云南金平阳春砂仁开花特性与授粉昆虫的研究

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目的:阳春砂仁(Amomum viloosum Lour.)隶属姜科(Zingiberaceae)豆蔻属(Amomum),是多年生草本植物[1]。阳春砂仁是我国四大南药之一,应用历史悠久,其干燥成熟果实有化湿开胃,温脾止泻,理气安胎的功效[2]。现代医学发现砂仁还有降脂、降糖、抗氧化,促进雌激素分泌等作用[2]。砂仁为中国传统大宗常用药材,每年市场需求量估计超过2.2×106 kg[3]。但阳春砂仁的总产量和单产量都较低,原因是阳春砂仁具有特殊的繁殖器官结构,在自然状态下仅有10%左右的结实率,亩产干果不足10kg[4],阳春砂仁市场一直处于供不应求的状态,如何提高砂仁单产量是解决这一市场矛盾的关键性问题。金平县地处云南省红河州南部,生态环境优良,自然气候适宜砂仁生长,云南中医学院南药研究协同创新中心在此建立了阳春砂仁生态集约化种植示范基地,针对性开展关于南药砂仁的全面性研究工作。本实验主要通过对该地区阳春砂仁的开花特性与主要授粉昆虫相结合研究,探寻二者在砂仁授粉方面的联系,以期找到提高砂仁结实率的方法,为当地药农脱贫增收引入新的方式,为阳春砂仁增产和推广扩大化种植提供科学依据。方法:采用观察法和录像追踪法对砂仁花进行观测,记录每日每个花序中单花开放数量、开放顺序、开放时间及开放过程中的形态变化,探索砂仁花序内小花开放规律以及小花数量与花序花期之间的关系。采用培养液萌发法对砂仁花粉粒进行萌发实验,采用MTS法对砂仁柱头进行可授性实验,分析花粉萌发情况与柱头可授性在一日内随时间变化的联系,找到最佳授粉时间段。采用观察法和录像追踪法对砂仁授粉昆虫进行观察,通过访花频率找到主要授粉昆虫,分析其授粉行为。再结合细胞计数分析仪清数出的蜂携粉量进一步确定最为优势的传粉昆虫。人工选取大蜜蜂授粉后的砂仁花,探寻不同授粉下的结实率。采用动态顶空吸附法收集砂仁花释放的挥发物,采用GC-MS方法对收集的化合物进行分析以得到砂仁授粉前后释放的挥发物类别及含量变化,探寻吸引大蜜蜂授粉的主要挥发物质。采用人工授粉方法探求不同授粉情况下砂仁果产量及主要挥发性成分的变化情况,为说明人工授粉的可行性提供科学依据。结果:(1)掌握了该地区阳春砂仁开花规律云南金平县砂仁盛花期从5月初至6月中旬。每个花序每天开放的砂仁小花数为1-5朵,其中开1朵的最多。每个花序开放小花8-13朵,每朵小花的花期通常为一天,整个花序的花期持续8-15 d。小花朵数与花期长度呈线性关系,且阴雨天气对小花开放有明显影响。(2)得到了金平阳春砂仁花粉萌发力及柱头可授性之间的关系采用花粉萌发液培养法和MTS柱头可授性鉴定法进行实验,结果显示阳春砂仁的花粉萌发力在14:00达到最佳,柱头可授性同样在14:00达到最强。一日开放的砂仁小花,其柱头可授性与花粉萌发随时间变化的趋势相似,两者高峰期相匹配,更有利于保障受精结实。(3)掌握了主要授粉昆虫授粉规律及其与开花特性的关系大蜜蜂(Apis dorsata Fabricius)和东方蜜蜂(Apis cerana Fabricius)是金平县的主要访花昆虫,大蜜蜂的授粉行为更容易使砂仁授粉成功。大蜜蜂最活跃的时间段是11:00-12:00,东方蜜蜂最活跃的时间段是16:00-17:00,当大蜜蜂被的采粉频率降低时,东方蜜蜂的采粉频率逐渐增高。(4)找到了砂仁花在大蜜蜂授粉前后释放出挥发物的成分变化通过GC-MS检测出的砂仁花挥发物成分共分析、鉴定出22种化合物,其中12种为萜烯类化合物、6种为脂肪酸衍生物以及4种芳香族化合物。授粉前后含量有急剧变化的化合物很可能就是吸引砂仁传粉昆虫前来采粉的重要化学线索。若要最终确定是哪几种化合物,还需结合气象色谱—触角电位连用技术(GC-EAD)进一步筛选,并将此化合物在砂仁开花期间投放到砂仁地中进行生态功能验证。(5)比较了主要授粉蜂的携粉能力,探究了携粉力与结实率的关系中午时段的大蜜蜂携粉量最多,平均为54106.64±11084.17(n=20),采粉一次能带走花药内约1/3的花粉量,远超东方蜜蜂的携粉量(7306.56±3440.60,n=20)。大蜜蜂授粉一次的结实率达到30.00%,远超自然状态下的13.33%。(6)为人工授粉在增产和是否影响砂仁品质方面的提供科学依据人工授粉情况下,砂仁结实率平均为26.23%,高于自然状态下的11.58%。人工授粉与自然状态下结出的砂仁种子挥发油得率及主要成分化合物含量之间都没有显著性差异,确定人工授粉短期内对砂仁果品质并无影响。当砂仁花期遭遇低温,阴雨等天气时,可适量进行人工授粉,以保障药农的基本经济收入。结论:综上所述,金平阳春砂仁的花期长短与花序小花数量密切相关,结合其开花特性可以作为判断花期处于何阶段的理论依据。而花粉活力、柱头可授性以及昆虫授粉活动之间存在着一定的联系,大蜜蜂高频率的访花行为以及强大的携粉能力使其拥有很高的传粉效率,要提高砂仁结实率就要有足够的访花昆虫在砂仁花粉和柱头的高接受期进行访花,保护好授粉昆虫——大蜜蜂是解决结实率低等问题的关键,如何吸引更多大蜜蜂前来营巢以增加种群数量将是首要任务。当然大蜜蜂具有迁移性,在授粉昆虫不多或砂仁花期阴雨天气较多的年份可采取人工授粉方式进行补救,以保证药农的基本经济收入。但人工授粉相对于昆虫授粉有很多劣势,找到适宜大蜜蜂扩繁的方法将是推广阳春砂仁生态集约化种植的重要任务。
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