木薯的抗寒性及北移栽培技术研究进展综述

王惠君　王文泉　李文彬　陈新　卢诚　黎明　陈友

摘 要 木薯作为中国三大薯类之一，具有良好的生物学性状，主要适宜在热带和亚热带种植，光合作用效率较高，淀粉产量在高等植物中非常突出。木薯的用途极为广泛，除食用外，可大量加工成工业产品。本文介绍了近几年木薯在抗寒性的生理生化、抗寒性的分子生物学、抗寒育种及北移栽培技术等领域的最新研究进展，并对木薯抗寒性和北移栽培的未来研究进行了展望。

关键词 木薯；抗寒性研究；抗寒育种；分子生物学；北移栽培

中图分类号 S533 文献标识码 A

Abstract Cassava， one of the three major potato in China， is suitable for planting in tropical and subtropical areas， is. Cassava have good biological characters， higher efficiency of photosynthesis， prominent starch production. Cassava can be processed into a large number of industrial products in addition to food.This article summarized the latest research progress in physiology， biochemistry and molecular biology of cold resistance in ， and in cold breeding and in northward cultivation technique in recent years， and the study for cassava in northward cultivation in the future was prospected.

Key words Cassava；Cold resistance；Cold breeding；Molecular biology；Northward cultivation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.07.031

木薯（Manihot esculenta Crantz）属大戟科木薯属多年生灌木，该属约有170个种，分布在北纬30°到南纬30°之间，大部分为野生（包括一些变异和珍贵资源）[1-3]，木薯是唯一的栽培种[4]，集中分布在巴西、哥伦比亚以及加勒比海地区，广泛种植在美洲、非洲和亚洲等100多个国家及地区[5]。木薯的主要生存环境在热带高地，具有良好的生物学性状，其特性包括碳同化介于C4和C3植物之间，光合作用效率较高，其淀粉产量（鲜木薯块根淀粉含量通常为30%，干木薯淀粉含量70%）在高等植物中非常突出。木薯的用途极为广泛，除了食用外，可大量加工成工业产品，如淀粉、酒精、饲料等[6]；提供约7亿人赖以生存的食粮，被称为“地下粮仓”[7]，为缓解世界粮食危机做出了巨大贡献。木薯作为重要能源及粮食作物，具有抗干旱、耐贫瘠，管理粗放，种植成本低及种植技术易掌握等特点，被认为最有发展前景的作物。木薯的栽培面积在中国约有56万hm2，主要分布在广西、广东、海南、福建、云南、湖南、江西等省（区）[8]，年产鲜薯800万t以上[9]。

适宜木薯生长的年平均气温要求高于20 ℃，若温度低于15 ℃时将会抑制木薯的生长，如果温度继续降低将会导致木薯死亡。例如2008和2010年冬低温寒害严重影响了中国的木薯产业，当时除海南和广东南部地区外，其他省（区）的木薯种苗死亡率高达50%～100%；仅2008年的低温寒害使广西木薯受灾面积达16.5万hm2，受寒而坏死茎杆达14.953万t，这次寒害给木薯生产区造成约4.096亿元的损失[10-11]。2016年“霸王级”[12]寒潮对中国的广西、广东、台湾、香港、澳门等地造成严重影响，华南地区大面积出现降雪天气再次给木薯产业带来重创。本文拟对木薯的抗寒性及北移栽培技术研究进展进行综述，旨在发现进一步研究的思路。

1 木薯抗寒性的生理生化研究

近十几年来，国内学者为了研究木薯抗寒性，主要从低温胁迫对木薯植株形态和生理生化的影响方面进行探索，通过观察木薯在低温胁迫试验期间水分、营养的吸收代谢，光合作用，膜的稳定性，渗透调节以及酶类、激素调节等确定主要的生理生化指标，为今后抗寒性植株的筛选提供参考意义。

