油棕抗寒性研究进展①

程秋如 刘子凡 曾宪海 曾 精

(1 海南大学热带作物学院 海南海口 570228;2 中国热带农业科学院橡胶研究所/农业农村部儋州油棕种质资源圃 海南海口 571101)

油棕（Elaeis guineensisJacq.）属棕榈科油棕属，通常有两个种，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产效率最高的油料作物，年均产油量达4.27 t/hm2，被美誉为“世界油王”，广泛栽培于南纬10°至北纬15°的热带亚非拉国家和地区。油棕生产期短，一般植后2～3 年开花结果，经济寿命长达25～30 年，具有单产高、早结果、易抚管、品质好和用途广等优点。油棕具备承载“食用油安全保障战略、化石能源有益补充”的重要作用，被广泛应用于食品、化工、生物柴油等领域［1］。

前期调查表明，我国热区海南、云南、广东、广西、福建5省区均有引种油棕［2］，但冬季低温降至5～8℃，持续时间达数天，会对油棕生长和结果产生较大影响［3］，威胁着我国油棕产业的健康发展。因此，开展油棕抗寒性研究对发展我国热带北缘油棕产业具有现实意义。目前油棕的抗寒性研究取得了一些进展，相关研究成果对培育抗寒高产油棕新品种、发展配套丰产栽培技术以及抗寒分子育种技术等具有重要推动作用。

1 温度对油棕生长发育的影响

1.1 低温

低温是作物生长过程中重要的非生物胁迫因子。我国热区地处热带北缘，热量比其他油棕主产区都低，并经常遭遇低温侵袭，尤其是极端低温，对我国油棕产业的发展造成严重威胁。油棕适宜生长的年平均气温为25～28℃，气温在22℃以上时能正常开花结果，当气温低于15℃时油棕停止生长，而低于10℃时，则导致叶片枯烂， 未展心叶畸形生长，花器发育受阻。研究表明，极端最低气温对油棕生长发育影响最大，当气温降至3℃时，叶片出现严重冻坏，果穗败坏严重，个别成龄树冻死，并出现大量减产［4］。我国自1926年多次引种，经过长期自然引种驯化，抗寒力已提高，并逐渐适应了我国热区的气候条件。2008年初中国南方遭受了80 年一遇的持续寒害天气，期间海南岛气温比往年偏低5～8℃，曹建华等［3］对海南12 个油棕新品种的抗逆性调查发现，冷害期间油棕无植株死亡，少数叶片受冷害，幼果几乎全部受害，当年油棕减产约20%，但冷害过后所有油棕都能正常开花结果。2003 年11 月从马来西亚引进800粒油棕优良品种在西双版纳进行引种试种，3 年后可正常开花，在2008 年最低气温降至8～9℃，且持续两天，对油棕的生长无任何影响［5］。

受全球气候变暖影响，Sarkar 等［6］预测到2100 年全球气温将上升1～4℃，温度高于最适油棕生长温度将可能导致减产，从而减少了全球适宜油棕种植的区域，但同时适宜种植油棕的区域将向南北两极移动，目前的亚热带地区，可能会变的有利于油棕生长。

1.2 有效积温

有效积温是一个地区固定的热量资源，是影响作物生长发育的重要因素之一。油棕主产国马来西亚日平均温度≥22℃的年有效积温在9 200℃以上，油棕终年都能开花结果。我国华南地区除海南岛南部≥15℃的有效积温在9 000℃左右［4］，其他地区≥10℃的年有效积温在5 000～8 000℃，比马来西亚低很多［7］。

研究表明，有效积温与油棕的营养生长、产量以及抗寒性显著相关，对果穗数量（NB）、鲜果实产量（NFF）、果实数量（ANF）、正常果实数量（ANNF）和果穗比（F/B）具有决定影响，有效积温较高时能提高叶片生长量、果穗数量、果实数量及果穗比，从而提高了油棕的鲜果实产量。此外，年≥10℃的有效积温与低温半致死温度（LT50）呈显著正相关，较低的有效积温有利于筛选出抗寒力较强的油棕植株［8-9］。

