意大利蜜蜂辅助绿豆不育系杂交授粉行为研究

周颖 李灵慧 宝雨欣 陈新 袁星星 吴然然 薛晨晨

摘要：绿豆为自花授粉作物，蜜蜂授粉可以大大减轻人工杂交授粉的劳动强度。为高效生产绿豆杂交种，研究意大利蜜蜂对于雄性不育绿豆材料的访花行为以及设施对蜜蜂活动的影响。结果表明，蜜蜂采集花粉时将喙自绿豆花朵龙骨瓣前端探入，同时携带花粉进行辅助授粉。蜜蜂进行采集活动时，更喜欢沿着一列植株飞行采集花粉，异列飞行率仅为9.07%。蜜蜂对于可育花的单花访花时间平均值为14.93 s，对于不育花的单花访花时间平均值为20.38 s;1 min 内，棚1可育花和不育花上进行采集活动的蜜蜂数量平均值分别为4.7、13.65只，棚2可育花和不育花上蜜蜂数量平均值分别为3.9、11.2只。可以看出意蜂更喜欢绿豆不育植株的花朵且访不育花单花时间更长。设施对蜜蜂活动的影响表现为，不覆盖遮阳网棚下活动蜜蜂总量为覆盖遮阳网时活动蜜蜂总量的5.7倍左右，两者差异明显。

关键词：绿豆;意大利蜜蜂;雄性不育;辅助授粉;杂交授粉

中图分类号：S522.035.1 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2021）02-0053-05

收稿日期：2020-04-14

基金项目：国家食用豆产业技术体系生物防治与综合防控岗位科学家项目（编号：CARS-08-G15）;江苏特粮特经产业技术体系集成创新中心项目（编号：JATS[2018]255）;江苏省科技支撑计划（编号：BE2016327）。

作者简介：周颖（1995—），女，江苏靖江人，硕士研究生，主要从事绿豆遗传育种研究。E-mail：171117321@qq.com。

通信作者：薛晨晨，博士，助理研究员，主要从事豆类遗传育种研究。E-mail：xuecc@jaas.ac.cn。

绿豆（Vigna radiate L.）作为我国的主要食用豆类作物之一，因含有丰富的维生素和矿物质、膳食纤维[1]，而广受大众消费者的喜爱;又由于绿豆可以通过其根部的根瘤菌进行固氮，而十分有利于改善土壤的肥力[2]。绿豆是已知的自花授粉作物，因其闭花授粉所以导致天然异交率极低。绿豆花是蝶形花冠，而且柱头盘曲，因此按常规杂交技术进行杂交的结实率也相当低[3]。目前，杂种优势的利用是已知的提高作物产量的有效途径，在自花传粉的作物之中，水稻就很好地利用了杂种优势，杂交稻的產量比常规稻一般能够增产10%～20%[4]。Chen 等用来自泰国的绿豆品种（KPS1和KPS2）和韩国的绿豆品种（Korea7）等为亲本进行人工授粉，发现在不同组合配制中，杂交种产量最高可高于40%的超亲优势[5]。杂种优势确实不可低估，但由于近年来劳动力的成本成倍增长，人工授粉制种成本也随之越来越高。因此当前作物杂交制种的重要前提，就是通过降低作物制种成本来提高杂交制种的产量。在作物的杂交制种过程中，利用不育系作为亲本的三系杂交更是省去了去雄过程，所以能够很好地降低制种成本。但如果单纯采用人工授粉方式进行杂交制种，所生产的杂交种子成本仍然较高。而在非人工授粉方式中，蜂类是已知的一种很好的传粉媒介，它们的食物源头就是植物的花粉和花蜜。在作物杂交制种的过程中，已经在瓜果蔬菜[6-9]、农林作物[10-12]等授粉研究中开展了一定成效的应用。

