甘蓝型冬油菜抗寒育种研究进展

梁丽鹏，王海山，宋聚红，田东良，孙春峰，付雅丽

(石家庄市农林科学研究院,河北 石家庄 050041)

油菜是我国第一大油料作物,常年种植面积在700 万hm2左右,菜籽油占我国自产食用油的47%[1]。我国北方旱寒区以春油菜种植为主[2],低纬度低海拔地区可种植冬油菜。北方冬油菜种植以白菜型油菜为主,其具有耐寒、耐迟播、生育期短,耐贫瘠、抗逆性强的突出优点,但其芥酸、硫苷含量普遍较高,且高产潜力有限[3-5]。甘蓝型油菜已达到双低(低芥酸、低硫苷)品质要求[6],且具有抗倒伏、抗裂角和紧凑株型的特点,更适于机械采收,但抗寒性较差,制约了其在北方地区的推广和种植。

甘蓝型油菜抗寒性评价与抗寒育种是其北移种植的关键,对于扩大油菜种植面积、增加油菜产量具有重要意义。

1 抗寒性评价

当环境温度低于植物生长最适温度时就会对植物的代谢和发育产生不利影响,而温度低于植物所能承受的最低温度时,会导致植物的代谢遭到破坏,甚至植株死亡,这个过程被称为低温胁迫[7]。植物受到的15 ℃以下胁迫被称为寒害,0 ℃以下的胁迫被称为冻害[8]。植物在受到低温胁迫后会产生多方面的应答反应[9]。甘蓝型油菜的抗寒性评价指标主要体现在生理生化、生长发育、抗寒相关基因等方面[10-12]。

1.1 生理生化指标

甘蓝型油菜的形态解剖结构在一定程度上可以反应其抗寒性[13]。在受到低温胁迫时,抗寒性强的材料叶片栅栏组织与海绵组织比值较抗寒性差的材料小[14]；其气孔面积较小,并保持完全开放状态,而抗寒性差的材料气孔处于关闭或半开放状态[15-16]。因此,生理指标可作为抗寒鉴定的重要参考指标。

甘蓝型油菜通过增强细胞膜稳定性、调节细胞内外渗透压、清除过多的活性氧来阻止低温胁迫对细胞和组织的损伤。相对电导率可直观反映植物细胞膜透性,电导率增大,细胞膜受害程度加深[17-18]。可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸等[19-21]渗透保护物质的积累可防止细胞膜结构被破坏。丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)反映膜脂的氧化程度[22]。抗氧化酶防御系统,如过氧化氢酶(POD)和过氧化物歧化酶(SOD)可清除植株的活性氧以缓解低温损伤[23-24]。内源激素脱落酸(ABA)、赤霉素(GA3)参与调控植株对低温的响应[25]。蒲媛媛[26]通过对甘肃农大选育的12 个甘蓝型冬油菜品系在低温胁迫后的电导率、可溶性蛋白质、可溶性糖、脯氨酸等变化的研究,揭示了甘蓝型冬油菜抗寒性强弱在生化指标上的差异。在-2 ℃持续冷冻胁迫下,强抗寒品系2016TS(G)10 的可溶性蛋白质、可溶性糖含量较弱抗寒品系高,相对电导率较弱抗寒品系变化小。因此,生化指标可作为抗寒鉴定的重要参考指标。

研究[27]表明,白菜型油菜的抗寒能力较甘蓝型油菜优势明显。白菜型油菜在受到低温胁迫时各项生化指标均保持较高活性水平,使其在低温胁迫下能够减轻损伤。随着低温胁迫持续,在接近可耐受低温临界值附近,甘蓝型油菜的MDA、H2O2含量、POD、SOD 酶活性、ABA、GA3浓度均呈现先上升再下降的趋势[28],这与白菜型油菜一直保持高活性有所不同。

1.2 生长发育指标

甘蓝型油菜中抗寒性较好的资源材料具有特定的生长发育表现,表型鉴定对甘蓝型油菜的抗寒性鉴定具有指导意义。

室内抗寒性鉴定有助于对抗寒油菜进行早期筛选。鲜孟筑等[29]对不同温度处理的30 个油菜品种(系)的种子萌发和幼苗生长情况进行分析,从发芽率等18 项指标中筛选出6 项指标作为种子萌发耐低温的综合评价指标,并通过隶属函数分析将油菜品种(系)低温抗性等级划分为强抗低温、抗低温、中抗低温、低温敏感。闫蕾[30]对国内外228 份甘蓝型油菜进行抗寒性鉴定,将人工气候室培养至4 叶期的幼苗经-2～-6 ℃冷冻处理后统计其存活率并设计抗寒指数,将油菜抗寒性分级为敏感、不抗寒、一般抗寒、抗寒、非常抗寒5 级。

大田鉴定可用于抗寒油菜的快速鉴别。相关研究[31-32]表明,强耐寒性甘蓝型冬油菜苗期叶色深绿微带紫红色或偏紫红色,叶柄较短,半直立生长,进入越冬期后,叶片趋于匍匐生长。北方冬油菜在越冬期间地上部部分或者全部焦枯并停止生长,被称为枯叶期。生长点在越冬期间仍在感受春化、进行花芽分化,生长点凹陷一定程度上可以避免裸露造成的冻害。李学才等[33]研究表明生长锥高度与抗寒性密切相关,强冬性材料苗期的生长锥表面光滑,相对高度较低,而弱冬性材料苗期的生长锥有小突起组织,相对高度较高。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较大的根冠比[34],优先发育根部储存营养,有利于越冬后的返青生长。