2 油棕抗寒力的鉴定指标

2.1 生理生化指标

油棕在受到低温胁迫时，叶片的生理生化指标会发生一系列的变化，以应对不良环境。研究表明，随温度的降低，叶片受害指数增加［3，10］，相对含水量下降，但变化不明显［11］；相对电导率上升［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；叶绿素含量呈波动变化［12，14］；叶片养分含量氮和磷呈下降趋势，钾和镁呈先降低后升高，铜和铁含量都比自然温度处理下低，锰和锌都比自然温度处理下高［18］；净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均下降，胞间CO2浓度先显著上升后显著下降，水分利用率和气孔限制值先上升后下降，叶片荧光参数初始荧光上升，PSⅡ最大光化学效率、光化学猝灭系数、非光化学猝灭系数均下降［19］。不同生理指标对低温的敏感程度不同，对低温的忍耐性也存在差异，轻度低温胁迫可以启动植物自身的防御能力，引起相关渗透调节物质的积累和抗氧化酶活性的增加，当低温胁迫超过某一临界值时，植物本身的防御机能减弱，脯氨酸和可溶性糖的含量以及抗氧化酶的活性降低，活性氧代谢系统受到破坏，最终导致植物细胞受损或死亡［10，15］。

油棕叶片的生理生化指标在低温胁迫下产生不同程度的变化，能够初步反映植株对低温的耐受程度，是评价油棕抗寒性的重要手段。相对电导率、MDA 含量、可溶性糖和脯氨酸含量与油棕的抗寒性密切相关［12，15］，可以作为抗寒评价的参考指标。近年来，许多研究表明，利用电导率结合Logistic 方程求出低温半致死温度（LT50）能准确直观地反映植物抗寒力［13，20］，因此，也被认为是鉴定油棕抗寒性的重要评价指标。由于涉及的生理指标较多，为了更准确科学地评价油棕的抗寒性，需要建立可靠的抗寒性评价体系，为挖掘、筛选和利用优良种质资源提供理论基础。

2.2 叶片组织形态指标

油棕叶片由表皮、叶肉和叶脉3部分组成，上下表皮均有气孔、角质层、表皮层和内皮层，与其他禾本科植物一样，油棕叶片上表皮细胞下方存在泡状细胞；叶肉由栅栏组织和海绵组织组成，栅栏组织无分化，只有上栅栏组织，上栅栏组织呈山峰状或栅栏状排列；中脉多达4～12 个维管束，且形式排列多样［21］。研究还表明，低温胁迫时油棕叶片细胞不断失水，细胞间隙越来越大，栅栏组织细胞变长，海绵组织细胞边缘越来越不规则，叶片厚度、海绵组织厚度和栅栏组织厚度均逐渐减小，严重时几乎无法区分栅栏组织和海绵组织［22］。Alwee 等［23］研究了油棕开花过程中分生组织的解剖结构的变化。Abe 等［24］用近红外光谱研究了不同油棕资源在维管束和薄壁组织方面的差异。Luis 等［25］比较了油棕温室培养的种苗和试管苗在叶片解剖结构的差异，发现两种环境条件下生长的油棕幼苗的解剖结构基本相似，但试管苗的表皮细胞较薄，叶片的中脉由3～4 条维管束组成，而大棚培育的种子幼苗叶片较厚，叶片的中脉较粗，中央只有1条维管束。

油棕叶片组织形态与抗寒性关系的研究还比较薄弱，目前尚难以通过叶片组织形态指标准确评价油棕的抗寒性。曾宪海等［26］研究认为，叶片上角质层厚度和海绵组织厚度是影响油棕抗寒力（LT50）的重要因素。阮志平［27］比较了布迪椰子、沼地棕和油棕3种棕榈科植物的叶片解剖结构的差异，研究认为，油棕抗寒性与细胞组织紧密度和细胞组织疏松度不具有相关性，而与是否分化出栅栏组织和海绵组织具有显著相关性，不耐寒的油棕叶片薄，角质层微弱，表皮薄，海绵组织发达，栅栏组织细胞较长且排列疏松与油棕耐寒性弱有一定的关系。焦云飞［28］比较了广东、云南、海南、广西和福建5个地区的油棕叶片解剖结构的特征，研究发现，不同地区油棕种质材料间的组织解剖结构存在显著差异，认为上下角质层厚的植株具有潜在的抗寒性。曹红星等［22］研究了不同低温处理下油棕叶片解剖结构的差异，研究认为，叶片厚度和组织疏松度（SR）在不同低温处理下变化明显，可以作为油棕抗寒种质鉴定的结构指标。