蜜蜂属于高级社会性昆虫，个体较小，但群体大且生命力强，进化程度高，信息交流系统灵敏，在维持生物多样性以及提高农业生产力方面发挥着重要作用[13]。蜜蜂的形态学结构十分特殊，除了周身密生绒毛外，绒毛还呈分叉状更有利于其采蜜时黏附花粉粒;蜜蜂的足还具有花粉刷、花粉栉、花粉耙和花粉筐等特殊花粉采集和携带结构[14]。蜜蜂是社会性的群居昆虫，个体小但总体数量庞大，其群体内的合作与分工决定了它在杂交育种工作里不可被其他授粉昆虫替代的地位。同时，蜜蜂的特性决定了它对于同种植物的授粉非常有利，因为蜜蜂在每次出巢时仅采集同一种植物的花粉及花蜜，因此在采集专一性上与别的授粉昆虫相比更具有优势[15]。由此可见，蜜蜂是自然界中最理想的授粉昆虫。人类饲养蜜蜂已有超过数千年的历史，人工繁育技术已十分成熟，蜂箱、巢础和分蜜机的发明也标志养蜂业进入现代化，授粉蜂群的快速培育很好地满足了大规模种植农作物的授粉需求。蜜蜂授粉较人工授粉的优势是经济效益好，既可以节省劳动力，又能够提高结荚数和产量。如果平时的管理较好，蜂群还可以继续保存下来，并不影响其后期的生产生活。在现在的蜜蜂养殖条件下，蜜蜂的转运是一件很容易的事情，只需等蜜蜂归巢了就可以把它装运到需要授粉的场地。意大利蜜蜂（Apis  millifera Ligustica Spinola）（以下简称为“意蜂”），自 20 世纪初引入我国，现已成为我国主要的饲养蜂种[16]。目前意蜂是我国应用最为广泛的蜂种，在我国的设施果菜授粉中也是应用最早的蜂种。本研究于2019年6—9月在江苏省农业科学院六合动物科学基地进行意大利蜜蜂辅助绿豆不育系杂交授粉行为的研究，探讨意蜂在绿豆杂交授粉中的访花行为以及活动特性，以期为将来蜜蜂辅助绿豆杂交授粉提供相应的理论基础。

1材料与方法

1.1试验材料

试验于2019年4月15日在江苏省农业科学院六合动物科学基地温室内进行。供试绿豆品种为中绿5号、冀绿7号以及绿豆雄性不育系品种（雌蕊可育、雄蕊败育），均由江苏省农业科学院经济作物研究所提供;授粉蜜蜂为意大利蜜蜂（1脾/棚），由安徽省宁国市方塘乡十组养蜂户黄和福坊提供。

1.2试验方法

在同一基地的温室内选择长势一致、生长状态良好的中绿5号、冀绿7号植株以及不育系品种植株，分别将其移栽到2个温室内，一个温室加盖遮阳网，另一温室不加遮阳网，每个温室分为2个大小一致的小区（分别为棚1、棚2、棚3、棚4，其中棚1与棚2是重复，棚3与棚4是重复），每个小区用尼龙网隔开，避免外界昆虫进入。小区长16 m、宽4 m、高4 m，温室内绿豆栽培采用起垄栽培，每个小区中间种植不育系品种绿豆20株，两侧种植中绿5号和冀绿7号，每个小区80株。蜂箱放置在中间垄上，重复2次。试验期间不打任何农药且不采取其他授粉方式。

1.3测定项目及方法

1.3.1蜜蜂访花行为访花路线：蜜蜂由一株飞向下一株记1次访花路线次数，分别在08：00、12：00、18：00时随机选定1只正在采集活动中的蜜蜂，并观察它之后的20次蜜蜂访花路线中异列访花的次数。

访花时间：即访花持续时间，是指落在一朵花上至离开的时间。任选处于采集活动中的单只蜜蜂，从其落定到花上开始用计时器计时，至该蜜蜂离开花朵时停止计时。

1.3.2可育花与不育花对蜜蜂的吸引度在对蜜蜂的吸引度用1 min内蜜蜂数量表示。用计时器计时，于观察到第1只蜜蜂时开始计时，分别在同一时间观察1 min内所有可育株与不育株上的蜜蜂数量。

