油棕抗寒性研究進展①

程秋如 劉子凡 曾憲海 曾 精

(1 海南大學熱帶作物學院 海南海口 570228;2 中國熱帶農業科學院橡膠研究所/農業農村部儋州油棕種質資源圃 海南海口 571101)

油棕（Elaeis guineensisJacq.）屬棕櫚科油棕屬，通常有兩個種，即非洲油棕（E.guineensis）和美洲油棕（E.oleifera） ，其中非洲油棕是世界上生產效率最高的油料作物，年均產油量達4.27 t/hm2，被美譽為“世界油王”，廣泛栽培于南緯10°至北緯15°的熱帶亞非拉國家和地區。油棕生產期短，一般植后2～3 年開花結果，經濟壽命長達25～30 年，具有單產高、早結果、易撫管、品質好和用途廣等優點。油棕具備承載“食用油安全保障戰略、化石能源有益補充”的重要作用，被廣泛應用于食品、化工、生物柴油等領域［1］。

前期調查表明，我國熱區海南、云南、廣東、廣西、福建5省區均有引種油棕［2］，但冬季低溫降至5～8℃，持續時間達數天，會對油棕生長和結果產生較大影響［3］，威脅著我國油棕產業的健康發展。因此，開展油棕抗寒性研究對發展我國熱帶北緣油棕產業具有現實意義。目前油棕的抗寒性研究取得了一些進展，相關研究成果對培育抗寒高產油棕新品種、發展配套豐產栽培技術以及抗寒分子育種技術等具有重要推動作用。

1 溫度對油棕生長發育的影響

1.1 低溫

低溫是作物生長過程中重要的非生物脅迫因子。我國熱區地處熱帶北緣，熱量比其他油棕主產區都低，并經常遭遇低溫侵襲，尤其是極端低溫，對我國油棕產業的發展造成嚴重威脅。油棕適宜生長的年平均氣溫為25～28℃，氣溫在22℃以上時能正常開花結果，當氣溫低于15℃時油棕停止生長，而低于10℃時，則導致葉片枯爛， 未展心葉畸形生長，花器發育受阻。研究表明，極端最低氣溫對油棕生長發育影響最大，當氣溫降至3℃時，葉片出現嚴重凍壞，果穗敗壞嚴重，個別成齡樹凍死，并出現大量減產［4］。我國自1926年多次引種，經過長期自然引種馴化，抗寒力已提高，并逐漸適應了我國熱區的氣候條件。2008年初中國南方遭受了80 年一遇的持續寒害天氣，期間海南島氣溫比往年偏低5～8℃，曹建華等［3］對海南12 個油棕新品種的抗逆性調查發現，冷害期間油棕無植株死亡，少數葉片受冷害，幼果幾乎全部受害，當年油棕減產約20%，但冷害過后所有油棕都能正常開花結果。2003 年11 月從馬來西亞引進800粒油棕優良品種在西雙版納進行引種試種，3 年后可正常開花，在2008 年最低氣溫降至8～9℃，且持續兩天，對油棕的生長無任何影響［5］。

受全球氣候變暖影響，Sarkar 等［6］預測到2100 年全球氣溫將上升1～4℃，溫度高于最適油棕生長溫度將可能導致減產，從而減少了全球適宜油棕種植的區域，但同時適宜種植油棕的區域將向南北兩極移動，目前的亞熱帶地區，可能會變的有利于油棕生長。

1.2 有效積溫

有效積溫是一個地區固定的熱量資源，是影響作物生長發育的重要因素之一。油棕主產國馬來西亞日平均溫度≥22℃的年有效積溫在9 200℃以上，油棕終年都能開花結果。我國華南地區除海南島南部≥15℃的有效積溫在9 000℃左右［4］，其他地區≥10℃的年有效積溫在5 000～8 000℃，比馬來西亞低很多［7］。