2007年陆柳英等[13]采用物理与化学诱变技术相结合的方法，对实验材料进行低温处理后筛选抗寒性的突变体变异植株，实验过程中发现，用0.3%甲基磺酸乙酯（EMS）和0.3%EMS+5 mmol/L苯甲酰胺两种诱变试剂处理的华南8号品种获得的突变植株可能存在抗寒性。2009年康冬鸽等[14]以华南6、8号木薯组培苗为材料在低温胁迫下研究木薯的细胞部分保护酶[超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）]的活性变化与耐寒性的关系，研究发现，随着温度的降低和低温胁迫时间的延长，两组材料的SOD活性逐渐下降，POD、CAT呈现先上升后逐渐下降的趋势，同时其种间差异不明显。2010年黄秋凤等[15]对华南124和南植199在低温胁迫下对木薯幼苗的生理特性进行研究，发现其叶绿素含量呈现逐渐下降，可溶性蛋白和丙二醛（MDA）的含量呈现先上升后逐渐下降的趋势，对脯氨酸含量和电导率则有一定程度的增加。姚远等[16]对ARG7、华南124、华南8号3个抗寒性木薯品种进行低温胁迫下幼苗的生理生化性研究，发现低温胁迫能提高以上测试木薯品种的中性转化酶（NI）和可溶性酸性转化酶（SAI）的生物活性，其中抗寒品种ARG7的NI的活性表现为应急提高，而SAI活性表现为稳定提高，推断SAI活性与木薯的抗寒性存在一定的正相关性；还发现低温胁迫条件下木薯叶片中的可溶性总糖、蔗糖和还原糖的含量有所提高，且ARG7中的指标明显高于其他2个品种。2011年刘惠杰等[17]在木薯低温寒害情况下测定发芽率与脯氨酸含量和相对电导率等指标；研究发现在低温处理早期，脯氨酸含量变化趋势不相同，华南124、华南205、桂热3号分别在2 ℃处理12、6 d和2 d时种茎脯氨酸含量达80.01μg/g FW以上；华南124相对电导率增加缓慢，华南205在2 ℃处理6 d条件下相对电导率达6.0%，桂热3号相对电导率增加迅速。根据结果可以判定脯氨酸含量和相对电导率可以作为木薯种茎抗寒性评价的参考。周玉飞等[18]以2个相对耐寒木薯品种Arg7和华南124为材料，经弱低温14 ℃驯化处理对比4 ℃寒害非驯化处理后发现脯氨酸含量增高且MDA含量指示的细胞膜破损减小、叶绿素在叶片中的含量下降延缓，当温度恢复时叶片脯氨酸含量和叶绿素含量增加均较快，实验表明弱低温驯化能够有效提高木薯对寒害的适应能力和恢复能力。2012年尹彩霞等[19]通过对木薯品种华南5号、华南8号、华南9号，华南205和GR911在室内模拟低温胁迫研究与田间寒害观察相结合方法进一步验证，POD活性、MDA含量、相对电导率可作为木薯抗寒性评价的参考指标。同时推测低温胁迫后2～4 d是木薯寒害发生的临界点。冀乙萌等[20]用生长一致的华南8号木薯幼苗为试验材料用6个梯度的Ca2+进行处理后，然后对其进行4 ℃低温胁迫测定抗寒相关生理指标分析，发现在20 mmol/L外源Ca2+的作用下木薯幼苗的各项抗寒生理指标较优，膜脂过氧化产物MDA含量降低，而POD和SOD、可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸含量上升，木薯幼苗的抗寒性提升效果比较显著；当Ca2+浓度过高时相反会产生抑制作用，反而不利于抗寒性的提升。2013年吴海宁等[21]以华南124、华南205和辐选01为材料研究木薯品种幼苗在低温胁迫下耐寒生理指标的变化，发现相对电导率、MDA、脯氨酸生理指标稳定且差异显著，确定该指标可作为鉴定木薯品种间耐寒性强弱的主要指标。梁荣等[22]以华南205为材料研究抗寒评估技术，对木薯幼苗生理生化指标进行筛选，初步筛选出MDA、叶绿素a（Chla）、类胡萝卜素（Car）和POD为SC205木薯幼苗对低温敏感鉴定生理指标。2014年安飞飞等[23]以华南8号木薯盆栽苗为材料研究叶片叶绿素含量和荧光参数以及光系统Ⅱ（PSⅡ）相关蛋白表达水平的动态变化，发现叶绿素含量和荧光参数及PSⅡ反应中心的开放程度、捕光能力和光化学转化效率在5 ℃低温胁迫条件下均下降较为显著，导致叶片的光合速率受到抑制；PSⅡ中的放氧复合体（OEC）、D1、D2、及核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的表达水平也在5 ℃低温胁迫条件下2 d后达到最低水平，其中 D1蛋白下调较为显著，PSⅡ中相关蛋白表达水平也下调，该研究验证了低温胁迫导致叶片的光合速率受到抑制。2015年欧文军[24]等以木薯华南8号和 MS5木薯组培苗为材料，研究5 ℃低温胁迫条对0、7、10、12 d和15 d内生理代谢指标的影响，综合分析生理数据后判定木薯MS5的抗寒性高于华南8号。