1.3.3设施对蜜蜂活动的影响分别记录1周时间内在 08：00、18：00时覆盖遮阳网棚与不覆盖遮阳网棚中活动蜜蜂的总数。当蜜蜂较多时采用抽样法计算蜜蜂活动总数，随机选取5个1 m2的小区，观察每个小区中的蜜蜂数量，最后总数乘以12得出每个棚的蜜蜂活动总数（试验面积均为60 m2）。

1.4数据处理

试验数据采用Excel 2016软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1蜜蜂访花行为

每次随机统计20次蜜蜂飞行路线中异列飞行的次数见表1，从试验结果来看，在随机的时间与地点下统计的蜜蜂的访花路线均很少出现异列访花的行为，蜜蜂更喜欢沿着一列种植的绿豆植株飞行进行采集活动，总体来看蜜蜂飞行路线出现异列访花行为的概率为10.56%。

表1蜜蜂访花路线

处理时间异列飞行次数重复1重复2重复3棚1（无遮阳）08：0021212：0043118：00031棚2（无遮阳）08：0042312：0020118：00524棚3（遮阳）08：0015212：0031418：00221棚4（遮阳）08：0021212：0031118：00221

由图1可以看出，蜜蜂对于可育花和不育花的访花时间存在较大差异。通过访花的平均时间可以知道，蜜蜂对不育花的访花平均时间为 20.38 s，而蜜蜂对于可育花的平均访花时间只有14.93 s，蜜蜂对于不育花的访花时间明显更长。蜜蜂对于不育花的访花时间最大值明显高于可育花的访花时间的最大值，蜜蜂对于不育花的访花时间最大值为53 s，蜜蜂对于可育花的访花时间最大仅为31 s。由图1可知，蜜蜂对可育花和不育花的单花访花时间均为10～20 s区间内占比最大，均超过了总数的40%，由此可知，蜜蜂在采集活动中更加偏爱不育花。在观察蜜蜂对于花粉采集过程中，蜜蜂表现出较强的“掠夺式”采集，对单花采食的专一性较差，但是更有利于花粉的传播，提高授粉成功率;在试验过程中还观察到，由于绿豆花朵的严密包合结构，蜜蜂只能伸出前面的喙，通过绿豆龍骨瓣前端试图采集花粉。

2.2遮阳网对蜜蜂活动的影响

由表2可以看出，是否遮盖遮阳网对蜜蜂的活动存在明显影响，通过对08：00和18：00统计的4个棚中活动蜜蜂的总数情况来看，无遮阳网棚内活动蜜蜂的总数远远超过有遮阳网的活动蜜蜂数量。在无遮阳的情况下，08：00的单棚活动蜜蜂总数平均值为34.07只，18：00的单棚活动蜜蜂总数平均值为34.50只;而在遮阴情况下，08：00的单棚活动蜜蜂总数平均值为5.64只，18：00单棚活动蜜蜂总数为6.36只。不覆盖遮阳网棚下活动蜜蜂总量为遮阴处理下的5.7倍左右，两者差异明显。表2活动蜜蜂总数统计

处理活动蜜蜂数量（只）星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期日8：0018：00 8：0018：008：0018：008：0018：008：0018：008：0018：008：0018：00棚12127366036274836272660602324棚22436233621233636363060362626棚347511107357868114棚4752133452336775

2.3可育花和不育花对蜜蜂的吸引度

由试验结果可以看出，不育花相对于可育花更加吸引蜜蜂进行采集活动，本试验统计了每天 08：00 时1 min内所有可育花和不育花上进行采集活动的蜜蜂总数，并以此为标准表示可育花和不育花对蜜蜂的吸引度。棚1为无遮阳条件下所调查的不育株和可育株1 min内蜜蜂数量，从图2可以明显看出，不育花上的蜜蜂数量高于可育花上的蜜蜂数量，可育花1 min内蜜蜂数量平均值为4.7只，而不育花 1 min 内蜜蜂数量平均值为13.65只。

棚2为相同条件下所做重复试验，从图3可以看出棚2与棚1的结果类似，棚2中可育花1 min内蜜蜂数量平均值为3.9只，不育花1 min内蜜蜂数量平均值为11.2只，同样说明不育花相对于可育花更能吸引蜜蜂进行采集活动。

