甘藍(lán)型冬油菜抗寒育種研究進(jìn)展

梁麗鵬，王海山，宋聚紅，田東良，孫春峰，付雅麗

(石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院,河北 石家莊 050041)

油菜是我國(guó)第一大油料作物,常年種植面積在700 萬(wàn)hm2左右,菜籽油占我國(guó)自產(chǎn)食用油的47%[1]。我國(guó)北方旱寒區(qū)以春油菜種植為主[2],低緯度低海拔地區(qū)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(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn),但其芥酸、硫苷含量普遍較高,且高產(chǎn)潛力有限[3-5]。甘藍(lán)型油菜已達(dá)到雙低(低芥酸、低硫苷)品質(zhì)要求[6],且具有抗倒伏、抗裂角和緊湊株型的特點(diǎn),更適于機(jī)械采收,但抗寒性較差,制約了其在北方地區(qū)的推廣和種植。

甘藍(lán)型油菜抗寒性評(píng)價(jià)與抗寒育種是其北移種植的關(guān)鍵,對(duì)于擴(kuò)大油菜種植面積、增加油菜產(chǎn)量具有重要意義。

1 抗寒性評(píng)價(jià)

當(dāng)環(huán)境溫度低于植物生長(zhǎng)最適溫度時(shí)就會(huì)對(duì)植物的代謝和發(fā)育產(chǎn)生不利影響,而溫度低于植物所能承受的最低溫度時(shí),會(huì)導(dǎo)致植物的代謝遭到破壞,甚至植株死亡,這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為低溫脅迫[7]。植物受到的15 ℃以下脅迫被稱(chēng)為寒害,0 ℃以下的脅迫被稱(chēng)為凍害[8]。植物在受到低溫脅迫后會(huì)產(chǎn)生多方面的應(yīng)答反應(yīng)[9]。甘藍(lán)型油菜的抗寒性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要體現(xiàn)在生理生化、生長(zhǎng)發(fā)育、抗寒相關(guān)基因等方面[10-12]。

1.1 生理生化指標(biāo)

甘藍(lán)型油菜的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)在一定程度上可以反應(yīng)其抗寒性[13]。在受到低溫脅迫時(shí),抗寒性強(qiáng)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(kāi)放狀態(tài),而抗寒性差的材料氣孔處于關(guān)閉或半開(kāi)放狀態(tài)[15-16]。因此,生理指標(biāo)可作為抗寒鑒定的重要參考指標(biāo)。

甘藍(lán)型油菜通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞膜穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓、清除過(guò)多的活性氧來(lái)阻止低溫脅迫對(duì)細(xì)胞和組織的損傷。相對(duì)電導(dǎo)率可直觀反映植物細(xì)胞膜透性,電導(dǎo)率增大,細(xì)胞膜受害程度加深[17-18]?？扇苄蕴?、可溶性蛋白、游離脯氨酸等[19-21]滲透保護(hù)物質(zhì)的積累可防止細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞。丙二醛(MDA)和過(guò)氧化氫(H2O2)反映膜脂的氧化程度[22]?？寡趸阜烙到y(tǒng),如過(guò)氧化氫酶(POD)和過(guò)氧化物歧化酶(SOD)可清除植株的活性氧以緩解低溫?fù)p傷[23-24]。內(nèi)源激素脫落酸(ABA)、赤霉素(GA3)參與調(diào)控植株對(duì)低溫的響應(yīng)[25]。蒲媛媛[26]通過(guò)對(duì)甘肅農(nóng)大選育的12 個(gè)甘藍(lán)型冬油菜品系在低溫脅迫后的電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、脯氨酸等變化的研究,揭示了甘藍(lán)型冬油菜抗寒性強(qiáng)弱在生化指標(biāo)上的差異。在-2 ℃持續(xù)冷凍脅迫下,強(qiáng)抗寒品系2016TS(G)10 的可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖含量較弱抗寒品系高,相對(duì)電導(dǎo)率較弱抗寒品系變化小。因此,生化指標(biāo)可作為抗寒鑒定的重要參考指標(biāo)。

研究[27]表明,白菜型油菜的抗寒能力較甘藍(lán)型油菜優(yōu)勢(shì)明顯。白菜型油菜在受到低溫脅迫時(shí)各項(xiàng)生化指標(biāo)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(xù),在接近可耐受低溫臨界值附近,甘藍(lán)型油菜的MDA、H2O2含量、POD、SOD 酶活性、ABA、GA3濃度均呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)[28],這與白菜型油菜一直保持高活性有所不同。

1.2 生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)

甘藍(lán)型油菜中抗寒性較好的資源材料具有特定的生長(zhǎng)發(fā)育表現(xiàn),表型鑒定對(duì)甘藍(lán)型油菜的抗寒性鑒定具有指導(dǎo)意義。

