甘藍型冬油菜抗寒育種研究進展

梁麗鵬，王海山，宋聚紅，田東良，孫春峰，付雅麗

(石家莊市農林科學研究院,河北 石家莊 050041)

油菜是我國第一大油料作物,常年種植面積在700 萬hm2左右,菜籽油占我國自產食用油的47%[1]。我國北方旱寒區以春油菜種植為主[2],低緯度低海拔地區可種植冬油菜。北方冬油菜種植以白菜型油菜為主,其具有耐寒、耐遲播、生育期短,耐貧瘠、抗逆性強的突出優點,但其芥酸、硫苷含量普遍較高,且高產潛力有限[3-5]。甘藍型油菜已達到雙低(低芥酸、低硫苷)品質要求[6],且具有抗倒伏、抗裂角和緊湊株型的特點,更適于機械采收,但抗寒性較差,制約了其在北方地區的推廣和種植。

甘藍型油菜抗寒性評價與抗寒育種是其北移種植的關鍵,對于擴大油菜種植面積、增加油菜產量具有重要意義。

1 抗寒性評價

當環境溫度低于植物生長最適溫度時就會對植物的代謝和發育產生不利影響,而溫度低于植物所能承受的最低溫度時,會導致植物的代謝遭到破壞,甚至植株死亡,這個過程被稱為低溫脅迫[7]。植物受到的15 ℃以下脅迫被稱為寒害,0 ℃以下的脅迫被稱為凍害[8]。植物在受到低溫脅迫后會產生多方面的應答反應[9]。甘藍型油菜的抗寒性評價指標主要體現在生理生化、生長發育、抗寒相關基因等方面[10-12]。

1.1 生理生化指標

甘藍型油菜的形態解剖結構在一定程度上可以反應其抗寒性[13]。在受到低溫脅迫時,抗寒性強的材料葉片柵欄組織與海綿組織比值較抗寒性差的材料小[14]；其氣孔面積較小,并保持完全開放狀態,而抗寒性差的材料氣孔處于關閉或半開放狀態[15-16]。因此,生理指標可作為抗寒鑒定的重要參考指標。

甘藍型油菜通過增強細胞膜穩定性、調節細胞內外滲透壓、清除過多的活性氧來阻止低溫脅迫對細胞和組織的損傷。相對電導率可直觀反映植物細胞膜透性,電導率增大,細胞膜受害程度加深[17-18]。可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等[19-21]滲透保護物質的積累可防止細胞膜結構被破壞。丙二醛(MDA)和過氧化氫(H2O2)反映膜脂的氧化程度[22]。抗氧化酶防御系統,如過氧化氫酶(POD)和過氧化物歧化酶(SOD)可清除植株的活性氧以緩解低溫損傷[23-24]。內源激素脫落酸(ABA)、赤霉素(GA3)參與調控植株對低溫的響應[25]。蒲媛媛[26]通過對甘肅農大選育的12 個甘藍型冬油菜品系在低溫脅迫后的電導率、可溶性蛋白質、可溶性糖、脯氨酸等變化的研究,揭示了甘藍型冬油菜抗寒性強弱在生化指標上的差異。在-2 ℃持續冷凍脅迫下,強抗寒品系2016TS(G)10 的可溶性蛋白質、可溶性糖含量較弱抗寒品系高,相對電導率較弱抗寒品系變化小。因此,生化指標可作為抗寒鑒定的重要參考指標。

研究[27]表明,白菜型油菜的抗寒能力較甘藍型油菜優勢明顯。白菜型油菜在受到低溫脅迫時各項生化指標均保持較高活性水平,使其在低溫脅迫下能夠減輕損傷。隨著低溫脅迫持續,在接近可耐受低溫臨界值附近,甘藍型油菜的MDA、H2O2含量、POD、SOD 酶活性、ABA、GA3濃度均呈現先上升再下降的趨勢[28],這與白菜型油菜一直保持高活性有所不同。

1.2 生長發育指標

甘藍型油菜中抗寒性較好的資源材料具有特定的生長發育表現,表型鑒定對甘藍型油菜的抗寒性鑒定具有指導意義。

室內抗寒性鑒定有助于對抗寒油菜進行早期篩選。鮮孟筑等[29]對不同溫度處理的30 個油菜品種(系)的種子萌發和幼苗生長情況進行分析,從發芽率等18 項指標中篩選出6 項指標作為種子萌發耐低溫的綜合評價指標,并通過隸屬函數分析將油菜品種(系)低溫抗性等級劃分為強抗低溫、抗低溫、中抗低溫、低溫敏感。閆蕾[30]對國內外228 份甘藍型油菜進行抗寒性鑒定,將人工氣候室培養至4 葉期的幼苗經-2～-6 ℃冷凍處理后統計其存活率并設計抗寒指數,將油菜抗寒性分級為敏感、不抗寒、一般抗寒、抗寒、非常抗寒5 級。

大田鑒定可用于抗寒油菜的快速鑒別。相關研究[31-32]表明,強耐寒性甘藍型冬油菜苗期葉色深綠微帶紫紅色或偏紫紅色,葉柄較短,半直立生長,進入越冬期后,葉片趨于匍匐生長。北方冬油菜在越冬期間地上部部分或者全部焦枯并停止生長,被稱為枯葉期。生長點在越冬期間仍在感受春化、進行花芽分化,生長點凹陷一定程度上可以避免裸露造成的凍害。李學才等[33]研究表明生長錐高度與抗寒性密切相關,強冬性材料苗期的生長錐表面光滑,相對高度較低,而弱冬性材料苗期的生長錐有小突起組織,相對高度較高。根部是冬油菜的主要越冬器官,抗寒性好的材料越冬前具有較大的根冠比[34],優先發育根部儲存營養,有利于越冬后的返青生長。