2 木薯抗寒性在分子生物学方向的研究

随着对木薯抗寒性研究的逐步深入，国内外学者从生理生化角度转向抗寒性基因调控[25，28，36，38～40]、信号传导网络机制调控[33～35]、抗寒性蛋白合成[37]等分子生物领域的研究。该方向为发现与木薯抗寒性相关的基因及分子标记辅助育种[26～27]、基因改良育种、诱变育种提供抗寒性分子调控机制理论的研究基础及抗寒性植株检测的方法。

在抗寒性基因调控方向上，国内学者从低温胁迫响应相关重要基因表达和miRNA等方面进行研究。2009年杨鹏雅等[25]参照拟南芥和蓖麻的SAD基因（对多数植物抗寒性的研究表明，膜脂与植物抗寒特性存在一定的正相关性，SAD硬酯酰脱饱和酶催化反应可以明显改变膜脂中不饱和脂肪酸的含量）同源区域设计引物，首次扩增得到木薯SAD基因的240 bp片段，为进一步在分子领域开展木薯抗寒性研究提供参考。Zeng[29]等预测了大戟科植物中miRNA（miRNA一般在真核生物中对靶基因转录后的表达以及在逆境中的调节起调控作用[30～33]）以及对其低温胁迫的响应反应。研究中利用已释放的大戟科近缘物种蓖麻基因组序列信息预测出85个miRNA，其中多数保守性miRNA具有其他物种相似的胁迫响应功能和特定的调控作用，并从中发现40个与耐寒性相关的miRNA。2010年薄维平等[34]在Zeng的研究基础上，利用荧光实时定量PCR（qRT-PCR）技术在低温胁迫条件下的2个木薯品种KU50与C4材料对照进行差异表达分析实验的研究发现，6个miRNA属于受低温诱导与上游调节基因相关的miRNA。 2011年周玉飞等[35]以华南124和C4木薯品种为材料，在低温胁迫条件下通过实时定量PCR技术，对7个miRNA及4个靶基因的实时定量表达分析和功能分析研究中发现，这 7个miRNA都受低温诱导表达，其中miRNA3747522和miRNA1045125的靶基因在2品种和不同低温条件下具有差异表达，该研究对揭示木薯miRNA的表达和调控提供了新契机。2012年冀乙萌等[36]从木薯中克隆出与拟南芥CBF3基因同源的MeCBFl基因，将木薯苗置于4 ℃低温处理1小时后研究该基因的表达情况。实验通过荧光定量PCR技术在mRNA水平检测到该基因的表达，由此可推断MCBF-1基因为冷诱导基因，该研究中发现该基因的表达最高峰值出现在冷处理2 h时；另外该基因的表达量在叶、茎、根中存在差异性表达，表达量从高到低依次为茎>叶>根，对其冷诱导启动元件有待进一步研究。孟凡超等[37]以抗寒性较好木薯的华南124为材料在低温胁迫条件下与正常温度对照进行Solexa表达谱分析研究，通过对受低温影响较显著的代谢途径中基因表达丰度分析，试验中发现与低温胁迫响应相关重要基因。AN[38]等在低温胁迫条件下对木薯顶芽的转录组进行研究，发现508个转录被认定属于在早期冷应答基因，经过与拟南芥蛋白质对比发现，其中319个序列具有功能描述。通过用基因本体论注释分析后判断有大量冷相关类别基因，包括“对胁迫的反应”“转录因子活性”“对非生物和生物刺激”等。该研究的动态表达式变化反映了木薯在低温胁迫条件下综合控制和转录调节应答。黎娟华等[39]开展木薯的抗低温胁迫机制研究，以水稻低温诱导及抗旱基因OsLTI6A 为基础，同源克隆了木薯的抗逆基因MeLIT6A，并对其序列和功能进行了分析，研究发现该基因与拟南芥的AtLTI6A的功能相似。2013年黎娟华[40]等继续开展MeLTI6A的研究，通过利用电子克隆设计引物进行PCR扩增的方法并获得该基因的启动子，其序列共 1 304 bp。该启动子具有逆境胁迫（如低温、干旱）响应元件以及木薯组织特异表达相关的调控元件和其它光响应元件。并通过Real-time PCR检测了在4 ℃低温胁迫条件下的木薯组培苗中MeLTI6A的表达变化，实验说明了该启动子区的低温胁迫顺式作用响应元件有可能调节MeLTI6A在低温胁迫条件下的表达。2014年罗秀芹等[41]，通过对木薯、木油桐、蓖麻、麻风树、油桐和天山雪莲的抗寒蛋白硬脂酰-ACP脱饱和酶的结构与功能进行预测，大胆推断若将天山雪莲SAD基因转入木薯基因组将有可能提高木薯品种的抗寒性。