研究表明，有效積溫與油棕的營養生長、產量以及抗寒性顯著相關，對果穗數量（NB）、鮮果實產量（NFF）、果實數量（ANF）、正常果實數量（ANNF）和果穗比（F/B）具有決定影響，有效積溫較高時能提高葉片生長量、果穗數量、果實數量及果穗比，從而提高了油棕的鮮果實產量。此外，年≥10℃的有效積溫與低溫半致死溫度（LT50）呈顯著正相關，較低的有效積溫有利于篩選出抗寒力較強的油棕植株［8-9］。

2 油棕抗寒力的鑒定指標

2.1 生理生化指標

油棕在受到低溫脅迫時，葉片的生理生化指標會發生一系列的變化，以應對不良環境。研究表明，隨溫度的降低，葉片受害指數增加［3，10］，相對含水量下降，但變化不明顯［11］；相對電導率上升［10，12-14］或先下降后上升［15］；丙二醛 （MDA）含量上升［10-11，16］或先下降后上升［14-15］或先上升后下 降［12］； 脯 氨 酸 含 量 升 高［10，16］或 先 升 高 后 下降［12，14-15］；可溶性糖含量上升［11，14-16］或下降［17］；可溶性蛋白含量上升［12，16］或先上升后下降［11，15］；SOD 活性上升［14］或先上升后下降［10，16］或下降［11］；CAT［11，16］、POD［10-11，16］、GR［16］活性先上升后下降；葉綠素含量呈波動變化［12，14］；葉片養分含量氮和磷呈下降趨勢，鉀和鎂呈先降低后升高，銅和鐵含量都比自然溫度處理下低，錳和鋅都比自然溫度處理下高［18］；凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率均下降，胞間CO2濃度先顯著上升后顯著下降，水分利用率和氣孔限制值先上升后下降，葉片熒光參數初始熒光上升，PSⅡ最大光化學效率、光化學猝滅系數、非光化學猝滅系數均下降［19］。不同生理指標對低溫的敏感程度不同，對低溫的忍耐性也存在差異，輕度低溫脅迫可以啟動植物自身的防御能力，引起相關滲透調節物質的積累和抗氧化酶活性的增加，當低溫脅迫超過某一臨界值時，植物本身的防御機能減弱，脯氨酸和可溶性糖的含量以及抗氧化酶的活性降低，活性氧代謝系統受到破壞，最終導致植物細胞受損或死亡［10，15］。

油棕葉片的生理生化指標在低溫脅迫下產生不同程度的變化，能夠初步反映植株對低溫的耐受程度，是評價油棕抗寒性的重要手段。相對電導率、MDA 含量、可溶性糖和脯氨酸含量與油棕的抗寒性密切相關［12，15］，可以作為抗寒評價的參考指標。近年來，許多研究表明，利用電導率結合Logistic 方程求出低溫半致死溫度（LT50）能準確直觀地反映植物抗寒力［13，20］，因此，也被認為是鑒定油棕抗寒性的重要評價指標。由于涉及的生理指標較多，為了更準確科學地評價油棕的抗寒性，需要建立可靠的抗寒性評價體系，為挖掘、篩選和利用優良種質資源提供理論基礎。

2.2 葉片組織形態指標

油棕葉片由表皮、葉肉和葉脈3部分組成，上下表皮均有氣孔、角質層、表皮層和內皮層，與其他禾本科植物一樣，油棕葉片上表皮細胞下方存在泡狀細胞；葉肉由柵欄組織和海綿組織組成，柵欄組織無分化，只有上柵欄組織，上柵欄組織呈山峰狀或柵欄狀排列；中脈多達4～12 個維管束，且形式排列多樣［21］。研究還表明，低溫脅迫時油棕葉片細胞不斷失水，細胞間隙越來越大，柵欄組織細胞變長，海綿組織細胞邊緣越來越不規則，葉片厚度、海綿組織厚度和柵欄組織厚度均逐漸減小，嚴重時幾乎無法區分柵欄組織和海綿組織［22］。Alwee 等［23］研究了油棕開花過程中分生組織的解剖結構的變化。Abe 等［24］用近紅外光譜研究了不同油棕資源在維管束和薄壁組織方面的差異。Luis 等［25］比較了油棕溫室培養的種苗和試管苗在葉片解剖結構的差異，發現兩種環境條件下生長的油棕幼苗的解剖結構基本相似，但試管苗的表皮細胞較薄，葉片的中脈由3～4 條維管束組成，而大棚培育的種子幼苗葉片較厚，葉片的中脈較粗，中央只有1條維管束。