1.3 抗寒相关基因

植物抗寒相关基因包括冷诱导基因和抗寒表达基因。植物在低温环境中通过温度感受器感受温度变化,通过冷诱导基因来诱导抗寒基因表达,再经过一系列复杂的生理生化途径变化来对抗逆境[35-37]。转录因子在植物应对低温胁迫的信号传导中起到调节作用[38-39]。抗寒相关基因检测可作为甘蓝型油菜抗寒鉴定的重要依据。目前在甘蓝型油菜中分离得到的冷诱导基因有adh、BN115、BN19、BN26、BN28、BnC24A、BnC24B等[40]。

油菜CBF4的表达受冷诱导,其在抗寒性好的材料中的相对表达量高于抗寒性差的材料,且参与了油菜增强抗寒性的多分子途径,在胁迫的不同阶段表现为动态调控[41]。CBF17可通过提高CO2同化率和电子传递效率,在低温胁迫下保持光合系统运行[42]。

Huang 等[43]通过迟播模拟冬季田间油菜受到低温胁迫,对123 份材料光合气体交换参数进行关联分析,明确BnTR1基因与蒸腾速率密切相关,并能促进植物在低温胁迫中的适应性,证实在低温胁迫下光合作用指数是反映油菜抗寒能力的重要指标。Lin 等[44]、江勇等[45]的研究证实BN28基因表达的蛋白质属抗冻蛋白AFP 类群,能够降低细胞溶液冰点、修饰冰晶形态并抑制重结晶的产生。

2 抗寒育种

越冬率是决定甘蓝型冬油菜能否在北方寒区种植的重要因素,也是冬油菜抗寒性的直接表现。20世纪90 年代,陕西省曾实施甘蓝型油菜北移计划,通过选育抗寒耐旱品种,配合沟播、覆盖、化控等栽培手段较好地解决了甘蓝型油菜安全越冬的问题,将甘蓝型油菜从关中引入到渭北,明确了甘蓝型油菜适合负积温在200 ℃以下的地区种植[46]。孙万仓等[47]对冬油菜进行抗寒性鉴定及适应性分析,为气候变暖条件下冬油菜北移进行了可行性鉴定和评价。湖北、甘肃、陕西、山西、河北等省农业科研院所也通过杂种优势利用、三系、甘白杂交、小孢子培养等手段育成了一些抗寒性表现好的品种(系)。

2.1 杂交育种

孙万仓等[48]认为,增加选择年限、扩大后代材料群体数量、多点选择、增强选择压力可提高选育出强抗寒材料的几率。甘肃农大通过杂交后代抗寒性定向改良,育成了多个甘蓝型强抗寒品系,在极端气温(-23.5 ℃)环境中越冬率达80%以上[49]。天水市农科所以甘白油菜为父本、半冬性甘蓝型油菜华双4 号为母本,经系统选育培育出强抗寒的双低甘蓝型油菜新品种天油14 号[50]。天油14 号在天水各试点均能安全越冬,越冬率在89%以上,表现出了优异的抗寒性。

2.2 雄性不育育种

咸阳市农科院利用细胞质雄性不育选育出强抗寒性早熟双低油菜新品种秦优11004[51]。秦优11004 的保持系是以抗寒性双低油菜品系6192 为母本、耐寒性双低保持系材料6113B 为父本,通过杂交、系统选育、自交、回交等方法选育而来。在选育过程中,中低代以抗寒性突出、高产为目标,高代以产量、抗逆性均衡为目标进行选育,定名5378B。不育系是以2168A 为母本、26-7115 为父本进行测交,F1完全不育,后代通过连续回交至株系稳定一致,定名5378A。以自育低芥酸中硫苷杂交组合9932 通过系统选育得到恢复系8198C。

2.3 甘白杂交育种

刘创社等[52]认为遗传背景多样、配合力高、耐寒性强的资源材料是培育强抗寒新品种的基础,并通过甘白杂交等方法育成了一系列抗寒材料和品种。文静等[53]以甘蓝型油菜品系为母本、白菜型油菜为父本配置杂交组合,研究各组合回交亲和性,以期将白菜型油菜优良的抗寒性转入甘蓝型油菜当中。

2.4 小孢子培养

利用杂交后代F1植株产生的小孢子进行培养,经过加倍可以得到纯和DH 群体。吴安平[54]将非抗寒材料与抗寒材料进行杂交,将F1代小孢子进行培养、加倍,培养的再生植株经过抗寒分级鉴定,筛选出具有强抗寒性的DH 系。

3 展望

随着经济社会发展,复杂的栽培技术使生产成本急剧上升,已经不能适应甘蓝型油菜北移种植的需要。低温胁迫是影响油菜种植地理分布的主要因素,选育抗寒性强的品种将是解决甘蓝型油菜北移种植问题的主要手段。

抗寒育种需立足于育种目标中的生态条件和生产水平,就地科学育种,通过抗寒鉴定与不同育种手段相结合来进行。利用室内鉴定在早代进行抗寒材料的大规模筛选,结合多点表型对高代进行自然鉴定,使抗寒筛选与适应性选择同步进行。

随着对抗寒性较强的作物及油菜抗寒机理的深入研究,其规律不断被揭示和认知,利用遗传学和基因组学相关技术的发展,促进对甘蓝型油菜抗寒机理的了解；利用表观形态筛选和远缘杂交等手段从白菜型油菜等作物中获得优异的抗寒基因,做到优质抗寒基因富集；通过长期的适应性训练不断提高其抗寒性并获得有效变异；通过转基因和新基因的构建等方法进行资源的创制,将是未来抗寒育种的有效手段。