3 木薯抗寒育种的研究

目前中国适宜木薯种植的土地面积有限，且大部分耕地用于种植主要粮食作物，为解决这一矛盾，需要加快木薯品种的北移、抗寒及高产稳产育种改良的研究。抗寒育种[42～43]主要策略包括：资源引进与传统的系统选育、种间杂交育种[44～45]、实生与杂交种选育、单倍体育种[46]、多倍体育种[47～50]、诱变育种[51～52]分子标记辅助育种[53～56]、基因改良育种[57～58]等。

2008年1～2月低温寒害之后，陈显双等[59]通过对广西热带作物研究所木薯种质圃内的约290个木薯种质进行了抗寒性调查。调查结果表明，木薯抗寒力因品种不同而异。其中抗寒能力较强的品种（系）有罗勇5号、华南6号、华南8号、CMR36-34-1等。2009周建国等[60]以中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所木薯种质圃内木薯品种为材料，采用组织培养技术通过5 ℃低温胁迫处理条件下筛选抗寒性较强的品种，研究发现其主要为南美高海拔地区引进的木薯品种。2010年但忠等[61]对广西武鸣木薯基地80个木薯品种的花序、座果果数量进行调查，观察能够正常座果的38个品种的种茎变色度和测定叶片电解质渗透率参数，筛选出抗寒能力较强的4个品种，即为华南6号、D346、E144、BI，随后对24个Fl代木薯植株的变色程度、叶片的萎焉的观察进行分析，采用Delphi法评定木薯叶片抗寒性生理指标，从中筛选出6个抗寒性较强的Fl代植株。