3 油棕抗寒分子生物学研究

随着分子生物学技术的不断完善发展，对油棕抗寒的研究逐步从生理水平深入到分子水平。近年来，利用生物技术手段，鉴定并克隆了一些与油棕抗寒相关的基因。CBF 转录因子属于AP2 转录因子家族，与油棕抗寒相关的3 个CBF1、CBF2和CBF3同源基因己克隆，其DNA 全长分别为700、1 060 和 663 bp［29］。肖勇等［30］采用同源序列法，克隆了3个拷贝的CBF基因，通过Blast比对发现，克隆的CBF基因与NCBI数据库现有的CBF基因具有很高的同源性。Lei 等［31］基于耐寒转录组分析，AP2/ERF 家族成员的CBF 转录因子在油棕的耐寒性中发挥至关重要的作用，但CBF信号转录调控下游的COR基因的启动子发生变异，从而不能被CBF诱导。将CBF转录因子进一步在转基因番茄中进行功能验证，表明CBF/DREB 转录因子在油棕的低温胁迫中起着重要的调节作用，CBF 转录因子可能通过调节乙烯信号途径提高油棕的抗寒能力［32-33］。CBF3转录因子介导油棕成熟果实的非生物胁迫反应，也可以充当果实成熟过程相关基因的调节剂［34］。Li等［14］研究了在不同温度梯度处理下，油棕 各 种 基 因 （COR410，COR413，CBF1，CBF2，CBF3，ICE1-1，ICE1-2，ICE1-4，SIZ1-1，SIZ1-2，ZAT10）的表达水平以及与生理指标之间的相关性，研究发现，CBF与其他基因存在明显的相关性，尤其在12℃冷处理下，CBF1和CBF3与上游调节因子ICE1和SIZ1之间存在显著的正相关，在低温胁迫下，CBF1和CBF2的表达也与可溶性糖和脯氨酸的积累呈正相关。WRKY 转录因子在油棕的生长发育和非生物胁迫中均起着重要的作用［35］。周丽霞等［36］利用实时荧光定量PCR 技术从油棕中获得了WRKY1、WRKY7、WRKY22、WRKY40、和WRKY555 个低温应激反应型基因。Chen 等［37］研究了油棕EgFAD8基因的启动子在低温下被诱导表达。Zhang等［38］研究发现，油棕EgWRI1基因的启动子在低温胁迫下活性降低。

分子标记已被广泛应用于分析油棕的遗传多样性和种群结构等性状相关标记的鉴定和基因型特征，但与油棕抗寒相关分子标记研究较少。Xiao 等［39］对油棕低温胁迫处理下转录组数据分析，找到了大量的SSR标记，并发现了与油棕耐寒紧密连锁的SSR 标记，其中2 个SSR 标记分别位于CBF基因和ICE1基因的5’非翻译区，这些SSR 标记将为后续的油棕耐寒性分子育种奠定理论基础。

植物生长发育过程中的基因表达受转录和转录后mRNA调控，已经在许多植物中证明，RNA结合蛋白（RBP）介导的转录后调控增强了植物对非生物胁迫的耐受性，Yeap 等［40］从油棕中鉴定并分离了一个新型的小hnRNP 样RNA 结合蛋白EgRBP42，它与应激反应的转录物相互作用，并在低温、干旱、盐等非生物胁迫反应中被诱导，随后通过转基因拟南芥验证，EgRBP42通过结合富含AG的基序将应激反应转录物从细胞核转移到细胞质，EgRBP42过表达增强了转基因拟南芥对非生物胁迫的耐受性［41］。

4 油棕抗寒栽培技术研究

选择适宜的种植区域、优良的油棕品种及其配套的栽培技术是我国油棕产业发展的重要基础。目前关于提高油棕抗寒能力的栽培措施较少。陈礼培［42］研究发现施用100 mg/L 多效唑，含磷、钾元素高的复合肥以及3 000 mg/L的奥普尔有机肥都能提高油棕的抗寒能力。土壤速效钾含量与油棕的耐寒性呈正相关，较高的土壤速效钾含量有利于提高油棕的耐寒性［9］。采用草绳包扎树身，用薄膜纸覆盖嫩叶等也能起到抵御寒冷的作用［43］。此外，在油棕引种或移植时最好选择春夏季，由于春夏气温较高，与油棕的原产地温差悬殊不大，油棕更易适应新的环境，不易造成冻伤。

通过喷施植物生长调节剂提高植物的抗寒性已有较多报道。刘世红等［20］发现内源激素IAA 和ABA 含量的增加利于提高油棕的抗寒性，遇低温时喷施适宜浓度的外源激素ABA 可提高油棕的抗寒力［44］。研究表明低温胁迫能诱导油棕幼苗ABA 合成酶基因NCED3的过量表达，说明ABA 参与油棕幼苗响应低温胁迫来维持正常的生长发育，而外施适宜浓度的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，从而提高了油棕的耐寒性［45］。