1.3 抗寒相關基因

植物抗寒相關基因包括冷誘導基因和抗寒表達基因。植物在低溫環境中通過溫度感受器感受溫度變化,通過冷誘導基因來誘導抗寒基因表達,再經過一系列復雜的生理生化途徑變化來對抗逆境[35-37]。轉錄因子在植物應對低溫脅迫的信號傳導中起到調節作用[38-39]。抗寒相關基因檢測可作為甘藍型油菜抗寒鑒定的重要依據。目前在甘藍型油菜中分離得到的冷誘導基因有adh、BN115、BN19、BN26、BN28、BnC24A、BnC24B等[40]。

油菜CBF4的表達受冷誘導,其在抗寒性好的材料中的相對表達量高于抗寒性差的材料,且參與了油菜增強抗寒性的多分子途徑,在脅迫的不同階段表現為動態調控[41]。CBF17可通過提高CO2同化率和電子傳遞效率,在低溫脅迫下保持光合系統運行[42]。

Huang 等[43]通過遲播模擬冬季田間油菜受到低溫脅迫,對123 份材料光合氣體交換參數進行關聯分析,明確BnTR1基因與蒸騰速率密切相關,并能促進植物在低溫脅迫中的適應性,證實在低溫脅迫下光合作用指數是反映油菜抗寒能力的重要指標。Lin 等[44]、江勇等[45]的研究證實BN28基因表達的蛋白質屬抗凍蛋白AFP 類群,能夠降低細胞溶液冰點、修飾冰晶形態并抑制重結晶的產生。

2 抗寒育種

越冬率是決定甘藍型冬油菜能否在北方寒區種植的重要因素,也是冬油菜抗寒性的直接表現。20世紀90 年代,陜西省曾實施甘藍型油菜北移計劃,通過選育抗寒耐旱品種,配合溝播、覆蓋、化控等栽培手段較好地解決了甘藍型油菜安全越冬的問題,將甘藍型油菜從關中引入到渭北,明確了甘藍型油菜適合負積溫在200 ℃以下的地區種植[46]。孫萬倉等[47]對冬油菜進行抗寒性鑒定及適應性分析,為氣候變暖條件下冬油菜北移進行了可行性鑒定和評價。湖北、甘肅、陜西、山西、河北等省農業科研院所也通過雜種優勢利用、三系、甘白雜交、小孢子培養等手段育成了一些抗寒性表現好的品種(系)。

2.1 雜交育種

孫萬倉等[48]認為,增加選擇年限、擴大后代材料群體數量、多點選擇、增強選擇壓力可提高選育出強抗寒材料的幾率。甘肅農大通過雜交后代抗寒性定向改良,育成了多個甘藍型強抗寒品系,在極端氣溫(-23.5 ℃)環境中越冬率達80%以上[49]。天水市農科所以甘白油菜為父本、半冬性甘藍型油菜華雙4 號為母本,經系統選育培育出強抗寒的雙低甘藍型油菜新品種天油14 號[50]。天油14 號在天水各試點均能安全越冬,越冬率在89%以上,表現出了優異的抗寒性。

2.2 雄性不育育種

咸陽市農科院利用細胞質雄性不育選育出強抗寒性早熟雙低油菜新品種秦優11004[51]。秦優11004 的保持系是以抗寒性雙低油菜品系6192 為母本、耐寒性雙低保持系材料6113B 為父本,通過雜交、系統選育、自交、回交等方法選育而來。在選育過程中,中低代以抗寒性突出、高產為目標,高代以產量、抗逆性均衡為目標進行選育,定名5378B。不育系是以2168A 為母本、26-7115 為父本進行測交,F1完全不育,后代通過連續回交至株系穩定一致,定名5378A。以自育低芥酸中硫苷雜交組合9932 通過系統選育得到恢復系8198C。

2.3 甘白雜交育種

劉創社等[52]認為遺傳背景多樣、配合力高、耐寒性強的資源材料是培育強抗寒新品種的基礎,并通過甘白雜交等方法育成了一系列抗寒材料和品種。文靜等[53]以甘藍型油菜品系為母本、白菜型油菜為父本配置雜交組合,研究各組合回交親和性,以期將白菜型油菜優良的抗寒性轉入甘藍型油菜當中。

2.4 小孢子培養

利用雜交后代F1植株產生的小孢子進行培養,經過加倍可以得到純和DH 群體。吳安平[54]將非抗寒材料與抗寒材料進行雜交,將F1代小孢子進行培養、加倍,培養的再生植株經過抗寒分級鑒定,篩選出具有強抗寒性的DH 系。

3 展望

隨著經濟社會發展,復雜的栽培技術使生產成本急劇上升,已經不能適應甘藍型油菜北移種植的需要。低溫脅迫是影響油菜種植地理分布的主要因素,選育抗寒性強的品種將是解決甘藍型油菜北移種植問題的主要手段。

抗寒育種需立足于育種目標中的生態條件和生產水平,就地科學育種,通過抗寒鑒定與不同育種手段相結合來進行。利用室內鑒定在早代進行抗寒材料的大規模篩選,結合多點表型對高代進行自然鑒定,使抗寒篩選與適應性選擇同步進行。

隨著對抗寒性較強的作物及油菜抗寒機理的深入研究,其規律不斷被揭示和認知,利用遺傳學和基因組學相關技術的發展,促進對甘藍型油菜抗寒機理的了解；利用表觀形態篩選和遠緣雜交等手段從白菜型油菜等作物中獲得優異的抗寒基因,做到優質抗寒基因富集；通過長期的適應性訓練不斷提高其抗寒性并獲得有效變異；通過轉基因和新基因的構建等方法進行資源的創制,將是未來抗寒育種的有效手段。