在实际育种工作中，可以通过聚合杂交将多个有利目标基因垒集到同一品种材料中，培育一个具有多种有利现状的品种，为了培育具有高产和抗寒性的木薯品种，热带生物技术研究所采用抗寒品种华南124与东南亚高产优质木薯KU50杂交的F1代的群体作为研究对象，进行分子标记辅助育种研究。2010年孙湘来[62]等以该群体的243单株材料用于构建木薯遗传连锁图谱，该图谱在方法上主要采用SSR、SRAP、EST-SSR等分子标记。该图谱的基因总长为1412.052 cM，标记平均图距9.110 cM（平均图距小于10 cM的范围内可以用作QTL定位）。用复合区间作图法对木薯性状进行QTL初步定位。在QTL IciMappingV3.0在LOD值≥2.0条件下，将26个抗寒性QTL位点分别标定在19、18、17、15、11、8、6、4、3、2、1连锁群上，其中贡献率在8%～33%。2013年陈青[63]等接着对该群体进一步深入研究，采用SSR、SRAP、EST-SSR分子标记进行木薯遗传连锁图谱的构建。该图谱基因总长为1434.49 cM，标记间距为9.56 cM。结合广西桂林和海南文昌记录群体连续两年的耐寒性数据（GLA12叶片脱落指数、GCR11抗寒指数、GCR12抗寒指数）对其进行QTL分析，共得到38个抗寒性相关QTLs，其中11个是GLA12的QTLs，包含有3个为主效QTLs，贡献率均>50%；其中有4个GCR11的QTLs，包含有2个为主效QTLs，其贡献率均>25%；其中有3个GCR12性状的QTLs，包含有2个为主效QTL，其贡献率分别为29.85%，19.75%；其中20个GWY12的QTLs，其贡献率区间在3.55%～48.48%。对于这3个性状进行分析，检测到19个可重复出现的抗寒相关QTL，有2或3个QTLs同时定位在一个标记区间。

4 木薯北移栽培技术研究

不同品种的木薯生物学特性也不同，因而在北移栽培[64]时不仅要考虑抗寒性特点，还要考虑木薯北移省份的总体气候、纬度、海拔、土壤等环境要素。2010年袁展汽等[65～66]通过在江西省红壤旱地东乡县（北纬28°04′）北移种植7个供试木薯品种（华南5号、华南6号、华南7号、华南8号、华南9号、华南10号、华南205号）的研究，发现华南8号和华南205作为北移江西种植的适应相对较强。2012年欧珍贵等[67]对引进贵州的8个木薯品种（桂热3号、桂热891、桂热911、华南5号、华南8号、华南124、华南201、华南205）进行区域比较试验，从适应性、稳定性、高产性进行综合比较确定适宜贵州省栽培的木薯品种，研究发现桂热3号、桂热911、华南5号可以作为贵州主要推广的木薯品种。吴秋云等[68]对广西农业科学院和中国热带农业科学院品种资源所提供的南植199、F520、华南205、华南9号、H1394、H974、H873、H1255在湖南省进行引种对比试验，对产量、植株形态、淀粉含量等多方面进行比较研究，试验结果表明，华南205、华南9号、F520、南植199品种产量高、植株形态较好、淀粉含量也较高，适宜湖南种植。2013年，邓玉萍等[69]以木薯华南205做对照，对华南9号、华南608、南植199和面包木薯4个鲜食木薯品种的产量、淀粉含量等品质进行对比试验，试验综合4个鲜食木薯品种表现，确定华南9号和南植199适宜在湖南地区种植。张光勇等[70]对中国热带农业科学院品种资源研究所引进的8个木薯新品种（华南5号、华南6号、华南7号、华南8号、华南9号、华南10号、华南205、华南6068）进行区域比较试验，从抗逆性、产量、淀粉含量、收货指数等多方面进行比较，试验结果表明，适于红河州种植的优良品种为华南7号、华南9号、华南10号、华南6068。刘斌等[71]根据木薯种植区域的气候特点对其进行种茎越冬贮藏研究，研究表明在北纬21.6°以南的无霜区，及云南景洪以南——广西合浦——广东茂名一线可采用露天浅埋堆放配合盖膜堆放的方法贮藏；在北纬21.6°～23.8°的轻霜至重霜边缘区，及云南临沧以南-广西来宾-广东清源一线可采用露天盖膜堆放和塑料大棚或大棚内地埋竖放等方法贮藏；在北纬23.8°以北的重霜和低温区，及云南临沧以北-广西来宾-广东清源一线、湖南、江西、浙江等省可采用地窖贮藏法或塑料大棚加小拱棚竖直堆放法贮藏。

