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分 子植物育种 2021 年 第 19 卷 第 19 期 第 6551 6556 页 Molecular Plant Breeding 2021 Vol 19 No 19 6551 6556 研究报告 Research Report 不同授粉方式对草莓生理和果实品质的影响 苑智华 乌兰察布职业学院 乌兰察布 012000 通信作者 k0588r 摘 要 动物授粉可以提高产量并提高果实品质 但昆虫授粉对收获前和收获后果实生理和品质的影响在 很大程度上是未知的 本研究分析了自花授粉 开放授粉和人工授粉对草莓发育的生理反应和果实品质的 影响 研究显示 自花授粉的草莓种子座果率低 31 3 植物激素生长素浓度降低 畸形果实较多 62 1 果实最小且最轻 但开放和人工授粉的草莓大小和重量无显著差异 开放式和人工授粉的草莓的 IAA 浓度 显著较高 自花授粉的果实表现出较高的糖 8 1 总可溶性固形物 和较低的可滴定酸浓度 0 7 较高的 pH 值 3 5 较高的糖酸比例 9 7 与开放授粉相比 7 5 和 0 8 人工授粉导致水果糖含量更低 6 8 酸含量更高 0 9 本研究认为 通过昆虫授粉可改善草莓果实的植物激素表达 提高果实品质 有助于减 少作物损失 关键词 草莓 自花授粉 人工授粉 开放授粉 昆虫授粉 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 本研究由内蒙古自治区高等学校科学研究项目 NJZY19331 资助 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 苑智华 2021 不同授粉方式对草莓生理和 果实品质的影响 分子植物育种 19 19 6551 6556 基金项目 引用格式 分 子植物育种 Molecular Plant Breeding 据报道 全球约 35 的作物通过动物授粉进行 开花结实 Klein et al 2007 世界人口的指数增长和 全球粮食需求的增加导致农业生产的集约化 这带 来了传粉媒介的损失风险 Garibaldi and Daily 2011 昆虫传粉不足导致种子结实和作物产量降低 这些 产量损失主要来源于未发育的水果和果实形变 Svensson 2015 只有少数研究报道授粉效果可改 善作物质量参数 如授粉可增加甜瓜中的糖和酸含 量 增加油菜中含油量 降低叶绿素含量 改善苹果 的大小和形状 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 用于测试授粉对作物数量和质量的影响 Bommarco et al 2012 且草莓在世界各地已被商业 化种植 Klatt 等 2014 报道 蜜蜂授粉对草莓品质和 存活率的改善贡献了 14 4 亿美元的盈利 这种影响 是由昆虫授粉对果实的形状和大小的改善引起的 昆虫传粉使草莓花朵的受精得到改善 从而增加了受精 瘦果的数量 Cherian et al 2014 昆虫授粉除了大小 和形状外 还可以增强果实的颜色 质地和酸度 Klatt etal 2014 这些质量方面在果实发育和成熟过程中会 发生显著变化 并被认为是受植物激素的驱动 非跃变型草莓果实的生长和成熟过程主要由生 长素控制 如吲哚乙酸 IAA 赤霉酸 GA 脱落酸 ABA 油菜素内酯和乙烯等 Cherian et al 2014 据 推测 受精瘦果将 IAA 释放到花托中 促进果实膨大 Symons et al 2012 当后期果实发育过程中 IAA 浓 度下降时 果实进入开始成熟过程 然后在果实发育 和成熟后期加速 ABA 和乙烯的合成 Cherian et al 2014 然而 授粉决定果实发育 植物激素表达和果 实生长和品质的机制迄今尚未知晓 草莓成熟的特点是红色 花色甙形成 软化和可 溶性糖 蔗糖 果糖和葡萄糖 和有机酸 柠檬酸 苹果 酸和抗坏血酸 的积累 除了芳香化合物之外 糖和 酸之间的比例是影响草莓果实风味的重要质量参 数 果实的硬度有助于延长保质期和缩短成熟期 并 且主要受到细胞壁成分和含水量和膨化的影响 草 莓果实被列为高度易腐水果因为储存能力非常有 限 果实的变形程度不同 这被认为是授粉限制的间 接指标 然而 授粉限制保存期限的效果尚未直接在 来自不同授粉处理的果实的储存试验中进行测试 因此 本研究分析了果实生长和成熟过程中昆 虫授粉对植物激素驱动的草莓品质的影响 另外 还 研究了成熟果实的耐储存性 适销性和商业价值 为 了保证授粉成功 进行了 3 种授粉处理 自主自花授 粉 开放授粉和人工授粉 具有基因相同的花粉 将 自主 开放式和人工授粉的成熟果实接种草莓灰霉 菌 Botrytis