油棕葉片組織形態與抗寒性關系的研究還比較薄弱，目前尚難以通過葉片組織形態指標準確評價油棕的抗寒性。曾憲海等［26］研究認為，葉片上角質層厚度和海綿組織厚度是影響油棕抗寒力（LT50）的重要因素。阮志平［27］比較了布迪椰子、沼地棕和油棕3種棕櫚科植物的葉片解剖結構的差異，研究認為，油棕抗寒性與細胞組織緊密度和細胞組織疏松度不具有相關性，而與是否分化出柵欄組織和海綿組織具有顯著相關性，不耐寒的油棕葉片薄，角質層微弱，表皮薄，海綿組織發達，柵欄組織細胞較長且排列疏松與油棕耐寒性弱有一定的關系。焦云飛［28］比較了廣東、云南、海南、廣西和福建5個地區的油棕葉片解剖結構的特征，研究發現，不同地區油棕種質材料間的組織解剖結構存在顯著差異，認為上下角質層厚的植株具有潛在的抗寒性。曹紅星等［22］研究了不同低溫處理下油棕葉片解剖結構的差異，研究認為，葉片厚度和組織疏松度（SR）在不同低溫處理下變化明顯，可以作為油棕抗寒種質鑒定的結構指標。

3 油棕抗寒分子生物學研究

隨著分子生物學技術的不斷完善發展，對油棕抗寒的研究逐步從生理水平深入到分子水平。近年來，利用生物技術手段，鑒定并克隆了一些與油棕抗寒相關的基因。CBF 轉錄因子屬于AP2 轉錄因子家族，與油棕抗寒相關的3 個CBF1、CBF2和CBF3同源基因己克隆，其DNA 全長分別為700、1 060 和 663 bp［29］。肖勇等［30］采用同源序列法，克隆了3個拷貝的CBF基因，通過Blast比對發現，克隆的CBF基因與NCBI數據庫現有的CBF基因具有很高的同源性。Lei 等［31］基于耐寒轉錄組分析，AP2/ERF 家族成員的CBF 轉錄因子在油棕的耐寒性中發揮至關重要的作用，但CBF信號轉錄調控下游的COR基因的啟動子發生變異，從而不能被CBF誘導。將CBF轉錄因子進一步在轉基因番茄中進行功能驗證，表明CBF/DREB 轉錄因子在油棕的低溫脅迫中起著重要的調節作用，CBF 轉錄因子可能通過調節乙烯信號途徑提高油棕的抗寒能力［32-33］。CBF3轉錄因子介導油棕成熟果實的非生物脅迫反應，也可以充當果實成熟過程相關基因的調節劑［34］。Li等［14］研究了在不同溫度梯度處理下，油棕 各 種 基 因 （COR410，COR413，CBF1，CBF2，CBF3，ICE1-1，ICE1-2，ICE1-4，SIZ1-1，SIZ1-2，ZAT10）的表達水平以及與生理指標之間的相關性，研究發現，CBF與其他基因存在明顯的相關性，尤其在12℃冷處理下，CBF1和CBF3與上游調節因子ICE1和SIZ1之間存在顯著的正相關，在低溫脅迫下，CBF1和CBF2的表達也與可溶性糖和脯氨酸的積累呈正相關。WRKY 轉錄因子在油棕的生長發育和非生物脅迫中均起著重要的作用［35］。周麗霞等［36］利用實時熒光定量PCR 技術從油棕中獲得了WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40、和WRKY555 個低溫應激反應型基因。Chen 等［37］研究了油棕EgFAD8基因的啟動子在低溫下被誘導表達。Zhang等［38］研究發現，油棕EgWRI1基因的啟動子在低溫脅迫下活性降低。