5 总结与展望

5.1 木薯抗寒性的生理生化研究

综合分析国内学者在生理生化方面对木薯抗寒性的研究发现，相对电导率、SOD、POD、MDA、CAT、脯氨酸、NI、SAI、叶绿素含量和荧光参数等生理指标可作为评价木薯抗寒性的主要指标。该类指标为鉴定和筛选具有抗寒种质的木薯组培苗和木薯茎秆种苗提供了思路。由于生理指标项目较多，若想得到理想的筛选方案仍需对该生理指标进行深入研究。弱低温驯化技术和喷施外源合适Ca2+浓度的技术容易操作，这两种研究方法相结合可为预防木薯的寒害工作提供新思路。

5.2 木薯抗寒性在分子生物学方向的研究

国内学者在对木薯的低温胁迫响应相关重要基因表达和miRNA等方面的理论研究有了重大突破，但是应用到实际操作中是有难度的。利用基因工程手段进行木薯遗传改良，增强木薯耐寒能力应成为木薯育种的一种有效手段。具体可以通过改良两大类基因，即抗寒的功能基因和抗寒的调控基因来增强木薯的抗寒性。例如，通过把耐寒基因如天山雪莲SAD基因等大胆引入木薯基因组可以改善木薯的耐寒品质，使其能在较低温度的环境中种植，为木薯北移或特异性区域种植提供品种保障。

5.3 木薯抗寒育种的研究

完美解决木薯抗寒性育种目前仍是木薯育种领域很大的挑战。植物的抗寒性性状表达是十分复杂的生理生化过程，是由多基因控制的数量性状并受到诸多因素和条件的制约。笔者建议从以下5个方面着手研究。①加强国际间的合作，为抗寒种质资源的收集、保存、研究、种质创新和利用提供基础，中国不但需要与CIAT、IITA等研究中心保持长期交流合作，而且需要进一步加强与东盟和非洲的合作力度，不断引进特色优质木薯资源，为进一步发掘木薯抗寒性种质资源提供材料。②通过诱变育种、分子标记辅助育种、基因改良育种等先进的生物技术手段结合传统育种技术，加快对木薯抗寒育种的步伐。③需进一步完善生物信息学数据库。木薯全基因组测序草图已完成，但能被育种直接应用的抗寒性种质资源信息应继续完善。④木薯抗寒分子机制、相关功能基因学、基因网络调控等有待深入研究。⑤完善遗传转化平台，实现对模式品种向主推栽培种的转换，加快优良品种推广步伐。

5.4 木薯北移栽培技术研究

木薯具有耐贫瘠干旱、高产优质、粗生易种等多种优良特性，同时是中国重要的工业原料和后备粮食作物，因此对木薯北移栽培技术的研究具有重大的现实意义。笔者提出北移种植在选择品种时需注意以下几点：①引种时从相对电导率、SOD、POD、MDA、CAT、脯氨酸、NI、SAI、叶绿素含量和荧光参数等生理指标对木薯抗寒性进行评价。②在北移的地域和气候的选择上，应注意种植范围不要超越北纬30°；海拔选在2 000 m以下；年平均气温不低于15 ℃；无霜期不低于8个月；土壤pH值不易超出3.8～8.0；种植坡度不高于25°；土壤砂粒含量不高于90%；年降雨量不低于400 mm；年日照时数不易低于1 600 h。③木薯北移种植对品种的要求较高，最好选用已经做过当地推广实验的高产稳产品种。如：江西选种为华南8号和华南205；贵州选种为热3号、桂热911、华南5号。其他特性应结合当地产业需求，如湖南结合鲜食特性选种为华南9号和南植199等。④在木薯种植的配套栽培技术上（地膜覆盖栽培、合理密植、科学施肥），应选择适合当地气候条件的方法来开展不同地力环境及不同密植的成型配套高产栽培技术[72～74]，加大农民实施配套高产栽培技术指导力度，尤其是对种茎越冬贮藏[75～76]的技术指导。⑤积极推动当地政府建立公益性木薯良种繁殖基地，完善配套灾后木薯种茎调入的应急预案机制及农作物保险补偿机制。在木薯抗寒性育种研究没有新的突破之前，该项对木薯北移栽培有着极为重要的现实意义。

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