cinerea 以在标准条件下分析授粉对果 实的直接作用 1 结果与分析 1 1 草莓座果率和畸形率 不同授粉处理之间座果率显著不同 表 1 由自 花授粉产生的果实与由人工授粉和开放授粉产生的 果实相比 显示出较低的座果率 与开放式授粉相 比 人工授粉更加高效 座果率高达 43 5 P 0 05 只考虑成熟的水果 人工授粉导致最好的果实形状 最小畸形率 23 4 自花授粉导致 62 1 的畸形果 实 然后是开放式授粉 畸形率超过 50 从各个发 育阶段的果实目视检查发现 畸形在白色发育阶段 是可见的 在红色发育阶段变得更明显 而绿色果实 一般形状正常 图 1 此外 成熟果实的果实畸形与 座果率负相关 表 1 1 2 果实发育物理参数 果实的生长和成熟受到多种因素影响 自花授 粉的果实在所有发育阶段都是最小和最轻的 图 1 在白色和红色的发展阶段 尺寸和重量的差异尤其 明显 但开放和人工授粉的草莓大小和重量无显著 差异 果实颜色 数值 绿到红的颜色强度 不仅受发 育阶段的影响 授粉处理也影响着色 自花授粉产生 颜色最强烈的红色果实 图 1 然而 在早期的果实 表 1 不同授粉类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 授粉类型 Pollination type 自花授粉 Self pollination 开放授粉 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 不同小写字母表示差异显著 P 0 05 Note Different lowercase letters indicate significant difference P 0 05 6552 发 育中 自花授粉导致最低强度的绿色 然而 不同 授粉处理对果实硬度无显著影响 图 1 1 3 果实植物激素含量 与自花授粉相比 开放式和人工授粉的草莓的 IAA 浓度显著较高 成熟果实中 IAA 含量没有显著 差异 IAA 浓度在开放和人工授粉的果实发育过程 中下降 而在自花授粉的果实中其 IAA 浓度始终较 低 成熟 红色 果实中 ABA 浓度显著增加 观察时没 图 2 草莓吲哚乙酸 IAA 和脱落酸 ABA 含量 注 S 自花授粉 O 开放授粉 A 人工授粉 G 绿色 R 红色 W 白色 不同小写字母表示差异显著 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 不同授粉方式对草莓生理和果实品质的影响 Effects of Different Pollination Methods on Physiology and Fruit Quality of Strawberry Fragaria ananassa Duch 有发现不同授粉方式对 ABA 含量的影响 图 2 1 4 成熟草莓的风味参数 授粉处理显著影响成熟果实的糖和酸浓度 图 3 自花授粉的果实表现出较高的糖 8 1 总可 溶性固形物 和较低的可滴定酸浓度 0 7 较高的 pH 值 3 5 因此显著高于糖酸比例 9 7 与开放授 粉相比 7 5 和 0 8 人工授粉导致水果糖含量更 低 6 8 酸含量更高 0 9 图 1 不同生长阶段和授粉方式的草莓物理参数 注 S 自花授粉 O 开放授粉 A 人工授粉 G 绿色 R 红色 W 白色 不同小写字母表示差异显著 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 子植物育种 Molecular Plant Breeding 2 讨论 本研究显示 开放和人工授粉可提高植物激素 吲哚乙酸的产量 并且提高水果外观和风味品质 由 于开放授粉的效应可以认为主要是由昆虫驱动的 Klatt et al 2014 我们认为昆虫授粉对于植物激素 促进果实产量的提高是至关重要的 值得指出的是 花粉粒在所有接受柱头上的均匀分布对定期的果实 发育至关重要 因此质量和产量增加 昆虫授粉对油 菜 甜瓜 苹果等田间作物的产量和品质的正面影响 也得到了证实 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导致种子结实增加的 情况下 开放授粉不能排除来自其他花粉的异花授 粉的影响 然而 人工授粉比开放授粉更有效的趋势 可以解释为测试花期开花期间缺乏蜜蜂活动 导致 花粉授粉不足 推测蜜蜂授粉对开放授粉花的座果 影响比风具有更强的作用 Klatt et al 2014 花粉粒 在整个接受柱头上的分布对果实发育非常重要 从 而防止果实畸形 除花粉分布均匀外 Winfree 等 2011 发现 在西瓜生长过程中 每个柱头的花粉粒 数量对座果是非常重要的 因此 果实中的畸形可以 通过花粉分布的均匀性和满足花粉粒 