5 油棕抗寒育种研究

5.1 品种抗寒性鉴定

李静等［15］对引种到广东江门试种的10个油棕新品种热油31～40 号的抗寒性进行调查表明，在经历过2012 年冬季低温寒害后，10 个油棕新品种在江门地区均能顺利过冬，其中热油31 号、热油39号、热油40号的抗寒性较强。曹红星等［16］对引种哥斯达黎加的油棕品种TE、BE、OG 和海南本地品种BD进行抗寒性鉴定表明，4个油棕品种抗寒性强弱的顺序依次为TE＞BE＞BD＞OG。曹红星等［13］以低温半致死温度（LT50）探讨了引自马来西亚的YGH、GH、HRU 3个油棕品种、非洲科特迪瓦的油棕品种OPKT 和海南本地厚壳种OPBD 的抗寒力，结果表明海南本地厚壳种OPBD 和非洲科特迪瓦OPKT 的2 个品种抗寒力强，可以作为抗寒育种的材料。曹建华等［46］在2008 年南方低温寒害天气后对12 个油棕品种RYL1～RYL12 的花果受害情况进行了田间抗寒性观测，发现不同品种之间抗寒能力差异较大，但均能恢复生长并正常开花结果。

5.2 新品种培育

哥斯达黎加1967 年从喀麦隆巴门达海拔1 000～2 000 m 的高地收集了低产量和低出油率（7.7%）的耐寒种子，其自交第二代的果穗产量和出油率显著提高；1976 年从坦桑尼亚的基戈马地区海拔1 000 m 的高地收集了耐寒薄壳油棕种质资源，其自交第二代的厚壳种的果穗产量较高（261.5 kg/株）［47］。哥斯达黎加 ASD 公司利用原产于坦桑尼亚和喀麦隆生长的抗寒性强Dura型油棕，与哥斯达黎加的高产、早熟Tenera品种进行杂交培 育 出Banenda×AVROS、Tanzania×Ekona、Tanzania×AVROS等抗寒高产油棕品种，产油量是不抗寒油棕的4倍，并已经成功引种到非洲的许多高纬度、高海拔地区进行试种［48］。哥斯达黎加ASD公司从油棕育种研究站筛选的油棕种子引入哥斯达黎加进一步改良，Ekona×Deli杂交品种在3～4个月的寒冷天气下表现良好的耐寒性，可以作为抗寒育种的材料［49］。2005 年，中国热带农业科学院从国外引进试种的油棕种群中，分离出抗寒无壳种父本材料8株；2010年从国外引进抗寒亲本种子材料2 份，共培育出422 株种苗；2009～2013 年在我国热区油棕种植地调查，筛选出抗寒厚壳种母本材料 112 份，共培育 3 500 株种苗［50］。2019年，中国热带农业科学院橡胶研究所选育出我国第一个油棕品种“热油4 号”，该品种具有早花早果、高产稳产、品质优、抗旱和抗风性较强、适应性广等特点；同时，初选出我国第一个抗寒、高产、矮生、高不饱和脂肪酸含量的无壳型油棕品种“热油40号”，该品种在儋州、海口和昌江试种成功，有望在短期内实现良种产业化开发。

6 存在的问题及展望

目前，我国油棕抗寒相关研究还比较薄弱。（1）研究材料较为单一，主要集中于油棕幼苗的叶片，而关于油棕根茎在低温胁迫下的生理生化、组织形态变化的研究较少；在研究手段方面，对油棕抗寒性研究的温度控制多是在实验室内人工操作完成的，与自然环境的变化存在一定差异。（2）在油棕抗寒性评价方面，还未曾建立可靠、高效、完整的抗寒评价系统，与油棕抗寒性相关的生理指标较多且机理复杂，单一指标很难反映植物的抗寒本质，需要明确各个指标之间的关系及协同作用，利用多个指标进行综合分析，为油棕的抗寒性评价提供科学依据。（3）综合抗寒栽培技术措施缺乏，目前主要集中在外源激素调控作用的研究，今后深入研究油棕抗寒机理的同时需要配合一些防寒措施（合理施肥、科学栽培管理、化学调控等）作为增强油棕抗寒力的手段。（4）与油棕抗寒相关的基因只有少部分被分离、鉴定，并且这些基因在抗寒过程中表现的具体作用及表达调控机制仍需进一步深入研究，今后可以通过收集抗寒性较强的油棕种质资源，挖掘新的抗寒基因，充分研究这些基因在低温胁迫下的冷信号转导机制和表达调控网络。（5）利用基因工程手段将外源抗寒基因导入植物中，在其他作物中取得了很大的进展，而转基因技术在油棕抗寒性的研究主要用于抗寒基因的功能验证，缺乏其他抗寒基因的发现和导入，今后应加强对其他林木抗寒基因的筛选获得安全有价值可用于转化的外源抗寒基因，广泛应用基因工程手段获得抗寒转基因植株。随着分子生物学技术的不断完善发展，探究与油棕抗寒相关的基因、低温诱导蛋白和分子标记，深入研究油棕低温信号转导调节机制是未来油棕抗寒性研究的重要任务，以期从分子水平对油棕抗寒机理做更科学系统的解释。