分子標記已被廣泛應用于分析油棕的遺傳多樣性和種群結構等性狀相關標記的鑒定和基因型特征，但與油棕抗寒相關分子標記研究較少。Xiao 等［39］對油棕低溫脅迫處理下轉錄組數據分析，找到了大量的SSR標記，并發現了與油棕耐寒緊密連鎖的SSR 標記，其中2 個SSR 標記分別位于CBF基因和ICE1基因的5’非翻譯區，這些SSR 標記將為后續的油棕耐寒性分子育種奠定理論基礎。

植物生長發育過程中的基因表達受轉錄和轉錄后mRNA調控，已經在許多植物中證明，RNA結合蛋白（RBP）介導的轉錄后調控增強了植物對非生物脅迫的耐受性，Yeap 等［40］從油棕中鑒定并分離了一個新型的小hnRNP 樣RNA 結合蛋白EgRBP42，它與應激反應的轉錄物相互作用，并在低溫、干旱、鹽等非生物脅迫反應中被誘導，隨后通過轉基因擬南芥驗證，EgRBP42通過結合富含AG的基序將應激反應轉錄物從細胞核轉移到細胞質，EgRBP42過表達增強了轉基因擬南芥對非生物脅迫的耐受性［41］。

4 油棕抗寒栽培技術研究

選擇適宜的種植區域、優良的油棕品種及其配套的栽培技術是我國油棕產業發展的重要基礎。目前關于提高油棕抗寒能力的栽培措施較少。陳禮培［42］研究發現施用100 mg/L 多效唑，含磷、鉀元素高的復合肥以及3 000 mg/L的奧普爾有機肥都能提高油棕的抗寒能力。土壤速效鉀含量與油棕的耐寒性呈正相關，較高的土壤速效鉀含量有利于提高油棕的耐寒性［9］。采用草繩包扎樹身，用薄膜紙覆蓋嫩葉等也能起到抵御寒冷的作用［43］。此外，在油棕引種或移植時最好選擇春夏季，由于春夏氣溫較高，與油棕的原產地溫差懸殊不大，油棕更易適應新的環境，不易造成凍傷。

通過噴施植物生長調節劑提高植物的抗寒性已有較多報道。劉世紅等［20］發現內源激素IAA 和ABA 含量的增加利于提高油棕的抗寒性，遇低溫時噴施適宜濃度的外源激素ABA 可提高油棕的抗寒力［44］。研究表明低溫脅迫能誘導油棕幼苗ABA 合成酶基因NCED3的過量表達，說明ABA 參與油棕幼苗響應低溫脅迫來維持正常的生長發育，而外施適宜濃度的ABA能提高可溶性糖、可溶性蛋白含量和POD 活性，抑制丙二醛和H2O2含量上升，從而提高了油棕的耐寒性［45］。

5 油棕抗寒育種研究

5.1 品種抗寒性鑒定

李靜等［15］對引種到廣東江門試種的10個油棕新品種熱油31～40 號的抗寒性進行調查表明，在經歷過2012 年冬季低溫寒害后，10 個油棕新品種在江門地區均能順利過冬，其中熱油31 號、熱油39號、熱油40號的抗寒性較強。曹紅星等［16］對引種哥斯達黎加的油棕品種TE、BE、OG 和海南本地品種BD進行抗寒性鑒定表明，4個油棕品種抗寒性強弱的順序依次為TE＞BE＞BD＞OG。曹紅星等［13］以低溫半致死溫度（LT50）探討了引自馬來西亞的YGH、GH、HRU 3個油棕品種、非洲科特迪瓦的油棕品種OPKT 和海南本地厚殼種OPBD 的抗寒力，結果表明海南本地厚殼種OPBD 和非洲科特迪瓦OPKT 的2 個品種抗寒力強，可以作為抗寒育種的材料。曹建華等［46］在2008 年南方低溫寒害天氣后對12 個油棕品種RYL1～RYL12 的花果受害情況進行了田間抗寒性觀測，發現不同品種之間抗寒能力差異較大，但均能恢復生長并正常開花結果。