花柱的阈值的 相互作用来解释 自花授粉果实的生长最低可能是内源生长素浓 度的差异造成的 Nakamura 等 1998 用合成生长素 2 4 二氯苯氧乙酸 处理草莓的细胞悬液 发现较低 的生长素浓度高度抑制了细胞生长 基于这一发现 Klatt 等 2014 认为开放授粉的高座果率和相关的生 长素浓度增加导致较果实的成熟 然而 本研究无法 明确验证授粉对果实成熟度的影响 特别是在果实 成熟时 与自花授粉相比 与传粉处理有关的果实外观 形状 重量 大小和颜色 的差异可以解释为在人工 授粉后早期果实发育期间内源 IAA 浓度的升高 一 般来说 IAA 浓度在果实发育过程中下降 较低的座 果率可以解释自花授粉的 IAA 浓度始终较低的原 因 如果不是草莓果实的所有瘦果都被授粉 授粉限 制将导致果实畸形 Symons et al 2012 因此 授粉 驱动的 IAA 浓度差异主要是由自花授粉引起的畸形 果实比例较高所致 除了酚类物质和香气特定的挥发物之外 已知 糖和酸的浓度对于草莓风味和品质是必不可少的 授粉处理显著影响糖和酸浓度 在之前的实验中已 经观察到自花授粉果实的较高糖酸比例 Klatt et al 2014 人工授粉的果实与开放式授粉相比 更低的 糖和更高的酸含量可能源于授粉驱动的果实成熟过 程中的变化 因为人工授粉的果实达到了受精瘦果 的最高数量 表现出平衡的糖酸比例的果实通常受 到消费者的青睐 草莓果实的糖含量最好在 7 10 之间 pH 值应低于 3 7 糖酸比为 7 1 左右 参照这些 指导水平 自花授粉的果实会表现出最好的香味 然 而 考虑到糖和酸的平均含量 人工和开放式授粉所 产生的果实会接近定义的糖酸比 尽管如此 来自手 工和开放授粉的果实可能会比自我授粉所产生的果 实更能够满足消费者的期望 当然 这应该通过感官 测试来验证 总之 授粉类型对草莓果实中座果率和植物激 素 IAA 水平有直接影响 开放授粉和人工授粉改善 水果的外观是由 IAA 浓度增加所致 因此 通过授粉 图 3 成熟红草莓的风味参数 注 不同小写字母表示差异显著 P 0 05 Figure 3 Flavor parameters of mature red strawberry Note Different lowercase letters indicate significant difference P 0 05 6554 昆 虫可改善草莓果实的植物激素表达和风味 授粉 方式对果实发育的生理影响是至关重要的 农业系 统中的自然授粉不仅对果实产量至关重要 而且对 于果实发育 果实品质和生理过程也是必不可少的 昆虫授粉对作物产量和品质具有正面影响 综上 农 业系统中的昆虫授粉可以有助于减少作物损失 并 有助于满足全球粮食需求 3 材料与方法 3 1 实验方法 本研究在本单位附近的一个开放的草莓田进 行 2014 年 该地种植了 童子一号 草莓 50 行 行距 约 80 cm 2017 年未受精 此外 授粉动物为意大利 蜜蜂 2017 年 3 月至 7 月期间进行了田间工作 杀菌 剂应用 授粉处理 传粉者评估和采样等 将自主自花授粉 人工授粉和开放授粉 3 种授 粉处理应用于实验草莓植株 为了使自花授粉和人工 授粉能够进行 花蕾用 Osmolux 塑料袋覆盖 塑料袋 可以透过水蒸气进行小气候交换 同时可以防止风 媒和异花授粉 此外 在开花期间用相同花粉进行人 工授粉 使用刷子 在所有柱头不能接受花粉后取出 塑料袋 开放授粉的植物不进行套袋处理以允许通 过昆虫和风进行异花授粉 授粉处理分 3 个种植小 区进行 这些种植小区位于一个中心行 彼此之间距 离为 20 m 距离种植地边缘最小距离为 15 m 另外 种植小区与种植地边缘的距离至少为 15 m 以避免 边缘效应 小区长度分别为 6m 并在每个小区相互隔 开 1 m 每种授粉处理 50 株植物并贴上标签和注 明花期 共计 450 株草莓 采集未发生真菌感染的 草莓果实 并收获 3 个发育阶段 绿色 白色和红 色 的果实 3 2 果实物理参数 分别随机选取 30 株草莓在盛花期统计每枝上 的花量 落花后半个月后统计座果数量 每隔 1 周统 计 1 次 直到果实成熟为止 并计算不同时期座果数 量 在收获期间或收获后 8 h 内测果实的大小 重量 和颜色 水果大小由游标卡尺确定 在没有花梗和萼 片的情况下测量鲜重 对于果实颜色 用 CR 410 便 携式比色计 Konica Minolta 记录颜色 采用质构仪 TxT2 英国 SMS 公司 测量果实的硬度 该测试仪配 备了一个 25 kg 的压缩室和一个直径 5 mm 的探头 并配有 4 mm 的水果穿透深度 3 3 果实生理参数 在每组中随机取 10 个成熟果实中测定总可溶 性固体 糖 可滴定酸 pH 值和受精瘦果数 