3讨论与结论

3.1蜜蜂辅助绿豆授粉的可行性

蜜蜂辅助绿豆授粉目前尚未有明确的文献报道，由于绿豆的蝶形花冠和盘曲的柱头等特点，使得常规的去雄、授粉的杂交结实率相当低[3]。本试验在观察蜜蜂授粉的时候发现绿豆花朵对于蜜蜂有一定吸引力，且蜜蜂授粉相对于人工杂交的优势在于不会破坏绿豆花朵的完整性与微环境，杂交成功率会有相应的提高。但由于绿豆花朵严密的花结构，蜜蜂采集活动非常受限，但目前笔者所在课题组已发现绿豆花开张的变异品种[17]，结合雄性不育的特性，在以后蜜蜂辅助绿豆的杂交授粉非常具有可行性，并且可以大大节省劳动力。

3.2不同蜂种的选择对杂交授粉的影响

不同的蜂种对蜜源的要求和利用有所差异，所以不同杂交授粉也应选择最佳的蜂种。唐茜等发现，蓝莓杂交授粉选择熊蜂比较好，熊蜂的出巢温度、起始访花温度显著低于蜜蜂，访花效率及平均日工作时间显著高于蜜蜂，熊蜂授粉后的蓝莓单果质量及纵横径均显著高于蜜蜂授粉后的果实[18]。而在棉花杂交授粉中，吴翠翠等发现更应该选择蜜蜂，壁蜂授粉的空果枝数高于蜜蜂授粉，蜜蜂授粉在铃数上高于壁蜂授粉[19]。目前国内人工饲养的蜜蜂品种主要为意大利蜜蜂和中华蜜蜂，意大利蜜蜂群势强、个体大，对地势平缓的大宗蜜粉源表现出较强的采集力;而中华蜜蜂个体稍小、飞翔快、嗅觉灵敏、出巢勤奋，能有效地利用小宗蜜粉源。并且在出勤时间上，中华蜜蜂较意大利蜜蜂出勤早，中华蜜蜂大量出勤时间在09：00 左右，意大利蜜蜂约晚1 h，在10：00 左右[20]。黑龙江省蚕蜂技术指导站研究表明，利用意大利蜜蜂授粉能有效提升大豆产量，增加大豆百粒质量[21]。李卓航等的研究结果表明，在30 ℃左右意大利蜜蜂出巢、归巢达到高峰，说明该温度下蜜蜂活动积极，持续高温会对意蜂出巢活动造成抑制，表现为14：00—15：00 意大利蜜蜂出巢数量急剧下降，已出巢意蜂也开始大量归巢，说明设施内持续高温不适合意大利蜜蜂出巢活动[22]。而绿豆人工授粉则最好在06：00—09：00，父本适宜采粉的花较多，花粉质量好[23]。因此本研究涉及的试验测量均为早晚蜜蜂活动情况。本试验所采用的为意大利蜜蜂，从杂交授粉结果来看，成功率不是非常理想。而在一些其他作物如苹果上关于蜜蜂的辅助杂交授粉的结果来看，中华蜜蜂与意大利蜜蜂相比较，意大利蜜蜂授粉坐果率略低于中华蜜蜂，果实糖度低 0.1[24]。因此在未来的绿豆杂交蜜蜂辅助授粉上对于蜂种的选择应该继续做进一步的研究。

3.3设施因素对于意大利蜜蜂活动的影响

本试验是在塑料温室内加盖遮阳网进行的，设施环境对于蜜蜂的活动将会产生一定的影响，李卓航等发现设施温度、湿度、光照均对蜜蜂出归巢采集活动造成影响，其中，温度影响最大，其次是湿度，光照对蜜蜂出巢影响最小，且温度越高蜜蜂活动量越大，湿度越高蜜蜂活动量越小[22]。因此，可以在温室内安装调节温湿度的仪器，提高蜜蜂的活动量，增加蜜蜂授粉的概率。

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