5.2 新品種培育

哥斯達黎加1967 年從喀麥隆巴門達海拔1 000～2 000 m 的高地收集了低產量和低出油率（7.7%）的耐寒種子，其自交第二代的果穗產量和出油率顯著提高；1976 年從坦桑尼亞的基戈馬地區海拔1 000 m 的高地收集了耐寒薄殼油棕種質資源，其自交第二代的厚殼種的果穗產量較高（261.5 kg/株）［47］。哥斯達黎加 ASD 公司利用原產于坦桑尼亞和喀麥隆生長的抗寒性強Dura型油棕，與哥斯達黎加的高產、早熟Tenera品種進行雜交培 育 出Banenda×AVROS、Tanzania×Ekona、Tanzania×AVROS等抗寒高產油棕品種，產油量是不抗寒油棕的4倍，并已經成功引種到非洲的許多高緯度、高海拔地區進行試種［48］。哥斯達黎加ASD公司從油棕育種研究站篩選的油棕種子引入哥斯達黎加進一步改良，Ekona×Deli雜交品種在3～4個月的寒冷天氣下表現良好的耐寒性，可以作為抗寒育種的材料［49］。2005 年，中國熱帶農業科學院從國外引進試種的油棕種群中，分離出抗寒無殼種父本材料8株；2010年從國外引進抗寒親本種子材料2 份，共培育出422 株種苗；2009～2013 年在我國熱區油棕種植地調查，篩選出抗寒厚殼種母本材料 112 份，共培育 3 500 株種苗［50］。2019年，中國熱帶農業科學院橡膠研究所選育出我國第一個油棕品種“熱油4 號”，該品種具有早花早果、高產穩產、品質優、抗旱和抗風性較強、適應性廣等特點；同時，初選出我國第一個抗寒、高產、矮生、高不飽和脂肪酸含量的無殼型油棕品種“熱油40號”，該品種在儋州、海口和昌江試種成功，有望在短期內實現良種產業化開發。

6 存在的問題及展望

目前，我國油棕抗寒相關研究還比較薄弱。（1）研究材料較為單一，主要集中于油棕幼苗的葉片，而關于油棕根莖在低溫脅迫下的生理生化、組織形態變化的研究較少；在研究手段方面，對油棕抗寒性研究的溫度控制多是在實驗室內人工操作完成的，與自然環境的變化存在一定差異。（2）在油棕抗寒性評價方面，還未曾建立可靠、高效、完整的抗寒評價系統，與油棕抗寒性相關的生理指標較多且機理復雜，單一指標很難反映植物的抗寒本質，需要明確各個指標之間的關系及協同作用，利用多個指標進行綜合分析，為油棕的抗寒性評價提供科學依據。（3）綜合抗寒栽培技術措施缺乏，目前主要集中在外源激素調控作用的研究，今后深入研究油棕抗寒機理的同時需要配合一些防寒措施（合理施肥、科學栽培管理、化學調控等）作為增強油棕抗寒力的手段。（4）與油棕抗寒相關的基因只有少部分被分離、鑒定，并且這些基因在抗寒過程中表現的具體作用及表達調控機制仍需進一步深入研究，今后可以通過收集抗寒性較強的油棕種質資源，挖掘新的抗寒基因，充分研究這些基因在低溫脅迫下的冷信號轉導機制和表達調控網絡。（5）利用基因工程手段將外源抗寒基因導入植物中，在其他作物中取得了很大的進展，而轉基因技術在油棕抗寒性的研究主要用于抗寒基因的功能驗證，缺乏其他抗寒基因的發現和導入，今后應加強對其他林木抗寒基因的篩選獲得安全有價值可用于轉化的外源抗寒基因，廣泛應用基因工程手段獲得抗寒轉基因植株。隨著分子生物學技術的不斷完善發展，探究與油棕抗寒相關的基因、低溫誘導蛋白和分子標記，深入研究油棕低溫信號轉導調節機制是未來油棕抗寒性研究的重要任務，以期從分子水平對油棕抗寒機理做更科學系統的解釋。