种子结 实 并用 Taurus Robot 300 浸入式搅拌器 Braun 进 行均质化 随后 将子样品以 7000r min 离心 10min 测定上清液 pH 值 糖和酸浓度 糖浓度 通过 HRO 32 手持式折射计 Kr ss 测定 通过德国 WTW Inolab pH level 1 酸碱度计分析上清液的 pH 值 根 据 Caner 等 2008 的方法确定酸浓度 用 20 mL 蒸馏 水稀释 3mL 上清液 酸浓度 是用 0 1 N NaOH 通 过 TitroLine 96 自动滴定仪 Schott 基于滴定开始至 滴定终点 pH 值 8 1 后的柠檬酸的毫当量因子 meq 0 064 meq 计算的 糖酸比通过用糖浓度除糖来计 算 然后 子样品 包括沉淀物和上清液 重新统一以 确定受精瘦果的数量 受精瘦果由于不同的沉淀能 力而从未受精的瘦果中分离出来 可用自动化的种 子计数器计数 Pfeuffer 3 4 激素 在对不同发育阶段 自花授粉 123 果实 人工授 粉 157 果实 开放授粉 142 果实 的果实进行颜色 大小 重量和硬度的评估后 样品储存于 80 直至 冷冻干燥和研磨 对于植物激素分析 IAA 和 ABA 将 0 8 mL 提取溶液 20 甲醇 79 蒸馏水和 1 乙 酸 加入到 50 mg 研磨样品中 将提取物涡旋并振 荡 45min 加入 0 8 mL 乙醚后 将样品在冰上振荡 30 min 通过离心 13 000 r min 5 min 分离上乙醚相 并重复用乙醚萃取 合并有机级分 真空蒸发至干燥 30 下 30 min 并将残余物储存于 20 在分析 之前 将样品溶于含有 200 L 7 mmol L 乙酸的甲醇 水 1 1 溶液中 并以 12000r min 离心 5min 以除去 未溶解的物质 将植物激素在 40 的反相柱 Po laris C18 Ether 100 2 mm 3 m Agilent 上分离 其 用水 甲醇梯度洗脱 流速为 0 2 mL min 在负离子模 式下电喷雾电离后 使用 LC1 200 三重四极杆质谱 仪 Varian Darmstadt 对植物激素进行定量分析 对于 统计分析 低于定量限的 IAA 浓度被视为定量限 LOQ 的一半 低于检测限 LOD 的浓度设置为零 IAA 的 LOQ 和 LOD 分别为 30 和 20 ng g 干物质 ABA 的 LOQ 和 LOD 分别为 10 和 5 ng g 干物质 3 5 统计分析 采用 SPSS 17 0 软件进行统计分析 结果以平均 值 标准差表示 组间比较采用单因素方差分析 LSD 检验 P 0 05 表示差异具有统计学意义 不同授粉方式对草莓生理和果实品质的影响 Effects of Different Pollination Methods on Physiology and Fruit Quality of Strawberry Fragaria ananassa Duch 6555 分 子植物育种 Molecular Plant Breeding 作者贡献 苑智华是本研究的实验设计者和实验研究的执 行人 数据分析 论文初稿的写作与修改 作者已阅 读并同意最终的文本 致谢 本研究由内蒙古自治区高等学校科学研究项目 NJZY19331 资助 参考文献 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 fruit ripening a cross dissection of climacteric versus non climacteric fruit J Exp Bot 65 17 4705 Garibaldi L A and Daily G C 2011 Global growth and stability of agricultural yield decrease with pollinator de pendence Proc Natl Acad Sci USA 108 14 5909 5914 Garratt M P Breeze T D Jenner N Polce C Biesmeijer J C and Potts S G 2014 Avoiding a bad apple Insect pollina tion enhances fruit quality and economic value Agric Ecosyst Environ 184 100 34 Klatt B K Holzschuh A Westphal C Clough Y and Tscharn tke T 2014 Bee 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