室內(nèi)抗寒性鑒定有助于對(duì)抗寒油菜進(jìn)行早期篩選。鮮孟筑等[29]對(duì)不同溫度處理的30 個(gè)油菜品種(系)的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析,從發(fā)芽率等18 項(xiàng)指標(biāo)中篩選出6 項(xiàng)指標(biāo)作為種子萌發(fā)耐低溫的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),并通過(guò)隸屬函數(shù)分析將油菜品種(系)低溫抗性等級(jí)劃分為強(qiáng)抗低溫、抗低溫、中抗低溫、低溫敏感。閆蕾[30]對(duì)國(guó)內(nèi)外228 份甘藍(lán)型油菜進(jìn)行抗寒性鑒定,將人工氣候室培養(yǎng)至4 葉期的幼苗經(jīng)-2～-6 ℃冷凍處理后統(tǒng)計(jì)其存活率并設(shè)計(jì)抗寒指數(shù),將油菜抗寒性分級(jí)為敏感、不抗寒、一般抗寒、抗寒、非常抗寒5 級(jí)。

大田鑒定可用于抗寒油菜的快速鑒別。相關(guān)研究[31-32]表明,強(qiáng)耐寒性甘藍(lán)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(zhǎng),進(jìn)入越冬期后,葉片趨于匍匐生長(zhǎng)。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(zhǎng),被稱(chēng)為枯葉期。生長(zhǎng)點(diǎn)在越冬期間仍在感受春化、進(jìn)行花芽分化,生長(zhǎng)點(diǎn)凹陷一定程度上可以避免裸露造成的凍害。李學(xué)才等[33]研究表明生長(zhǎng)錐高度與抗寒性密切相關(guān),強(qiáng)冬性材料苗期的生長(zhǎng)錐表面光滑,相對(duì)高度較低,而弱冬性材料苗期的生長(zhǎng)錐有小突起組織,相對(duì)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(yōu)先發(fā)育根部?jī)?chǔ)存營(yíng)養(yǎng),有利于越冬后的返青生長(zhǎng)。

1.3 抗寒相關(guān)基因

植物抗寒相關(guān)基因包括冷誘導(dǎo)基因和抗寒表達(dá)基因。植物在低溫環(huán)境中通過(guò)溫度感受器感受溫度變化,通過(guò)冷誘導(dǎo)基因來(lái)誘導(dǎo)抗寒基因表達(dá),再經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生理生化途徑變化來(lái)對(duì)抗逆境[35-37]。轉(zhuǎn)錄因子在植物應(yīng)對(duì)低溫脅迫的信號(hào)傳導(dǎo)中起到調(diào)節(jié)作用[38-39]。抗寒相關(guān)基因檢測(cè)可作為甘藍(lán)型油菜抗寒鑒定的重要依據(jù)。目前在甘藍(lán)型油菜中分離得到的冷誘導(dǎo)基因有adh、BN115、BN19、BN26、BN28、BnC24A、BnC24B等[40]。

油菜CBF4的表達(dá)受冷誘導(dǎo),其在抗寒性好的材料中的相對(duì)表達(dá)量高于抗寒性差的材料,且參與了油菜增強(qiáng)抗寒性的多分子途徑,在脅迫的不同階段表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)調(diào)控[41]。CBF17可通過(guò)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(tǒng)運(yùn)行[42]。

Huang 等[43]通過(guò)遲播模擬冬季田間油菜受到低溫脅迫,對(duì)123 份材料光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,明確BnTR1基因與蒸騰速率密切相關(guān),并能促進(jìn)植物在低溫脅迫中的適應(yīng)性,證實(shí)在低溫脅迫下光合作用指數(shù)是反映油菜抗寒能力的重要指標(biāo)。Lin 等[44]、江勇等[45]的研究證實(shí)BN28基因表達(dá)的蛋白質(zhì)屬抗凍蛋白AFP 類(lèi)群,能夠降低細(xì)胞溶液冰點(diǎn)、修飾冰晶形態(tài)并抑制重結(jié)晶的產(chǎn)生。

2 抗寒育種

越冬率是決定甘藍(lán)型冬油菜能否在北方寒區(qū)種植的重要因素,也是冬油菜抗寒性的直接表現(xiàn)。20世紀(jì)90 年代,陜西省曾實(shí)施甘藍(lán)型油菜北移計(jì)劃,通過(guò)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(lán)型油菜安全越冬的問(wèn)題,將甘藍(lán)型油菜從關(guān)中引入到渭北,明確了甘藍(lán)型油菜適合負(fù)積溫在200 ℃以下的地區(qū)種植[46]。孫萬(wàn)倉(cāng)等[47]對(duì)冬油菜進(jìn)行抗寒性鑒定及適應(yīng)性分析,為氣候變暖條件下冬油菜北移進(jìn)行了可行性鑒定和評(píng)價(jià)。湖北、甘肅、陜西、山西、河北等省農(nóng)業(yè)科研院所也通過(guò)雜種優(yōu)勢(shì)利用、三系、甘白雜交、小孢子培養(yǎng)等手段育成了一些抗寒性表現(xiàn)好的品種(系)。

