. International Journal of Biometeorology,2007,51(6):493-503
[29]CHEN L J,LEE D S,SONG Z P,et al. Gene flow from cultivated rice (Oryza sativa) to its weedy and wild relatives[J]. Annals of Botany,2004,93(1):67-73
[30]RIEBEN S,KALININA O,SCHMID B,et al. Gene flow in genetically modified wheat[J]. Plos One,2011,6(12):e29730
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