2.1 雜交育種

孫萬(wàn)倉(cāng)等[48]認(rèn)為,增加選擇年限、擴(kuò)大后代材料群體數(shù)量、多點(diǎn)選擇、增強(qiáng)選擇壓力可提高選育出強(qiáng)抗寒材料的幾率。甘肅農(nóng)大通過(guò)雜交后代抗寒性定向改良,育成了多個(gè)甘藍(lán)型強(qiáng)抗寒品系,在極端氣溫(-23.5 ℃)環(huán)境中越冬率達(dá)80%以上[49]。天水市農(nóng)科所以甘白油菜為父本、半冬性甘藍(lán)型油菜華雙4 號(hào)為母本,經(jīng)系統(tǒng)選育培育出強(qiáng)抗寒的雙低甘藍(lán)型油菜新品種天油14 號(hào)[50]。天油14 號(hào)在天水各試點(diǎn)均能安全越冬,越冬率在89%以上,表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗寒性。

2.2 雄性不育育種

咸陽(yáng)市農(nóng)科院利用細(xì)胞質(zhì)雄性不育選育出強(qiáng)抗寒性早熟雙低油菜新品種秦優(yōu)11004[51]。秦優(yōu)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(guò)雜交、系統(tǒng)選育、自交、回交等方法選育而來(lái)。在選育過(guò)程中,中低代以抗寒性突出、高產(chǎn)為目標(biāo),高代以產(chǎn)量、抗逆性均衡為目標(biāo)進(jìn)行選育,定名5378B。不育系是以2168A 為母本、26-7115 為父本進(jìn)行測(cè)交,F1完全不育,后代通過(guò)連續(xù)回交至株系穩(wěn)定一致,定名5378A。以自育低芥酸中硫苷雜交組合9932 通過(guò)系統(tǒng)選育得到恢復(fù)系8198C。

2.3 甘白雜交育種

劉創(chuàng)社等[52]認(rèn)為遺傳背景多樣、配合力高、耐寒性強(qiáng)的資源材料是培育強(qiáng)抗寒新品種的基礎(chǔ),并通過(guò)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(lán)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(yōu)良的抗寒性轉(zhuǎn)入甘藍(lán)型油菜當(dāng)中。

2.4 小孢子培養(yǎng)

利用雜交后代F1植株產(chǎn)生的小孢子進(jìn)行培養(yǎng),經(jīng)過(guò)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(jìn)行雜交,將F1代小孢子進(jìn)行培養(yǎng)、加倍,培養(yǎng)的再生植株經(jīng)過(guò)抗寒分級(jí)鑒定,篩選出具有強(qiáng)抗寒性的DH 系。

3 展望

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,復(fù)雜的栽培技術(shù)使生產(chǎn)成本急劇上升,已經(jīng)不能適應(yīng)甘藍(lán)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(qiáng)的品種將是解決甘藍(lán)型油菜北移種植問(wèn)題的主要手段。

抗寒育種需立足于育種目標(biāo)中的生態(tài)條件和生產(chǎn)水平,就地科學(xué)育種,通過(guò)抗寒鑒定與不同育種手段相結(jié)合來(lái)進(jìn)行。利用室內(nèi)鑒定在早代進(jìn)行抗寒材料的大規(guī)模篩選,結(jié)合多點(diǎn)表型對(duì)高代進(jìn)行自然鑒定,使抗寒篩選與適應(yīng)性選擇同步進(jìn)行。

隨著對(duì)抗寒性較強(qiáng)的作物及油菜抗寒機(jī)理的深入研究,其規(guī)律不斷被揭示和認(rèn)知,利用遺傳學(xué)和基因組學(xué)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)對(duì)甘藍(lán)型油菜抗寒機(jī)理的了解；利用表觀形態(tài)篩選和遠(yuǎn)緣雜交等手段從白菜型油菜等作物中獲得優(yōu)異的抗寒基因,做到優(yōu)質(zhì)抗寒基因富集；通過(guò)長(zhǎng)期的適應(yīng)性訓(xùn)練不斷提高其抗寒性并獲得有效變異；通過(guò)轉(zhuǎn)基因和新基因的構(gòu)建等方法進(jìn)行資源的創(chuàng)制,將是未來(lái)抗寒育種的有效手段。